Ενεργός άνθρακας

Ο ενεργός άνθρακας είναι μορφή άνθρακα που χρησιμοποιείται συνήθως για το φιλτράρισμα των ρύπων στο νερό και στον αέρα, μεταξύ πολλών άλλων χρήσεων. Υποβάλλεται σε επεξεργασία (ενεργοποιείται) για να έχει μικρούς, μικρού όγκου πόρους που αυξάνουν την επιφάνεια διαθέσιμη για προσρόφηση ( Σημείωση, η προσρόφηση δεν είναι ίδια με την απορρόφηση ) ή για χημικές αντιδράσεις. Η ενεργοποίηση είναι ανάλογη με την παρασκευή ποπ κορν από αποξηραμένους κόκκους καλαμποκιού: το ποπ κορν είναι ελαφρύ, αφράτο και έχει επιφάνεια που είναι πολύ μεγαλύτερη από τους πυρήνες.

Λόγω του υψηλού βαθμού μικροπορώτητάς του, ένα γραμμάριο ενεργού άνθρακα έχει επιφάνεια μεγαλύτερη από 3.000 τετραγωνικά μέτρα όπως προσδιορίζεται από την προσρόφηση αερίου. Ο άνθρακας, πριν από την ενεργοποίηση, έχει ειδική επιφάνεια μεταξύ 2,0 - 5,0 m 2 /g. Ένα επίπεδο ενεργοποίησης επαρκές για χρήσιμη εφαρμογή μπορεί να επιτευχθεί μόνο από μεγάλη επιφάνεια. Περαιτέρω χημική επεξεργασία συχνά ενισχύει τις ιδιότητες προσρόφησης.

Ο ενεργός άνθρακας προέρχεται συνήθως από απόβλητα όπως φλοιοί καρύδας, ενώ τα απόβλητα από τις χαρτοβιομηχανίες έχουν μελετηθεί ως πηγή. Αυτές οι χύδην πηγές μετατρέπονται σε κάρβουνο πριν «ενεργοποιηθούν». Όταν προέρχεται από άνθρακα αναφέρεται ως ενεργός άνθρακας. Ο ενεργοποιημένος οπτάνθρακας προέρχεται από τον οπτάνθρακα (κοκ).

Χρήσεις 
Ο ενεργός άνθρακας χρησιμοποιείται στην αποθήκευση μεθανίου και υδρογόνου, καθαρισμό αέρα, ανάκτηση διαλυτών, αποκαφεΐνωση, καθαρισμός χρυσού, εξαγωγή μετάλλων, καθαρισμός νερού, ιατρική, επεξεργασία λυμάτων, φίλτρα αέρα σε αναπνευστήρες, φίλτρα σε πεπιεσμένο αέρα, λεύκανση δοντιών, παραγωγή υδροχλωρίου και πολλές άλλες εφαρμογές.

Ιατρικές 

Ο ενεργός άνθρακας χρησιμοποιείται για τη θεραπεία δηλητηριάσεων και υπερδοσολογίας μετά από από του στόματος κατάποση. Τα δισκία ή οι κάψουλες ενεργού άνθρακα χρησιμοποιούνται σε πολλές χώρες ως φάρμακο χωρίς ιατρική συνταγή για τη θεραπεία της διάρροιας, της δυσπεψίας και του μετεωρισμού. Ωστόσο, ο ενεργός άνθρακας δεν επιδρά κάπως στα εντερικά αέρια και στη διάρροια και είναι συνήθως ιατρικά αναποτελεσματικός εάν η δηλητηρίαση προκλήθηκε από κατάποση διαβρωτικών παραγόντων, βορικού οξέος, προϊόντων πετρελαίου και είναι ιδιαίτερα αναποτελεσματικός έναντι δηλητηριάσεων από ισχυρά οξέα ή βάσεις, κυάνιο, σίδηρο, λίθιο, αρσενικό, μεθανόλη, αιθανόλη ή αιθυλενογλυκόλη. Ο ενεργός άνθρακας δεν θα εμποδίσει αυτές τις χημικές ουσίες να απορροφηθούν στο ανθρώπινο σώμα. Συμπεριλαμβάνεται στον Κατάλογο Βασικών Φαρμάκων του Παγκόσμιου Οργανισμού Υγείας, τα ασφαλέστερα και αποτελεσματικότερα φάρμακα που χρειάζονται σε ένα σύστημα υγείας.

