مرجع تخصصی آب و فاضلاب

سابقا استفاده از کربن فعال تنها محدود به تصفیه آبهای آشامیدنی بود. طی دو دهه اخیر به تواناییها و پتانسیلهای این ماده جاذب به منظور استفاده در صنعت تصفیه فاضلاب توجه شده است. در سال 1974 آژانش حفاظت  محیط زیست آمریکا 154 ترکیب آلی را در آب های آشامیدنی به عنوان آلاینده معرفی نمود . تشخیص این ترکیبات توام با تعداد بسیار زیادی از آلاینده های غیر آلی مسئله مهمی است که مورد توجه این آژانس قرار گرفته است.

امروزه هنوز دستیابی به روشهای اقتصادی تصفیه آب و فاضلاب یکی از بحثهای مهم در بین متخصصین این امر می باشد. همچنانکه قبلا به آن اشاره شد استفاده از کربن فعال طی دهه اخیر در صنعت تصفیه فاضلاب مورد توجه قرار گرفته است. جذب رنج وسیعی از آلاینده ها با استفاده از کربن فعال گرانولی(GAC ) با موفقیت انجام شده است.با این وجود استفاده از GAC معمولا با مسائل از قبیل هزینه های سرمایه گزاری و بهره برداری همراه است(Wang et al., 2005).

در صنعت آب فرآیند جذب سطحی به انتقال جرم از یک فاز مایع به یک فاز جامد اطلاق می شود. در این فرآیند ماده جذب شونده (adsorbate) ماده ای است که در حد فاصل فاز جامد و مایع از فاز مایع حذف می شود. و ماده جاذب (adsorbent) می تواند یک فاز جامد، گاز یا مایع باشد که ماده جذب شونده را در خود تجمع می دهد.


هر چند جذب سطحی برای فرآیند شناور سازی (flotation) که گاز و مایع در مجاورت هم قرار می گیرد هم می تواند بکار رود اما هدف این فرایند در صنعت آب جذب سطحی در تماس فاز جامد- مایع است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

کربن فعال به عنوان یک جاذب دارای کاربردهای مهم و حیاتی میباشد. این ماده از پیرولیز موادگیاهی حاوی کربن تولید میشود و تحت عملیات فعالسازی قرار میگیرد.

تولید و بررسی خواص کربن فعال:
کربن فعال بهعنوان یک جاذب دارای کاربردهای مهم و حیاتی میباشد. این ماده از پیرولیز موادگیاهی حاوی کربن تولید میشود و تحت عملیات فعالسازی قرار میگیرد.

با توجه به نوع موادخام مصرفی، کربنهای فعال دارای اندازه منفذ و شکلهای متفاوت هستند و از طرفی با توجه به اندازه منفذ و توزیع اندازه دارای کاربردهای گسترده و ویژهای میباشند. در این مقاله مراحل تولید کربن فعال و ساختار منفذی انواع کربن فعال مورد بررسی قرار میگیرد.

کربن فعال به گروهی از مواد اطلاق میشود که مساحت سطح داخلی بالا، تخلخل و قابلیت جذب گازها و مایعات شیمیائی را دارند. کربنهای فعال بهعنوان جاذبهای حیاتی در صنایع شناخته شدهاند و کاربردهای گستردهای با توجه به قابلیت جذب گازها و مایعات مزاحم دارند و میتوان از آنها برای تصفیه و پاکسازی و حتی بازیافت موادشیمیائی استفاده نمود. کربنهای فعال بهدلیل ویژگیهای منحصربهفرد و همچنین قیمت پائین در مقایسه با جاذبهای غیرآلی مانند زئولیت از اهمیت ویژهای برخوردار میباشند. کربنهای فعال شده بهدلیل مساحت گسترده آنها، ساختار منفذی، ظرفیت جذب بالا و قابلیت فعالسازی مجدد سطح، یک ماده منحصربهفرد میباشند. کاربرد مهم و قابل اهمیت آنها در جداسازی بو، رنگ، مزههای غیردلخواه از آب در عملیاتهای خانگی و صنعتی، بازیافت حلال، تصفیه هوا بهویژه در رستورانها، صنایع غذائی و شیمیائی میباشد، همچنین با موادغیرآلی بهعنوان کاتالیست نیز استفاده میشوند. در داروسازی نیز برای مبارزه با یک نوع باکتری خاص مورد استفاده قرار میگیرند و بهعنوان جداکننده اسیدهای آروماتیک از حلال در داخل اسیداستیک نیز میتوان از کربن فعال استفاده کرد.کربنهای فعالشده محصولات پیچیدهای میباشند و به تبع طبقهبندی براساس رفتار، مشخصات سطح و روش آمادهسازی آنها مشکل میباشد، هر چند یکسری طبقهبندی براساس مشخصات فیزیکی آنها انجام شده است.

