ساختار کربن فعال چگونه است ؟

مواد اولیه و ترکیب شیمیایی کربن فعالکربن فعال (یا اکتیو) (از لاتین carbon active) یک جاذب است. ماده ای با ساختار متخلخل بسیار توسعه یافته که از مواد مختلف حاوی کربن با منشاء آلی مانند زغال سنگ، کک زغال سنگ، کک نفتی، پوسته نارگیل به دست می آید. ، گردو، هسته زردآلو، زیتون و سایر محصولات میوه.کربن فعال (کاربولن) ساخته شده از پوسته نارگیل از نظر کیفیت پاک کنندگی و عمر مفید بهترین محسوب می شود و به دلیل استحکام بالا می تواند بارها بازسازی شود.از دیدگاه شیمی، کربن اکتیو یکی از اشکال کربن با ساختار ناقص است که عملاً هیچ ناخالصی ندارد. کربن فعال از 87-97 درصد وزن کربن تشکیل شده است، همچنین می تواند حاوی هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن، گوگرد و سایر مواد باشد.از نظر ترکیب شیمیایی، کربن فعال شبیه گرافیت است، ماده ای که از جمله در مدادهای معمولی استفاده می شود. زغال فعال، الماس، گرافیت همه اشکال مختلف کربن هستند که عملاً هیچ ناخالصی ندارند. کربن‌های فعال با توجه به ویژگی‌های ساختاری خود به گروه انواع کربن میکروکریستالی تعلق دارند، این بلورهای گرافیتی متشکل از صفحاتی به طول 2-3 نانومتر هستند که به نوبه خود توسط حلقه‌های شش ضلعی تشکیل می‌شوند.با این حال، جهت گیری معمولی برای گرافیت صفحات شبکه منفرد نسبت به یکدیگر در کربن های فعال نقض می شود. لایه ها به طور تصادفی جابجا می شوند و در جهت عمود بر صفحه خود منطبق نیستند. علاوه بر کریستالیت‌های گرافیت، کربن‌های فعال حاوی یک تا دو سوم کربن آمورف به همراه هترواتم‌ها هستند.جرم ناهمگن، متشکل از کریستال های گرافیت و کربن آمورف، ساختار متخلخل عجیب کربن های فعال و همچنین جذب و خواص فیزیکی-مکانیکی آنها را تعیین می کند. وجود اکسیژن متصل به شیمیایی در ساختار زغال ‌های فعال، که ترکیبات شیمیایی سطحی با ماهیت بازی یا اسیدی را تشکیل می‌دهد، به طور قابل ‌توجهی بر ویژگی‌های جذب آنها تأثیر می‌گذارد.محتوای خاکستر کربن فعال می تواند 1-15٪ باشد.ساختار کربن فعالزغال فعال دارای تعداد زیادی منافذ است و بنابراین دارای سطح بسیار بزرگی است که در نتیجه جذب بالایی دارد (1 گرم کربن فعال، بسته به تکنولوژی ساخت، سطحی بین 500 تا 1500 متر مربع دارد). این سطح بالای تخلخل است که کربن فعال را "فعال" می کند. افزایش تخلخل کربن فعال در طی یک درمان ویژه - فعال سازی رخ می دهد که به طور قابل توجهی سطح جذب را افزایش می دهد.در کربن‌های اکتیو، منافذ ماکرو، مزو و میکرو متمایز می‌شوند. بسته به اندازه مولکول هایی که باید روی سطح زغال سنگ نگهداری شوند، باید زغال سنگ با نسبت های مختلف اندازه منافذ تولید شود. منافذ در کربن فعال با توجه به ابعاد خطی آنها طبقه بندی می شوند.برای جذب در ریز منافذ (حجم ویژه 0.2-0.6 cm3/gو 800-1000 m2/g)، متناسب با اندازه با مولکول های جذب شده، مکانیسم پر کردن توده عمدتاً مشخص است. به طور مشابه، جذب در ابر میکرومنفذها (حجم ویژه 0.15-0.2 سانتی متر مکعب بر گرم) - مناطق میانی بین ریز منافذ و مزوپورها - رخ می دهد.در این منطقه، خواص ریز منافذ به تدریج تحلیل می رود، در حالی که خواص مزوپورها ظاهر می شود. مکانیسم جذب در مزوپورها شامل تشکیل متوالی لایه های جذب (جذب پلی مولکولی) است که با پر شدن منافذ توسط مکانیسم تراکم مویرگی به پایان می رسد.برای کربن‌های فعال معمولی، حجم مزوپور خاص 0.02-0.10 سانتی‌متر مکعب بر گرم است، سطح ویژه 20-70 مترمربع بر گرم است. با این حال، برای برخی از کربن های فعال (به عنوان مثال، شفاف کننده)، این شاخص ها می توانند به ترتیب به 0.7 سانتی متر مکعب در گرم و 200-450 متر مربع در گرم برسند. ماکروپورها (به ترتیب حجم و سطح خاص، 0.2-0.8 cm3/g و 0.5-2.0 m2/g) به عنوان کانال های انتقالی عمل می کنند که مولکول های مواد جذب شده را به فضای جذب گرانول های کربن فعال می آورند. میکرو و مزوپورها به ترتیب بیشترین بخش از سطح کربن های فعال را تشکیل می دهند و بیشترین سهم را در خواص جذب خود دارند.