کربن فعال گرانولی چیست

 کربن فعال گرانولی چیست

کربن فعال گرانولی (Granular Activated Carbons) توانایی جذب هزاران مواد ارگانیک و برخی مواد غیر ارگانیک را دارد. در مصر باستان قرن ها، از پودر کربن تهیه شده از نیم سوز کردن بشکه­ های ویسکی، به عنوان جاذب در مصارف دارویی استفاده می­شد. فاز بخار کربن فعال گرانول، برای اولین بار به طور گسترده در جنگ جهانی اول، در ماسک های جنگی نظامی ها مورد استفاده قرار گرفت و در سال های بین جنگ­های جهانی برای بهبود حلال­ها کاربردی تجاری پیدا کرد. فاز مایع کربن فعال گرانول، نخستین بار پس از جنگ جهانی اول، در خالص سازی انتی بیوتیک­ها و رنگ زدایی قند و شکر استفاده شد.

کربن فعال جاذبی کارامد برای اهداف گوناگون صنعتی است، این ماده به دلیل سطح ویژه بالا، انرژی سطحی (فعالیت بالای سطحی) و ساختار متخلخل توسعه یافته در جذب سطحی توانایی بالایی دارد. کربن فعال معمولا برای جذب ترکیبات آلی، از بین بردن ترکیبات شیمیایی موجود با بو و طمع نامطبوع موجود در آب آشامیدنی استفاده می­شود. دو نوع اصلی کربن فعال عبارتند از: کربن فعال گرانول (GAC) و کربن فعال پودری (PAC)؛ در ادامه به کربن فعال گرانولی پرداخته می­شود. از جمله ویژگی­های مهم کربن فعال گرانولی عباتند از:

ویژگی کربن فعال گرانولی

•  جذب سطحی
•  فعالیت سطحی (انرژی سطح)
•  ساختار متخلخل
•  چگالی ظاهری
•  اندازه ذرات
•  سختی
•  PH

جذب سطحی کربن فعال گرانولی

جذب یک پدیده سطح است در واقع برهم کنش نیروی الکتریکی بین کربن فعال به عنوان ماده جاذب و یک ماده جذب شونده مانند الاینده است. که تا زمانی که تعادل بین مولکول های جذب شده و مولکول های ازاد موجود در سیال برقرار شود، به سطح جاذب، جذب می شوند. نوع جذب به طور عمده به عواملی مانند دمای سیستم، فشار یا غلظت ناخالصی بستگی دارد (زیرا باعث تغییر در برقراری تعادل جذب می شود). کربن فعال گرانول با ساختار شبکه ای منظم و یا نامنظم از اتم های کربن، با ساختاری اسفنجی است. سطح کربن به طور مشخص غیر قطبی است.که این غیر قطبی بودن باعث می شود سطح کربن فعال جذب بیشتری داشته باشد.

فعالیت سطحی کربن فعال گرانولی

فعالیت سطحی اغلب سطوح با نسب کل سطح در واحد وزن (مترمربع در هر گرم) بیان می شود. سطح فعال گرانول به طور معمول در محدوده ۶۰۰-۱۲۰۰ m2/g بیان می شود. بدین ترتیب هرچه سطح فعال بیشتر باشد، قسمت­های جاذب نیز بیشتر می شود.

ساختار متخلخل کربن فعال گرانولی

در ساختارهای کربنی، مواد با قطرحفره­های کوچک­تر ساختارهای میکرو را تشکیل می دهند و بیشترین میزان جذب انرژی را دارند این حفره های کوچک با قطر کمتر از ۲۰  برای حذف الاینده­های رقیق موجود در اب مفید هستند. حفره های بزرگ با قطر بیش از ۵۰ باعث رسوب گذاری بیشتر می شود و برای جاذب های بسیار بزرگ مانند جذب مولکول های رنگ در محلول های قندی مفید هستند. وجود حفره ها در انتشار سیالات به سایت های جاذب در داخل ذرات کربن موثر است. این ساختار متخلخل باعث جذب مولکول­های الاینده با اندازه­های مختلف، می­شود. هر چه تعداد حفره های کربن فعال بیشتر باشد، کربن فعال گرانول فعالتر است.

