کربن اکتیو (یا کربن فعال / Activated Carbon) نوعی جاذب بسیار قوی است که از مواد آلی کربندار مثل زغالسنگ، چوب، پوست نارگیل یا حتی استخوان تولید میشود.
فرآیند «فعالسازی» باعث میشود سطح داخلی این ماده بهشدت افزایش یابد و بتواند مولکولهای مختلف را جذب کند.
روش تولید کربن اکتیو
- کربونیزه کردنمادهی خام در دمای بالا (معمولاً بدون حضور اکسیژن) حرارت داده میشود تا فقط کربن باقی بماند.
- فعالسازی (Activation)در این مرحله با استفاده از بخار یا مواد شیمیایی (مانند اسید فسفریک یا کلرید روی)، منافذ ریز و فراوانی در ساختار کربن ایجاد میشود.→ نتیجه: سطح تماس آن ممکن است تا ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ متر مربع در هر گرم! برسد.
مراحل اصلی تولید کربن اکتیو
۱. انتخاب و آمادهسازی ماده اولیه
مواد خام باید غنی از کربن باشند. معمولترین منابع:
چوب، پوسته نارگیل، زغالسنگ، لیگنایت، پوست گردو یا خاکاره.
فرآیند:
- خشک کردن برای حذف رطوبت
- خرد کردن تا اندازه مناسب
- گاهی الک و جداسازی مواد ناخالص
۲. کربونیزاسیون (Carbonization)
در این مرحله، مواد خام در محیطی فاقد اکسیژن (یا با اکسیژن محدود) حرارت داده میشوند تا مواد فرار (مانند آب، هیدروژن و گازها) خارج شوند و فقط ساختار کربنی باقی بماند.
شرایط معمول:
- دما: 400 تا 800 درجه سانتیگراد
- مدت زمان: ۱ تا ۲ ساعت
نتیجه:
کربنی «خام» با منافذ بسته که هنوز خاصیت جذب بالایی ندارد.
۳. فعالسازی (Activation)
در این مرحله ساختار کربن بازسازی میشود تا میلیونها منفذ باز برای جذب مولکولها ایجاد گردد.
دو روش اصلی دارد
الف) فعالسازی فیزیکی (Physical Activation)
به آن فعالسازی با بخار یا گاز هم میگویند.
مراحل:
- کربن خام در دمای ۸۰۰ تا ۱۰۰۰°C در تماس با بخار آب یا دیاکسید کربن (CO₂) قرار میگیرد.
- بخار آب یا گاز با سوزاندن کنترلشدهی قسمتی از کربن، منافذ میسازد.
مزایا:
- بدون مواد شیمیایی
- سختی مکانیکی بالا
- سازگار با محیط زیست
معایب:
- دمای بالا → انرژی زیاد
- کنترل دقیق سختتر است
ب) فعالسازی شیمیایی (Chemical Activation)
این روش بیشتر برای مواد سبک مانند چوب و پوست نارگیل استفاده میشود.
مراحل:
- آغشتهسازی ماده خام به مواد شیمیایی مانند:
- اسید فسفریک (H₃PO₄)
- کلرید روی (ZnCl₂)
- یا هیدروکسید پتاسیم (KOH)
- حرارتدهی در ۴۰۰ تا ۷۰۰°C در محیط بیهوازی
- شستوشو برای حذف مواد فعالساز و خنثیسازی
مزایا:
- دمای پایینتر
- سطح ویژه بسیار بالا
- کنترل بهتر بر اندازه منافذ
معایب:
- نیاز به شستوشوی کامل برای حذف باقیماندهی شیمیایی
- خطر زیستمحیطی در صورت مدیریت نادرست پساب
۴. خنکسازی و شستوشو
پس از فعالسازی، محصول باید خنک شود و با آب (گاهی همراه با اسید یا قلیا) شستوشو شود تا مواد باقیماندهی شیمیایی و خاکستر حذف شوند.