میکروپورها به ویژه برای جذب مولکول های کوچک و مزوپورها برای جذب مولکول های آلی بزرگتر مناسب هستند. مواد اولیه ای که از آن به دست می آیند تأثیر تعیین کننده ای بر ساختار منافذ کربن های فعال دارد.کربن‌های فعال مبتنی بر پوسته نارگیل با نسبت بیشتری از ریز منافذ مشخص می‌شوند و کربن‌های فعال مبتنی بر زغال سنگ - نسبت بیشتری از مزوپورها. بخش بزرگی از درشت منافذ مشخصه کربن‌های فعال مبتنی بر چوب است.در کربن اکتیو، به عنوان یک قاعده، انواع منافذ وجود دارد و منحنی توزیع تفاضلی حجم آنها بر اساس اندازه حداکثر 2-3 است. بسته به درجه توسعه ابر میکرو حفره ها، کربن های فعال با توزیع باریک (این منافذ عملا وجود ندارند) و گسترده (به طور قابل توجهی توسعه یافته) متمایز می شوند.یک جاذبه بین مولکولی در منافذ کربن فعال وجود دارد که منجر به پیدایش نیروهای جذب (نیروهای واندروالس) می شود که از نظر ماهیت مشابه نیروی گرانش هستند، تنها تفاوت این است که بر روی یک مولکولی و نه در سطح نجومی این نیروها باعث ایجاد یک واکنش بارش مانند می شوند که در آن مواد جذب شده را می توان از جریان آب یا گاز حذف کرد. مولکول های آلاینده های حذف شده توسط نیروهای بین مولکولی واندروالس روی سطح کربن فعال نگه داشته می شوند.بنابراین، کربن‌های فعال آلاینده‌ها را از مواد در حال تصفیه حذف می‌کنند (برای مثال، رنگ‌زدایی، زمانی که مولکول‌های ناخالصی‌های رنگی حذف نمی‌شوند، اما از نظر شیمیایی به مولکول‌های بی‌رنگ تبدیل می‌شوند).واکنش های شیمیایی نیز می تواند بین مواد جذب شده و سطح کربن اکتیو رخ دهد. این فرآیندها جذب شیمیایی یا جذب شیمیایی نامیده می شوند، اما به طور کلی فرآیند جذب فیزیکی در طی برهمکنش کربن فعال و ماده جذب شده اتفاق می افتد. جذب شیمیایی به طور گسترده در صنعت برای تصفیه گاز، گاز زدایی، جداسازی فلزات و همچنین در تحقیقات علمی استفاده می شود. جذب فیزیکی برگشت پذیر است، یعنی مواد جذب شده را می توان از سطح جدا کرد و تحت شرایط خاصی به حالت اولیه خود بازگرداند. در جذب شیمیایی، ماده جذب شده از طریق پیوندهای شیمیایی با سطح در ارتباط است و خواص شیمیایی آن را تغییر می دهد. جذب شیمیایی برگشت پذیر نیست.برخی از مواد روی سطح کربن‌های فعال معمولی جذب ضعیفی دارند. این مواد عبارتند از آمونیاک، دی اکسید گوگرد، بخار جیوه، سولفید هیدروژن، فرمالدئید، کلر و هیدروژن سیانید. برای حذف موثر چنین موادی، از کربن فعال آغشته به معرف های شیمیایی ویژه استفاده می شود. کربن‌های فعال آغشته‌شده در کاربردهای تخصصی در تصفیه هوا و آب، در ماسک‌ها، برای مقاصد نظامی، در صنایع هسته‌ای و غیره استفاده می‌شوند.تولید کربن فعالبرای تولید کربن فعال از کوره هایی در انواع و طرح های مختلف استفاده می شود. گسترده ترین آنها عبارتند از: کوره های دوار چند قفسه، شفت، افقی و عمودی و همچنین راکتورهای بستر سیال. خواص اصلی کربن‌های فعال و مهم‌تر از همه ساختار متخلخل با توجه به نوع ماده اولیه حاوی کربن و روش پردازش آن تعیین می‌شود. ابتدا مواد خام حاوی کربن به اندازه ذرات 3-5 سانتی متر خرد می شوند، سپس در معرض کربنیزاسیون (تیرولیز) قرار می گیرند - بو دادن در دمای بالا در یک جو بی اثر و بدون دسترسی به هوا برای حذف مواد فرار. در مرحله کربن سازی، چارچوب کربن فعال آینده تشکیل می شود - تخلخل و استحکام اولیه.با این حال، زغال سنگ کربنیزه به‌دست‌آمده (کربونیزه) خواص جذب ضعیفی دارد زیرا اندازه منافذ آن کوچک و سطح داخلی آن بسیار کوچک است. بنابراین، کربنیزات برای به دست آوردن یک ساختار منفذی خاص و بهبود خواص جذب در معرض فعال سازی قرار می گیرد. ماهیت فرآیند فعال سازی باز کردن منافذی است که در حالت بسته در مواد کربنی هستند. این کار یا به روش ترموشیمیایی انجام می شود: مواد ابتدا با محلولی از کلرید روی ZnCl2، کربنات پتاسیم K2CO3 یا برخی ترکیبات دیگر آغشته می شود و تا دمای 400-600 درجه سانتیگراد بدون هوا، یا با متداول ترین عملیات، با بخار فوق گرم یا کربن گرم می شود. دی اکسید CO2 یا مخلوط آنها در دمای 700-900 درجه سانتیگراد تحت شرایط کاملاً کنترل شده.