کربن اکتیو

کربن اکتیو - Activated carbon

 
1-مقدمه

کربن فعال که زغال فعال نیز نامیده می شود، نوعی کربن است که دارای حفرات کوچک کم حجم می باشد. دارا بودن سطح زیاد و حجم کم، سطح کربن فعال را برای جذب یا واکنش های شیمیایی افزایش می دهد. این ماده به علت بالا بودن درجه ریزی، تخلخل بالایی دارد. یک گرم کربن فعال می تواند مساحتی بیش از 500 متر مربع داشته باشد که رسیدن به 3000 متر مربع به راحتی قابل دستیابی است. این مساحت توسط جذب گاز تعیین می شود این گاز می تواند انواع اکسیدهای نیتروژن و یا خود نیتروژن باشد. در زیر یک میکروسکوپ الکترونی، ساختارهای سطح بالای کربن فعال آشکار می شوند. ذرات منفرد به شدت در هم پیچیده هستند و انواع مختلفی از تخلخل را نشان می دهند. در مناطق زیادی می توان سطوح مسطح مواد گرافیت مانند را پیدا کرد که به شکل موازی با یکدیگر قرار گرفته اند. فاصله این سطوح تنها چند نانومتر و یا کمی بیشتر است. کربن فعال معمولا از زغال چوب به دست می آید. هنگامی که این ماده از زغال سنگ مشتق می شود به آن زغال سنگ فعال می گویند. کک فعال از کک به دست می آید. با توجه به پیچیدگی کربن‌ های فعال معمولا آنها را دسته بندی نمی کنند. با این حال، برخی از طبقه بندی های گسترده برای اهداف عمومی بر اساس اندازه، روش های آماده سازی و کاربردهای صنعتی آنها تهیه شده است. آئروژل های کربنی که امروزه بسیار کاربرد پیدا کرده اند به علت مساحت بالاتری که دارند، گران هستند و در کاربردهای خاص مورد استفاده قرار می گیرند.

2-تاریخچه

اولین استفاده مستند از کربن فعال به 3750 سال قبل از میلاد بر می گردد، زمانی که مصریان برای اولین بار از آن برای ذوب سنگ معدن و تولید برنز استفاده کردند. تا سال 1500 قبل از میلاد نیز از آن برای بیماری های روده، جذب بوهای نامطبوع و برای نوشتن بر روی سطوح مختلف استفاده می کردند. در سال 400 قبل از میلاد هندوهای باستان و فنیقی ها خواص ضد عفونی کننده کربن فعال را کشف کردند و شروع به استفاده از آن برای تصفیه آب خود نمودند. یک روش شناخته شده برای هر سفر دریایی طولانی، ذخیره آب در بشکه هایی بود که توسط ذغال محافظت شده بودند. در سال 50 پس از میلاد، بقراط و پلینی در استفاده از کربن فعال در پزشکی پیشرو بودند و از آن را برای درمان بسیاری از بیماری‌ های مختلف مانند صرع، کلروز و سرگیجه استفاده کردند. پس از سرکوب علوم در قرون تاریکی، زغال چوب در دهه های 1700 و 1800 در استفاده از درمان های پزشکی دوباره ظهور کرد (هم به دلیل خاصیت جذب مایع و گازها و هم به دلیل خاصیت ضد عفونی کننده آن).

3- کاربردها

کربن فعال در تصفیه آب، هوا,  فاضلاب، تولید موادی مانند متان، هیدروژن، هیدروژن کلرید، دارو های ضد اسهال، بازیافت کردن حلال، خالص سازی طلا، سفید کننده دندان و بسیاری زمینه های دیگر کاربرد دارد.

1-3- صنعتی

یکی از کاربردهای صنعتی عمده شامل استفاده از کربن فعال در پرداخت فلز است و برای خالص سازی محلول های آبکاری به کار می رود. حذف ناخالصی های آلی از محلول های آبکاری نیکل یکی از نمونه های استفاده از کربن فعال در این زمینه است. برای ارتقا کیفیت و خواصی مانند روشنایی، صافی، شکل پذیری، مواد شیمیایی آلی متفاوتی به محلول های آبکاری اضافه می شود. به دلیل عبور جریان مستقیم و واکنش های الکترولیتی اکسیداسیون آندی و احیای کاتدی، افزودنی های آلی می شکنند و محصولاتی ناخواسته تولید می کنند. تجمع بیش از حد این محصولات در محلول می تواند بر کیفیت آبکاری و خواص فیزیکی فلز رسوبی تأثیر منفی بگذارد. تصفیه با کربن فعال این گونه ناخالصی ها را حذف می کند و عملکرد آبکاری را به سطح مورد نظر باز می گرداند.

