zoghal faal

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

فعال سازی شیمیایی:
این شیوه بیشتر برای مواردی است که مواد اولیه آن چوب و یا زغال سنگ نارس(Peat) می باشد. مواد اولیه را با یک عامل آبگیر مانند اسید فسفریک P2O5 یا کلرید زنیک ZnCl2 آغشته می کنند تا ماده ای خمیری حاصل شود. این ماده را در بازه دمایی 500 - 800 درجه سانتیگراد حرارت میدهند تا کربن فعال شود.
زغال فعال شده حاصل را بعد از شستشو خشک و به پودر تبدیل می کنند.
زغال فعال شده بدست آمده توسط این روش , دارای منافذ باز زیادی است و برای جذب مولکول های بزرگ بسیار مناسبند.

فعال سازی توسط بخار:
این روش بیشتر برای موادهای اولیه ای چون چوب نیم سوخته, زغال سنگ و پوست نارگیل که زغالی شده اند به کار می رود. فعال سازی در بازه دمایی 800 – 1100 درجه سانتیگراد و در حضور بخار انجام می شود.
در آغاز مواد زغالی با بخار به گاز تبدیل می شوند که به واکنش water-gaz معروف است:

(C + H2o → CO + H2 – 175.440 KJ/(KgMol

این واکنش گرماگیر است و گرمای مورد نیاز توسط سوختن ناقص CO و H2 بصورت زیر تامین می شود:

(2CO + O2 → 2CO2 + 393.790 KJ/(KgMol
(2H2 + O2 → 2H2O + 396.650 KJ/(KgMol

در ضمن هوا به مقدار مورد نیاز وارد واکنش می شود تا زغال نسوزد.
زغال های فعال شده ی تولید شده توسط این روش معمولا دارای منافذ ریزند و برای جذب مواد از مایعات و گازها مناسبند.

ویژگی های جذبی و فیزیکی
گونه های مختلفی از زغال های فعال شده با ویژگی های مشخص وجود دارند که خصوصیات هر یک از آنها بستگی به مواد اولیه و فنون به کا ر رفته در تولید آنها بستگی دارد. در انتخاب یک گونه زغال فعال شده, برای بهبود بخشیدن به فرایندها, نیاز به شناخت دقیق ویژگی های فیزیکی و جذبی مواد داریم.

ویژگی های جذبی:
(1 سطح: با استفاده از N2 حدود منافذ سطحی زغال فعال شده را اندازه می گیرند.هر چه سطح زغال فعال شده بیشنر باشد, قسمتهای جاذب نیز بیشترند.
2) اندازه منافذ: تعیین اندازه های یک زغال فعال شده میتواند راهی مناسب برای تشخیص خصوصیات آن باشد.که در IUPAC منافذ بر اساس اندازه به صورت زیر دسته بندی شده اند:
Micropores r<1nm
Mesopores r 1-25nm
Micropores r>25
که mesopore ها برای جا به جایی و Micropore ها برای جذب مواد هستند.
3) تخلخل: یکی از راههای اندازه گیری میزان تخلخل در توده ای از زغال فعال شده , استفاده از میزان جذب CCl4 خالص در حالت گازی می باشد.

- ویژگیهای فیزیکی:
1) سختی و مقاومت در برابر حررت و فشار : زغال های فعال شده دارای سختی های متفاوتی هستند که مربوز به مواد اولیه و شیوه تهیه آنها می باشد. بنا به درجه سختی, هر یک از آنها کاربردهای متفاوتی دارند.
2) چگالی
3) اندازه ذرات: هر چقدرکه اندازه ذرات زغال فعال شده کوچکتر باشد, سرعت جذب بیشتر است.
***زغال فعال شده را به سه شکل دانه ای , پودر و استوانه ای میسازند.***

زغال فعال شده چگونه کار می کند؟
زغال فعال شده مواد اورگانیک را از محیط اطرافش جذب می کند , که عمل انتقال آلاینده از فاز مایع ( آب) به فاز جامد ( کربن) صورت می گیرد.نیروی جاذبه ای باعث تشکیل یک پیوند بین آلاینده و کربن و چسبیدن آنها به هم می شود.
علاوه بر این باکتری هایی به سطح خارجی زغال فعال شده می چسبند و بخشی از آلاینده ها را جذب و مصرف می کنند.
جذب منجر به پخش یک گاز یا ترکیب در شبکه متخلخل زغال فعال شده می گردد , جایی که یک واکنش شیمیایی یا یک ثبات فیزیکی روی می دهد. به عنوان مثال ازن O3
در قسمتی که جذب می شود , قسمتی از زغال فعال شده را اکسید میکند, و 3O به O2 تبدیل می شود و ازن در ساختار کربن اندوخته و گردآوری نمی شود.
جذب در زغال فعال شده دارای 3 مرحله است:
1- تماس ذرات آلاینده محلول در مایع ( آب) با ذرات زغال فعال شده
2- پخش شدن ذرات آلاینده در شبکه متخلخل زغال فعال شده
3- جذب ذرات آلاینده به زغال فعال شده و بوجود آمدن یک پبوند برگشت ناپذیر
***این 3 مرحله همزمان رخ می دهند***