Η λανθασμένη εφαρμογή (π.χ. στους πνεύμονες ) έχει ως αποτέλεσμα την πνευμονική εισρόφηση, η οποία μερικές φορές μπορεί να είναι θανατηφόρα εάν δεν ξεκινήσει άμεση ιατρική θεραπεία.

Περιβαλλοντική 

Η προσρόφηση άνθρακα έχει πολυάριθμες εφαρμογές στην απομάκρυνση ρύπων από τον αέρα ή το νερό τόσο στο πεδίο όσο και σε βιομηχανικές διεργασίες όπως:

 Καθαρισμός διαρροής
 Αποκατάσταση υπόγειων υδάτων
 Διήθηση πόσιμου νερού
 Καθαρισμός αέρα
 Σύλληψη πτητικών οργανικών ενώσεων από το βάψιμο, το στεγνό καθάρισμα, τις εργασίες διανομής βενζίνης και άλλες διαδικασίες
 Ανάκτηση πτητικών οργανικών ενώσεων (συστήματα ανάκτησης διαλύτη, SRU) από εύκαμπτη συσκευασία, μετατροπή, επίστρωση και άλλες διεργασίες.

Κατά την πρώιμη εφαρμογή του νόμου για το ασφαλές πόσιμο νερό του 1974 στις ΗΠΑ, οι αξιωματούχοι της EPA ανέπτυξαν έναν κανόνα που πρότεινε να απαιτείται από τα συστήματα επεξεργασίας πόσιμου νερού να χρησιμοποιούν κοκκώδη ενεργό άνθρακα. Λόγω του υψηλού κόστους του, ο λεγόμενος κανόνας GAC συνάντησε έντονη αντίθεση σε ολόκληρη τη χώρα από τη βιομηχανία ύδρευσης, συμπεριλαμβανομένων των μεγαλύτερων επιχειρήσεων ύδρευσης στην Καλιφόρνια. Ως εκ τούτου, η υπηρεσία άφησε κατά μέρος τον κανόνα. Το φιλτράρισμα με ενεργό άνθρακα είναι μια αποτελεσματική μέθοδος επεξεργασίας νερού λόγω της πολυλειτουργικής φύσης του. Υπάρχουν συγκεκριμένοι τύποι μεθόδων και εξοπλισμού φιλτραρίσματος ενεργού άνθρακα που υποδεικνύονται – ανάλογα με τους εμπλεκόμενους ρύπους.

Γεωργικές 
Ο ενεργός άνθρακας (κάρβουνο) είναι επιτρεπόμενη ουσία που χρησιμοποιείται από βιοκαλλιεργητές τόσο στην κτηνοτροφία όσο και στην οινοποίηση. Στην κτηνοτροφική παραγωγή χρησιμοποιείται ως φυτοφάρμακο, πρόσθετο ζωοτροφών, βοήθημα επεξεργασίας, μη γεωργικό συστατικό και απολυμαντικό. Στη βιολογική οινοποίηση, ο ενεργός άνθρακας επιτρέπεται να χρησιμοποιείται ως παράγοντας επεξεργασίας για την προσρόφηση καφέ χρωστικών από συμπυκνώματα λευκού σταφυλιού. Μερικές φορές χρησιμοποιείται ως βιοκάρβουνο.

Αποθήκευση καυσίμου 
Διεξάγεται έρευνα για τη δοκιμή της ικανότητας διαφόρων ενεργών ανθράκων να αποθηκεύουν φυσικό αέριο και αέριο υδρογόνο. Το πορώδες υλικό λειτουργεί σαν σφουγγάρι για διαφορετικούς τύπους αερίων. Το αέριο έλκεται από το υλικό άνθρακα μέσω των δυνάμεων φαν ντερ Βάαλς. Μερικοί άνθρακες κατάφεραν να επιτύχουν ενέργειες σύνδεσης 5–10 kJ ανά mol. Το αέριο μπορεί στη συνέχεια να εκροφηθεί όταν υποβληθεί σε υψηλότερες θερμοκρασίες και είτε να καεί για να εκτελέσει εργασία είτε στην περίπτωση αερίου υδρογόνου που εξάγεται για χρήση σε κυψέλη καυσίμου υδρογόνου. Η αποθήκευση αερίου σε ενεργούς άνθρακες είναι μια ελκυστική μέθοδος αποθήκευσης αερίου, επειδή το αέριο μπορεί να αποθηκευτεί σε περιβάλλον χαμηλής πίεσης, χαμηλής μάζας και μικρού όγκου που θα ήταν πολύ πιο εφικτό από τις ογκώδεις δεξαμενές πίεσης επί του οχήματος. Το Υπουργείο Ενέργειας των Ηνωμένων Πολιτειών έχει καθορίσει ορισμένους στόχους που πρέπει να επιτευχθούν στον τομέα της έρευνας και ανάπτυξης υλικών νανοπορώδους άνθρακα. Όλοι οι στόχοι δεν έχουν ακόμη ικανοποιηθεί, αλλά πολλά ιδρύματα, συμπεριλαμβανομένου του προγράμματος ALL-CRAFT, συνεχίζουν να εκτελούν εργασίες σε αυτόν τον πολλά υποσχόμενο τομέα.