۱. کربن فعال پودری (دارای اندازهای کمتر از ۱۰۰ نامومتو و میانگین قطری بین ۱۵ تا ۲۵ میکرومتر)
۲. کربن فعال گرانولی (دارای اندازهای بزرگتر از کربن فعال شده پودری میباشد)
۳. کربن فعال کروی
۴. کربن تزریق شده
۵. کربن روکش شده با پلیمرها

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

زغال فعال شده چیست؟
اصطلاح زغال فعال شده نشان دهنده یک سری از مواد جذب کننده سطحی , با جنسی زغالی و شکل کریستالی می باشد که در ساختار داخلی آن روزنه های زیادی وجود دارد.
زغال فعال شده دارای کاربردهای زیادی است, از جمله مصارف آن:
- تصفیه آبها ( آب شرب, آب آکواریومها, آبهای صنعتی), از نظر رنگ و بو و طعم
- رنگزدایی از قند و شکر
- بازیافت طلا
- بهسازی رنگ و طعم در نوشیدنی ها و آب میوه ها
- استفاده در دستگاههایی مثل: تصفیه کننده های هوا, خوش بو کننده ها, تصفیه کننده های صنعتی و ...
- ....
 

تولید زغال فعال شده
اصول و فنون گوناگونی در ساخت و تولید زغالهای فعال شده وجود دارد که به 3 اصل بستگی دارد:
- نوع ماده اولیه
- مشخصات فیزیکی مورد نظر برای محصول (زغال فعال شده)
- مشخصات جذبی برای کاربردهای مختلف
شیوه های فعالسازی که بیشتر در تولیدات تجاری بکار میرود عبارتند از:
فعال سازی شیمیایی،فعال سازی توسط بخار
 

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

ستونهای جذب سطحی به سه صورت متداول مورد استفاده قرار می گیرند که عبارتند از:

1-ستونهای بستر ثابت با جریان ثقلی رو به پایین

2- ستونهای بستر ثابت با جریان تحت فشار روبه بالا

3-ستونهای بستر شناور با جریان رو به بالا

در هر سه فرایند فوق جریان از نوع پیستونی می باشد ولی  از نظر مشخصات بهره برداری خصوصاً پتانسیل انسداد  با هم تفاوت دارند.ستونهای با جریان ثقلی روبه پایین مستعدترین شکل از نظر انسداد می باشند از این رو فقط برای فاضلاب ها یی که کدورت پایین دارند قابل استفاده خواهند بود . در ستونهای بستر شناور با جریان روبه بالامسئله انسداد چندان حائز اهمیت نیست ولی نگرانی در مورد شکسته شدن ذرات زیاد بوده که این مسئله می تواند عملکرد ستون را مختل کند .اما در ستونهای فشاری با جریان رو به بالا این نگرانی وجود ندارد و از طرفی به دلیل روبه بالا بودن جریان، مسئله انسداد بستر اهمیت کمتری خواهد داشت.

تكنيكهاي طراحي ستون هاي بستر ثابت

امروزه استفاده از ستونهای بستر ثابت در حذف آلاینده های مختلف از آب و فاضلاب به طور گستر ده ای صورت می گیرد . به منظور طراحی بهینه یک فرایند جذب سطحی در مقیاس صنعتی لازم است تا مدلسازی و شبیه سازی دقیقی از رفتار دینامیکی سیستم جذب سطحی بستر ثابت صورت گیرد. مدلهای گوناگونی برای این منظور ارائه شده است که به طور کلی به دو دسته تقسیم می شوند : 1- روش های معادلاتی پیچیده 2- تکنیکهای میانبر لازمه استفاده از روش های گروه اول حل تعداد زیادی از معادلات دیفرانسیل جزئی غیر خطی است که این قبیل معادلات تنها از طریق روش های عددی که بسیار وقت گیر و دشوار  هستند، قابل حل خواهند بود. مدلهای میانبر از طریق انجام چند آزمایش در مقیاس کوچک و یا مقیاس پایلوت می توانند به خوبی با صرفه جویی در وقت و سرمایه، اطلاعات مهمی را به منظور طراحی سیستم در مقیاس کامل فراهم کنند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