چگالی ظاهری کربن فعال گرانولی

GAC معمولا بسته به مواد مورد استفاده و فرایند تولید، دارای قطری بین ۱٫۲ تا ۱٫۶ میلی­متر و تراکم پذیری ظاهری بین ۲۵  تاIb/ft 31 دارد. باید توجه داشت که میزان تراکم پذیری پایه ۱۰ درصد کمتر از تراکم پذیری ظاهری است (بنابراین برای تعیین مقدار GAC مورد نیاز برای پر کردن فیلتر، اندازه فیلتر باید معین باشد.)

اندازه ذرات کربن فعال گرانولی

کربن فعال گرانولی در اندازه های مختلف تولید می شود. در فاز بخار گرانول سایز ذرات حدودا ۴*۶, ۴*۸, ۴*۱۰, ۶*۱۶ , ۱۲*۳۰ است. فاز مایع گرانول تا حدودی کوچکتر است و با اندازه های ۸*۳۰, ۱۲*۲۰, ۱۲*۴۰, ۲۰*۵۰ رایج است. باید توجه داشت که ذرات در فاز مایع با اندازه ۲۰*۵۰ از ذراتی تشکیل شده است که از یک غربال با اندازه ذرات ۰٫۹۴ میلیمتر عبور می کند اما از غربال با اندازه ذرات  ۰٫۴۷ میلی متر عبور نخواد کرد. بنابراین می توان گفت به طور معمول  ۸۵-۹۵% از ان در غربال باقی می ماند. گرانول با ذرات کوچکتر عملکرد بهتری دارد ولی باعث افت فشار می شود. در حالی که کربن فعال گرانولی با اندازه ذرات بزرگتر سطح ویژه ی کمتری دارد بنابراین نرخ نفوذ ماده مجذوب در جاذب های با اندازه بزرگتر نقش مهمی ایفا می کند. درنتیجه از این کربن ها بیشتر برای جذب سیالات که نفوذ سریعتری ایجاد می کنند، استفاده می شود. در سیالات افزایش اندازه ذرات سرعت جذب را افزایش می دهد. گرانول موجود در محلول های ابی با اندازه های ۱۲*۴۰, ۸*۳۰ بین اندازه، سطح ویژه و خصوصیات حرارتی تعادلی ایجاد خواهد کرد بنابراین می توان به عنوان بهترین اندازه کربن فعال معرفی کرد.

سختی کربن فعال گرانولی

سختی در کربن فعال گرانولی اگر برای یک بار مصرف شود، اهمیت چندانی ندارد. اما در کربن فعال هایی که به طور مکرر مورد استفاده قرار می گیرند و در طی مراحل بازسازی (ارتعاش، احیای حرارتی) ممکن است تحت فشار قرار بگیرند، معقوله ی مهمی است. اگرچه سنجش سختی کربن فعال گرانولی با سنجش مواد سختی مانند فولاد و الماس ارتباطی ندارد، اما می توان این طور بیان کرد که اگر سختی الماس و فولاد ۱۰۰ باشد، سختی کربن فعال گرانولی می تواند مقادیری کمتر از ۹۸ را داشته باشد و باید توجه کردکه کربن فعال نیز همانند سایر مواد سختی ۹۸ آن به طور قابل توجهی سختتر از کربن فعال با سختی ۸۰ است.

PH کربن فعال گرانولی:

یکی از خصوصیات مهم کربن فعال ها میزان PH ان است.  زیرا PH می تواند در میزان جذب و نگهداری مواد جذب شده موثر باشد. PH کربن هایی تهیه شده از زغال سنگ معمولا خنثی است. در حالی که کربن فعال های تهیه شده از پوست فندق و بادام و… و چوب بیشتر قلیایی است.میزان PH کربن فعال گرانولی معمولا بین مقادیر ۶-۱۰ متفاوت است. اما اضافه شدن اسیدها و یا مواد قلیایی به محلول ابی کربن فعال ممکن است این دامنه PH را گسترش دهد.(جذب مواد می تواند PH را تغییر دهد)