Πρόσθετο τροφίμων 
Ο ενεργός άνθρακας ποιότητας τροφίμου έγινε τάση στα τρόφιμα το 2016, καθώς χρησιμοποιήθηκε ως πρόσθετο για να προσδώσει μια «ελαφρώς καπνιστή» γεύση και σκούρο χρώμα σε προϊόντα όπως χοτ ντογκ, παγωτά, βάσεις πίτσας και κουλούρια. Τα άτομα που λαμβάνουν φάρμακα, συμπεριλαμβανομένων των αντισυλληπτικών χαπιών και των αντικαταθλιπτικών, συνιστάται να αποφεύγουν νεωτεριστικές τροφές ή ποτά που χρησιμοποιούν χρωστικές με ενεργό άνθρακα, καθώς μπορεί να καταστήσουν το φάρμακο αναποτελεσματικό.

Παραγωγή 
Ο ενεργός άνθρακας είναι άνθρακας που παράγεται από ανθρακούχα υλικά όπως μπαμπού, φλοιός καρύδας, τύρφη ιτιάς, ξύλο, ίνες κοκοφοίνικα, λιγνίτης, άνθρακας και πίσσα πετρελαίου. Μπορεί να παραχθεί (ενεργοποιηθεί) με μία από τις ακόλουθες διαδικασίες:

 Φυσική ενεργοποίηση: Το αρχικό υλικό αναπτύσσεται σε ενεργό άνθρακα χρησιμοποιώντας θερμά αέρια. Στη συνέχεια εισάγεται αέρας για να κάψει τα αέρια, δημιουργώντας μια διαβαθμισμένη, κοσκινισμένη και ξεσκονισμένη μορφή ενεργού άνθρακα. Αυτό γίνεται γενικά χρησιμοποιώντας μία ή περισσότερες από τις ακόλουθες διαδικασίες:
 Ενανθράκωση: Υλικό με περιεχόμενο άνθρακα πυρολύεται σε θερμοκρασίες μεταξύ 600–900 °C, συνήθως σε αδρανή ατμόσφαιρα με αέρια όπως αργό ή άζωτο
 Ενεργοποίηση/οξείδωση: Η πρώτη ύλη ή το ανθρακούχο υλικό εκτίθεται σε οξειδωτικές ατμόσφαιρες (οξυγόνο ή ατμός) σε θερμοκρασίες άνω των 250 °C, συνήθως στην περιοχή θερμοκρασίας 600–1200 °C.
 Χημική ενεργοποίηση: Το ανθρακούχο υλικό εμποτίζεται με ορισμένες χημικές ουσίες. Η χημική ουσία είναι συνήθως ένα οξύ, ισχυρή βάση, ή ένα άλας (φωσφορικό οξύ 25%, υδροξείδιο του καλίου 5%, υδροξείδιο του νατρίου 5%, χλωριούχο ασβέστιο 25% και χλωριούχος ψευδάργυρος 25%). Ο άνθρακας στη συνέχεια υποβάλλεται σε υψηλές θερμοκρασίες (250–600 °C). Πιστεύεται ότι η θερμοκρασία ενεργοποιεί τον άνθρακα σε αυτό το στάδιο αναγκάζοντας το υλικό να ανοίξει και να έχει περισσότερους μικροσκοπικούς πόρους. Η χημική ενεργοποίηση προτιμάται από τη φυσική ενεργοποίηση λόγω των χαμηλότερων θερμοκρασιών, της καλύτερης ποιότητας συνοχής και του μικρότερου χρόνου που απαιτείται για την ενεργοποίηση του υλικού.