در مطالعات جذب سطحی بر روی سیلیکاژل و کربن فعال ، اثرات الک مولکولی با موادی که جرم مولکولی بالایی دارند، مشاهده شده است. جداسازی‌های مبتنی بر الک کردن مولکولی را می‌توان بر روی اجسام بی‌بار در جریان مهاجرت الکترو اسمزی از داخل ژل‌ها انجام داد. این اساس جداسازی‌هایی را که مبتنی بر اندازه‌های نسبی مولکول‌ها هستند، تشکیل می‌دهند و از اصطلاح صاف کردن بوسیله ژل استفاده می‌شود.
سیر تحولی و رشد در سال 1954 ، "مولد وسینچ" نشان دادند که جداسازی‌ها مبتنی بر الک کردن مولکولی را می‌توان بر روی اجسام بی‌بار از داخل ژل‌ها انجام داد. در سال 1959 "پورات" و "فلودین" ، اصل معینی را ارائه دادند و از اصطلاح ، صاف کردن بوسیله ژل برای شرح روش خودشان در مورد جداسازی مواد مولکول‌هایی با منشاء زیستی در سیستم‌های آبی بوسیله ژل‌های پلی‌ساکارید استفاده کردند.

ولی "دترمان" در سال 1964 پیشنهاد کرد که کروماتوگرافی ژلی ( Gel Cromatography ) ، عمومی‌ترین اسم برای این شیوه است.
نکات قابل توجه این روش در کروماتوگرافی ژلی ، فاز ساکن از یک قالب بسپار متخلخل تشکیل شده است که منفذهای آن بوسیله حلالی که به عنوان فاز متحرک بکار می‌رود، کاملا پر شده است. اندازه سوراخ بسیار مهم است چون اساس جدایی بر این است که مولکولی‌های بزرگتر از یک اندازه معین اصلا وارد سوراخ‌ها نشوند و تمام یا قسمتی از سوراخ‌ها برای ورود مولکول‌های کوچکتر آماده است. جریان فاز متحرک موجب می‌شود که مولکول‌های بزرگتر بدون برخورد با مانعی ، بدون نفوذ در قالب ژل از ستون عبور کنند، در حالی‌که مولکول‌های کوچک‌تر بر حسب شدت نفوذ آنها در ژل در ستون نگه داشته می‌شوند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تولید و بررسی خواص کربن فعال:

کربن فعال به‌عنوان یک جاذب دارای کاربردهای مهم و حیاتی می‌باشد. این ماده از پیرولیز موادگیاهی حاوی کربن تولید می‌شود و تحت عملیات فعال‌سازی قرار می‌گیرد.
با توجه به نوع موادخام مصرفی، کربن‌های فعال دارای اندازه منفذ و شکل‌های متفاوت هستند و از طرفی با توجه به اندازه منفذ و توزیع اندازه دارای کاربردهای گسترده و ویژه‌ای می‌باشند. در این مقاله مراحل تولید کربن فعال و ساختار منفذی انواع کربن فعال مورد بررسی قرار می‌گیرد.
 