2-3- پزشکی

کربن فعال برای درمان مسمومیت ها و مصرف بیش از حد دارو به شکل خوراکی استفاده می شود. قرص های خوراکی کربن فعال به عنوان داروی بدون نسخه برای درمان اسهال، سوء هاضمه و نفخ در اکثر کشورها عرضه می شود. کربن اکتیو در فهرست داروهای ضروری سازمان جهانی بهداشت است و جزو ایمن ترین و موثرترین داروهای مورد نیاز در یک سیستم بهداشتی می باشد.

4- واکنش‌ ها

بعد از به دست آمدن زغال از منابع مختلف مانند کک, چوب و غیره بایستی با روش های مختلف که عمدتا شیمیایی هستند آن را فعال نمود. در زیر تعدادی از واکنش های مربوط به فعال سازی شیمیایی کربن به وسیله فلزات قلیایی آمده است:

5- روش تولید

کربن فعال را در واقع از موادی که منشا کربنی دارند به دست می آورند. بامبو، پوسته نارگیل، ذغال سنگ نارس بید، چوب، زغال سنگ نمونه هایی از منابع برای تولید کربن فعال هستند. این ترکیب را می توان با یکی از فرایند های زیر تولید کرد:

1-5- فعال سازی فیزیکی

 در این روش ماده منبع با استفاده از گازهای داغ (بدون اکسیژن) به کربن فعال تبدیل می شود. سپس هوای اکسیژن دار وارد می شود تا گازها را بسوزاند و کربن فعال ایجاد می کند. این مرحله به طور کلی با استفاده از یک یا چند مورد از فرآیندهای زیر انجام می شود:

1-1-5- کربنیزاسیون

 مواد با محتوای کربن در دمای 600 تا 900 درجه سانتی ‌گراد، معمولاً در اتمسفر گازهای بی اثری مانند آرگون یا نیتروژن، پیرولیز می ‌شوند.

2-1-5- فعال سازی/اکسیداسیون

مواد خام یا مواد کربنیزه در دمای بالاتر از 250 درجه سانتی گراد، معمولاً در محدوده دمایی 600 تا 1200 درجه سانتی گراد، در معرض اتمسفرهای اکسید کننده (اکسیژن یا بخار) قرار می گیرند.

2-5- فعال سازی شیمیایی

 در این روش مواد کربنی به مواد شیمیایی خاصی آغشته می شوند. این ماده شیمیایی معمولاً یک اسید، باز قوی یا یک نمک است (اسید فسفریک 25٪، هیدروکسید پتاسیم 5٪، سدیم هیدروکسید 5٪، کلرید کلسیم 25٪ و کلرید روی 25٪). سپس کربن در معرض دمای بالا (250-600 درجه سانتیگراد) قرار می گیرد. اعتقاد بر این است که دما در این مرحله، مواد کربنی را با وادار کردن به باز شدن و داشتن منافذ میکروسکوپی بیشتر فعال می کند. 
فعال سازی شیمیایی در دماهای پایین تر اتفاق می افتد، کیفت محصول نهایی بهتر است و زمان کمتری برای فعال کردن مواد نیاز دارد. موارد ذکر شده باعث می شود فعال سازی شیمیایی به فیزیکی ترجیح داده شود.

تصویر میکروسکوپ الکترونی از سطح کربن اکتیو یا فعال

6- تحقیقات جدید

به تازگی گزارشی از مقایسه کربن فعال بازیافت شده از تایر ها و کربن فعال تجاری در حذف فلزات سنگین منتشر شده است. در نتایج تحقیق، کربن فعال بازیافت شده پتانسیل بالایی برای جذب یون فلزات سنگین مانند سرب، مس و زینک نشان داده است که به طور قابل توجهی از مقدار مربوط کربن فعال تجاری بیشتر بود.

7- نگهداری

این ماده بایستی در مکانی خشک، دارای تهویه مناسب و در دمای 15 تا 25 درجه سانتی گراد نگه داری شود.

8- ایمنی

استنشاق گرد و غبار ممکن است باعث تحریک سیستم تنفسی شود. استفاده نادرست پزشکی، برای مثل استنشاق و فرو بردن در ریه ها منجر به آسپیراسیون ریوی می شود، که گاهی اوقات در صورت عدم شروع درمان فوری می تواند کشنده باشد. تماس مکرر یا طولانی مدت کربن فعال با پوست ممکن است باعث تحریک پوست شود.