کاربرد کربن فعال گرانول

امروزه کربن فعال گرانولی دارای کاربردهای فراوانی در صنایع شیمیایی، غذایی و تصفیه اب به عنوان جاذب­های ثابت تخت است. همچنین در تصفیه الکل، اماده سازی اب اشامیدنی، پالایش بیودیزل، پالایش کافئین، فیلتر هوا (در دستگاه های تصفیه کننده هوا- خوش بو کننده­ها، تصفیه کننده های صنعتی)، حذف کلرامین، تصفیه اب اکواریوم های بزرگ تجاری، رنگ زدایی از قند و شکر، تضعیف کننده کربن دی اکسید موجود در انبار میوه، تصفیه گاز( حذف بخارات روغن، بو و دیگر هیدروکربن ها از هوا)، استخراج فلز (بازیافت طلا)، مورد استفاده قرار می گیرد.

از مهمترین کاربردهای کربن فعال گرانولی تصفیه اب اشامیدنی است که شامل دو روش رایج زیر است::

• جذب پس از فیلتراسیون، در این روش GAC بعد از فرایند تصفیه معمولی، در جایگاه تصفیه قرار داده می شود. شکل (۱)
• فیلتراسیون جذب، در فیلتراسیون جذب برخی و یا همه ­ی مدیا فیلترها در یک مدیا فلیتر گرانولی (فیلتر مدیا پرشده با GAC) قرار داده می شود. شکل (۲)

 

در روش، فیلتراسیون بعد از جذب، GAC، با بالاترین کیفیت ترکیبات الی اب را حذف می کند. در این روش نسبت به روش فیلتراسیون جذب زمان تماس فیلتر با اب طولانی تر است و علاوه بر از بین بردن ترکیبات الی حل شده در اب، توانایی از بین بردن گل الودی اب، ذرات جامد و تثبیت کننده های بیولوژیکی را دارد. در فیلترهای شن و ماسه می توان بارها با جایگزینی  گرانول، فرایند فیلتراسیون جذب را انجام داد در نتیجه هزینه ها به مقدار قابل توجهی کاهش می یابد. همچنین فیلتراسیون جذب زمان اجرای کوتاه تری نسبت به فیلتراسیون بعد از جذب داردو باید بیشتر مورد استفاده قرار بگیرد.

مواد خام کربن فعال

کربن فعال گرانول می­تواند از مواد دارای کربونیک، تولید شود. در صنعت غالبا از پوست نارگیل (پوست محصولاتی مثل پوست گردو، پسته و..)، ذغال سنگ، کک نفت خام، خاک اره، هسته میوه ها (مانند خرما، زردالو، هلو و..)، تهیه می شود. باید تاکید کرد که تکنیک های خاص تولید باعث می شود مواد چوبی و پوست انواع محصولات بازیافتی کربن فعال از حالت خام اولیه خودش خارج شود.

تولید کربن فعال:

برای تبدیل مواد خام کربن فعال به گرانول معمولا از فرایندهای، حرارتی و شیمیایی استفاده می شود. در فرایند حرارتی از روش تزریق بخار و در فرایند شیمیایی از روش اضافه کردن مواد غیر الی در دمای پایین به مواد خام استفاده می شود.

بازسازی کربن فعال گرانولی:

از نظر اقتصادی به صرفه است که، سیستم های بازیافتی کربن مصرف شده را در محل و یا خارج از محل بازسازی کند. زیرا GAC بعد از جذب الاینده ها به GAC مصرف شده تبدیل شده است و قبل از دفع ممکن است با ابهای الوده و اب ها و خاک های زیر زمینی حاوی الاینده برخورد کنند ولی فرایند تصفیه را نتوانند انجام دهند بدین ترتیب به دلیل نگرانی های مربوط به الودگی ، باز سازی GAC مصرف شده به طور معمول از طریق روش­های زیر امکان پذیر است:

• بخار
• حرارتی
• شیمیایی

که دربین انها روش بازسازی حرارتی رایج ترین روش مورد استفاده است. فناوری بازسازی حرارنی برا حذف مواد الی جذب شده به کربن فعال گرانول، عبارتند از:

• کوره های مادون قرمز الکتریکی
• کوره هایی با بستر سیال
• کوره دوار