● مقدمه

کربن فعال به گروهی از مواد اطلاق می‌شود که مساحت سطح داخلی بالا، تخلخل و قابلیت جذب گازها و مایعات شیمیائی را دارند. کربن‌های فعال به‌عنوان جاذب‌های حیاتی در صنایع شناخته شده‌اند و کاربردهای گسترده‌ای با توجه به قابلیت جذب گازها و مایعات مزاحم دارند و می‌توان از آنها برای تصفیه و پاکسازی و حتی بازیافت موادشیمیائی استفاده نمود. کربن‌های فعال به‌دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد و همچنین قیمت پائین در مقایسه با جاذب‌های غیرآلی مانند زئولیت از اهمیت ویژه‌ای برخوردار می‌باشند. کربن‌های فعال شده به‌دلیل مساحت گسترده آنها، ساختار منفذی، ظرفیت جذب بالا و قابلیت فعال‌سازی مجدد سطح، یک ماده منحصربه‌فرد می‌باشند. کاربرد مهم و قابل اهمیت آنها در جداسازی بو، رنگ، مزه‌های غیردلخواه از آب در عملیات‌های خانگی و صنعتی، بازیافت حلال، تصفیه هوا به‌ویژه در رستوران‌ها، صنایع غذائی و شیمیائی می‌باشد، همچنین با موادغیرآلی به‌عنوان کاتالیست نیز استفاده می‌شوند. در داروسازی نیز برای مبارزه با یک نوع باکتری خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند و به‌عنوان جداکننده اسیدهای آروماتیک از حلال در داخل اسیداستیک نیز می‌توان از کربن فعال استفاده کرد.کربن‌های فعال‌شده محصولات پیچیده‌ای می‌باشند و به تبع طبقه‌بندی براساس رفتار، مشخصات سطح و روش آماده‌سازی آنها مشکل می‌باشد، هر چند یک‌سری طبقه‌بندی براساس مشخصات فیزیکی آنها انجام شده است.

۱. کربن فعال پودری (دارای اندازه‌ای کمتر از ۱۰۰ نامومتو و میانگین قطری بین ۱۵ تا ۲۵ میکرومتر)
۲. کربن فعال گرانولی (دارای اندازه‌ای بزرگ‌تر از کربن فعال شده پودری می‌باشد)
۳. کربن فعال کروی
۴. کربن تزریق شده
۵. کربن روکش شده با پلیمرها
 

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

کربن فعال معمولا از موادی چون چوب، پوست نارگیل، ذغال نارس لیگنین، ذغال قیری، لیگنیت و پسماند های نفتی[1]تهیه می شود. کربن تولید شده از ذغالهای قیری نیمه فرار[2] یا لیگنیت به دلیل ارزان بودن و سهولت دسترسی این مواد معمولا به منظور تصفیه فاضلاب استفاده می شود[54].  فعال سازی کربن ضرورتا طی دو فاز صورت می پذیرد :

خسته کردن ساختار نامنظم ماده[3]

وسعت دادن خلل و فرج[4]

کربونیزه کردن مواد، شامل خشک کردن ماده در دما 170 درجه و سپس حرارت دادن آن تا دما 270 الی 280 درجه سانتیگراد است که توام با رها سازی گازهایی چون مونو اکسید کربن، دی اکسید کربن و اسید استیک خواهد بود. کربونیزه کردن نهایی در دمای 400 تا 600 درجه انجام خواهد شد.کربونیزه کردن میزان قابلیت جذب برای کربن را تا 80 در صد فراهم خواهد کرد. محصولی که تا این مرحله تولید شده است بایستی با استفاده از بخارآب یا دی اکسید کربن در دما 750 تا 950 از لحاظ ساختاری دچار خستگی شود و وسعت خلل و فرج آن افزایش یابد[48].

به بياني ديگر آماده سازی کربن فعال در وهله اول بایستی با ساختن زغال[5] از مواد آلی از قبیل پوست بادام و گردو و سایر مواد از قبیل چوب، استخوان و زغال سنگ صورت گیرد. برای تولید زغال مواد مذکور را بایستی تا نقطه قرمز[6](کمتر از 700 درجه سانتیگراد) در دستگاه تقطیر به منظور فرّار شدن و خروج هیدروکربنها از آن در معرض حرارت قرار داد در این حالت بایستی توجه داشت که اکسیژن کافی به منظور بروز احتراق فراهم نباشد. رویهم رفته فرآیند تولید زغال بدین شکل یک نوع فرآیند پیرولیز تلقی می شود. بعد از تولید شدن زغال بایستی با در معرض قرار دادن آن با گازهای اکسید کننده از قبیل بخار و یا دی اکسید کربن در دمای بالا(بین 900-800 درجه)عمل فعال سازی را انجام داد. این گازها باعث می شوند تا در بافت زغال یک ساختار متخلخل ایجاد شود و بدین صورت سطح مقطع یا مساحت واحد حجم برای زغال زیاد خواهد شد. تخلخل های حاصله می تواند به صورت زیر باشد[53]:

Macropores > 25 nm
                                                         Mesopores > 1 nm and <25 nm
                                                            Micropores < 1 nm                

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

کلیات فرایند جذب سطحی

سابقا استفاده از کربن فعال تنها محدود به تصفیه آبهای آشامیدنی بود. طی دو دهه اخیر به تواناییها و پتانسیلهای این ماده جاذب به منظور استفاده در صنعت تصفیه فاضلاب توجه شده است. در سال 1974 آژانش حفاظت  محیط زیست آمریکا 154 ترکیب آلی را در آب های آشامیدنی به عنوان آلاینده معرفی نمود . تشخیص این ترکیبات توام با تعداد بسیار زیادی از آلاینده های غیر آلی مسئله مهمی است که مورد توجه این آژانس قرار گرفته است.

امروزه هنوز دستیابی به روشهای اقتصادی تصفیه آب و فاضلاب یکی از بحثهای مهم در بین متخصصین این امر می باشد. همچنانکه قبلا به آن اشاره شد استفاده از کربن فعال طی دهه اخیر در صنعت تصفیه فاضلاب مورد توجه قرار گرفته است. جذب رنج وسیعی از آلاینده ها با استفاده از کربن فعال گرانولی(GAC ) با موفقیت انجام شده است.با این وجود استفاده از GAC معمولا با مسائل از قبیل هزینه های سرمایه گزاری و بهره برداری همراه است(Wang et al., 2005).

در صنعت آب فرآیند جذب سطحی به انتقال جرم از یک فاز مایع به یک فاز جامد اطلاق می شود. در این فرآیند ماده جذب شونده (adsorbate) ماده ای است که در حد فاصل فاز جامد و مایع از فاز مایع حذف می شود. و ماده جاذب (adsorbent) می تواند یک فاز جامد، گاز یا مایع باشد که ماده جذب شونده را در خود تجمع می دهد.

هر چند جذب سطحی برای فرآیند شناور سازی (flotation) که گاز و مایع در مجاورت هم قرار می گیرد هم می تواند بکار رود اما هدف این فرایند در صنعت آب جذب سطحی در تماس فاز جامد- مایع است.

جذب سطحی به فرآیند تجمع مواد موجود در فاز محلول بر روی یک فصل مشترک(interface) مناسب اطلاق می شود. ماده جذب شونده(adsorbate) به ماده ای اطلاق می شود که در حال حذف شدن از فاز محلول در فصل مشترک(فصل مشترک محلول و ماده جاذب) باشد. فرآیند جذب سطحی در سه مرحله صورت می گیرد :

1-macrotransport

مرحله ماکروترانسپورت شامل حرکت ماده جذب شونده(مثلا یک ماده آلی) از داخل فاز مایع(آب) به سمت فصل مشترک آب و ماده جامد از طریق انتشار(diffusion) و advection می باشد.

مرحله میکروترانسپورت شامل انتشار مواد آلی از میان حفرات درشت(macropore) به سمت جایگاه های جذب سطحی در حفرات کوچک(micropore) ماده جاذب جامد می باشد.

اگرچه جذب سطحی می تواند هم در سطح ماده جاذب و هم داخل ماکروپورها و مزوپورها اتفاق افتد اما مساحت سطح این مکانها در مقایسه با مساحت سطح میکروپورها آنچنان کوچک است که در عمل می توان از مقدار ماده جذب شونده ای که در این مکانها جذب سطحی شده اند صرفنظر کرد(Metcalf & Eddy, 2003). دو مشخصه عمده مواد جاذب جامد :

1- نسبت سطح به حجم بسیار بالا

2- تمایل اختصاصی جذب نسبت به ترکیب خاص در فاز محلول.

انتقال از محلول:

در مرحله اول مواد آلی(ماده جذب شونده) داخل محلول از داخل محلول به سمت لایه های مجاور ماده جذب شونده(لایه های محلول) مهاجرت می کنند.(از طریق advection و dispersion در تماس دهنده کربن).

مرجع تخصصی آب و فاضلاب