Ιδιότητες 

Ένα γραμμάριο ενεργού άνθρακα μπορεί να έχει επιφάνεια μεγαλύτερη από 500 τετραγωνικά μέτρα και επιφάνειες 3.000 τετραγωνικών μέτρων είναι εύκολα εφικτές. Τα αεροπηκτώματα άνθρακα, ενώ είναι πιο ακριβά, έχουν ακόμη μεγαλύτερες επιφάνειες και χρησιμοποιούνται σε ειδικές εφαρμογές.

Υπό ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, αποκαλύπτονται οι δομές του ενεργού άνθρακα υψηλής επιφάνειας. Τα μεμονωμένα σωματίδια είναι έντονα μπερδεμένα και εμφανίζουν διάφορα είδη πορώδους. Μπορεί να υπάρχουν πολλές περιοχές όπου επίπεδες επιφάνειες υλικού που μοιάζει με γραφίτη είναι παράλληλες μεταξύ τους, χωρισμένες από λίγα μόνο νανόμετρα. Αυτοί οι μικροπόροι παρέχουν εξαιρετικές συνθήκες για την προσρόφηση, καθώς το προσροφητικό υλικό μπορεί να αλληλεπιδράσει με πολλές επιφάνειες ταυτόχρονα. Οι δοκιμές συμπεριφοράς προσρόφησης γίνονται συνήθως με αέριο άζωτο στους 77 K υπό υψηλό κενό, αλλά σε καθημερινούς όρους ο ενεργός άνθρακας είναι απόλυτα ικανός να παράγει το ισοδύναμο, με προσρόφηση από το περιβάλλον του, υγρό νερό από ατμό στους  και πίεση 1/10.000 μιας ατμόσφαιρας.

Επανενεργοποίηση και αναγέννηση 

Η επανενεργοποίηση ή η αναγέννηση ενεργών ανθράκων περιλαμβάνει την αποκατάσταση της απορροφητικής ικανότητας του κορεσμένου ενεργού άνθρακα με την εκρόφηση προσροφημένων ρύπων στην επιφάνεια του ενεργού άνθρακα.

Η πιο κοινή τεχνική αναγέννησης που χρησιμοποιείται στις βιομηχανικές διεργασίες είναι η θερμική επανενεργοποίηση. Η διαδικασία θερμικής αναγέννησης ακολουθεί γενικά τρία στάδια:

 Ξήρανση με προσροφητικό στους 
 Εκρόφηση και αποσύνθεση σε υψηλή θερμοκρασία (  ) σε αδρανή ατμόσφαιρα
 Υπολειμματική οργανική αεριοποίηση από μη οξειδωτικό αέριο (ατμός ή διοξείδιο του άνθρακα) σε υψηλές θερμοκρασίες (  )

Οι τρέχουσες ανησυχίες σχετικά με τη φύση υψηλού ενέργειας/κόστους της θερμικής αναγέννησης ενεργού άνθρακα έχουν ενθαρρύνει την έρευνα για εναλλακτικές μεθόδους αναγέννησης για τη μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων τέτοιων διαδικασιών. Αν και αρκετές από τις τεχνικές αναγέννησης που αναφέρονται έχουν παραμείνει τομείς καθαρά ακαδημαϊκής έρευνας, ορισμένες εναλλακτικές λύσεις αντί των συστημάτων θερμικής αναγέννησης έχουν χρησιμοποιηθεί στη βιομηχανία. Οι τρέχουσες εναλλακτικές μέθοδοι αναγέννησης είναι:

 Διεργασίες TSA (προσρόφηση εναλλαγής θερμοκρασίας) και/ή PSA (προσρόφηση εναλλαγής πίεσης): μέσω μεταφοράς θερμότητας με χρήση ατμού, «καυτό» αδρανές αέριο (συνήθως θερμασμένο άζωτο (150–250 °C (302–482 °F))), ή υπό κενό (συνδυασμός διεργασιών TSA και PSA) in situ αναγέννηση
 MWR (αναγέννηση με μικροκύματα)
 Αναγέννηση με χημικά και διαλυτές
 Μικροβιακή αναγέννηση
 Ηλεκτροχημική αναγέννηση
 Αναγέννηση με υπερήχους
 Οξείδωση υγρού αέρα

Παραπομπές 

 
Τεχνολογίες αερίων
Βασικά Φάρμακα του Παγκόσμιου Οργανισμού Υγείας
Τοξικολογικές θεραπείες
Άνθρακας