۵. خشککردن و دانهبندی
در پایان، کربن اکتیو:
- در دمای ۱۱۰–۱۵۰°C خشک میشود
- بر اساس اندازه الک میگردد
- آمادهی بستهبندی است (پودری، دانهای یا قالبی)
انواع کربن اکتیو کدامند؟
۱. بر اساس شکل فیزیکی
| نوع | توضیح | کاربرد معمول |
|---|---|---|
| کربن اکتیو پودری (PAC – Powdered Activated Carbon) | ذرات ریز (کمتر از ۱ میلیمتر)، سطح تماس زیاد، سریعالعمل | تصفیه آب، فاضلاب، صنایع غذایی، داروسازی |
| کربن اکتیو دانهای (GAC – Granular Activated Carbon) | دانههای بزرگتر (۰٫۵ تا ۴ میلیمتر)، جریانپذیرتر | فیلترهای آب خانگی و صنعتی، آکواریوم، تصفیه هوا |
| کربن اکتیو قالبی / اکسترودشده (EAC یا Pelletized) | بهشکل استوانهای یا قرصی (با پرس تولید میشود) | ماسکهای تنفسی، فیلتر خودرو، جذب گازها |
| کربن اکتیو آغشته (Impregnated Activated Carbon) | با مواد شیمیایی (مثل نقره، پتاسیم یدید، مس، سولفور) پوشش داده میشود تا خاصیت ویژهای داشته باشد | حذف گازهای سمی مانند H₂S و NH₃ در صنایع یا پناهگاهها |
۲. بر اساس ماده اولیه
| ماده اولیه | ویژگی | کاربرد |
|---|---|---|
| پوسته نارگیل (Coconut Shell) | منافذ بسیار ریز (Micropores)، سختی بالا | بهترین نوع برای تصفیه آب و حذف بو و طعم کلر |
| زغالسنگ بیتومینه (Bituminous Coal) | ترکیبی از ریز و درشتمنافذ، جذب متنوع | تصفیه هوا و گاز، کاربرد صنعتی |
| لیگنایت (Lignite) | منافذ درشتتر (Macropores)، سطح مخصوص پایینتر | فیلترهای بزرگ صنعتی، تصفیه گازها |
| چوب (Wood) | ساختار متخلخل درشت، مناسب جذب ترکیبات آلی و رنگبر | صنایع غذایی و داروسازی |
۳. بر اساس روش فعالسازی
| روش | توضیح | ویژگی |
|---|---|---|
| فعالسازی فیزیکی (با بخار یا CO₂) | حرارت بالا (۸۰۰–۱۰۰۰°C) → منافذ طبیعی | دوام مکانیکی بالا، معمولاً بدون مواد شیمیایی |
| فعالسازی شیمیایی (با KOH، H₃PO₄ و …) | در دمای پایینتر انجام میشود | سطح ویژه خیلی زیاد، اما احتمال باقیماندن اثرات شیمیایی |
۴. از نظر ساختار منافذ
| نوع منافذ | اندازه (نانومتر) | مناسب برای جذب |
|---|---|---|
| Micropores | < 2 nm | گازها، بخارات و کوچکترین مولکولها |
| Mesopores | 2–50 nm | رنگها و ترکیبات آلی در مایع |
| Macropores | > 50 nm | مولکولهای بزرگتر |
بیشترین کاربرد کربن اکتیو بر اساس صنعت
| رتبه | درصد تقریبی جهانی | کاربرد |
|---|---|---|
| 1️⃣ تصفیه آب و فاضلاب | ~50–60٪ | حذف کلر، طعم، بو، مواد آلی، ترکیبات آلی فرّار (VOC)، فلزات سنگین و سموم از آب آشامیدنی و فاضلابها. استفاده در فیلترهای خانگی، صنعتی و شهری. |
| 2️⃣ تصفیه هوا و گازها | ~15–20٪ | جذب بوها، بخارات شیمیایی (مانند بنزن، تولوئن، متانول)، حذف ترکیبات سمی در کارخانهها، فیلتر خودرو و ماسکهای تنفسی. |
| 3️⃣ صنایع غذایی و نوشیدنی | ~10٪ | رنگبری و حذف بو در قند، شکر، شربت، نوشابه، روغنها و الکلها. |
| 4️⃣ داروسازی و پزشکی | ~5–7٪ | زغال فعال برای جذب سموم در معده، تصفیه داروها و تزریقات، ساخت بعضی پدها و ماسکها. |
| 5️⃣ صنایع شیمیایی و پتروشیمی | ~5٪ | بازیافت حلالها، جذب گازها و کنترل آلودگی در خطوط تولید. |
| 6️⃣ فلزات گرانبها (طلا، نقره) | ~3٪ | جذب محلولهای شامل طلا و استخراج آن (فرآیند CIL / CIP در معادن طلا). |
چرا بیشترین کاربرد کربن اکتیو در صنعت آب است؟
کربن اکتیو برای آب بسیار مؤثر و ایمن است چون:
- بدون افزودن مواد شیمیایی، ناخالصیها را حذف میکند.
- روی طعم، رنگ و بو اثر فوقالعادهای دارد.
- در فیلترهای خانگی، شهری و صنعتی قابل احیا و بازیافت است.
به همین دلیل بیش از نیمی از تولید جهانی کربن اکتیو (بهویژه نوع پوستهی نارگیل) در تصفیه آب مصرف میشود.