بازیافت زغال فعال شده
به مرور زمان و استفاده از زغال فعال شده , سطح آن از مواد آلاینده اشباع می شود. زغال فعال شده یک محصول گران است و در عین حال میتواند در چرخه بازیافت قرار گیرد و مجددا مورد استفاده قرار گیرد. بازیافت زغال فعال شده , هزینه کمی نسبت به تولید اولیه دارد و دارای قیمت ارزانتری نیز می باشد.
زغال فعال شده و مهندسی شیمی
در تولید زغال فعال شده : مهندس شیمی, می تواند درطراحی فرآیندهای تولید و بازیافت زغال فعال شده متناسب با کاربرد و ویژگی های مورد نظر, طراحی راکتورهای مورد نیاز, کنترل کیفیت محصولات و بهسازی آنها بعالیت داشته باشد.
در فروش زغال فعال شده: مهندس شیمی , به خاطر داشتن اطلاعات لازم از محصول و آشنایی با مصارف آن می تواند در بخش بروش و بازار یابی نیز بعالیت داشته باشد.
در مصرف زغال فعال شده: مهندس شیمی , می تواند در صنایعی که نیاز به استفاده از زغال فعال شده دارند, با تعیین نوع و میزان و شیوه استفاده از زغال فعال شده و کنترل آن ایفای نقش کند.








مکانیسم جذب سطحی شیمیایی:
تاکنون مکانیسم دقیق جذب سطحی شیمیایی و کاتالیز سطح کاملا فهمیده نشده است، فقط فرضهایی قابل قبول برای مکانیسم چند واکنش خاصی مطرح شده است:

• نظری دال بر اینکه نقصها یا بی‌نظمیهای شبکه در سطح کاتالیزور ، جای فعالی برای عمل کاتالیزور است، اولین فرضیه برای توضیح عمل تقویت کننده‌های کاتالیزورهای مناسب است. تقویت کننده ها موادی هستند که فعالیت کاتالیزور ها را زیاد می‌کنند. مثلا در سنتز آمونیاک
(N2(g)+3H2(g)----------->2NH3(g

اگر کاتالیزورآهن با مقدار کمی پتاسیم یا وانادیم آمیخته شده باشد، بیشتر موثر واقع می‌شود


كربن فعال
كربن فعال شده، نوع خاصي از كربن است كه به علت بالا بودن سطح مخصوص كه نشانگر تخلخل بسيار زياد است، از ساير انواع كربن متمايز مي شود. كربن فعال، امروزه به عنوان يكي از مناسبترين و پرمصرفترين مواد جاذب شناخته شده است، اين امر را مي توان به ويژگيهايي از اين ماده نسبت داد كه عمدهترين آنها عبارتند از:
- كربن فعال از نظر سطحي داراي فعاليت بالايي است و اثر جذب كنندگي ذاتي دارد.
- كربن فعال داراي تخلخل بالايي بوده و بنابراين سطح تماس آن با فاز جذب شونده زياد است. نمونه هاي معمول كربن فعال داراي سطح مخصوصي معادل m2/g 1500-800 مي باشند و سطح برخي از نمونه هاي ساخته شده ي اين ماده تا بيش از m2/g 2500 افزايش داده شده است.
- كربن فعال داراي قطر مناسبي از حفرات است كه سطح داخلي آن را قابل دسترسي مي سازد، سرعت جذب را افزايش مي دهد و استحكام مكانيكي كربن را نيز بالا مي برد.
بازيابي شيميايي كربن فعال
عليرغم اين كه در حال حاضر بازيابي حرارتي متداول ترين روش بازيافت كربن فعال است، اين روش با چالش هايي نيز همراه شده كه از مهمترين آن ها مي توان به حدود 5 تا 10 درصد اتلاف كربن ناشي از اكسايش و سايش و نيز هزينهي مصرف انرژي بالا براي اين نوع بازيابي است. از سوي ديگر انتقال كربن فعال مستعمل از محل استفاده به محل بازيافت، كه معمولاً همان واحدهاي ساخت كربن فعال هستند، مستلزم صرف هزينه ي قابل توجهي است.
يكي از روش هايي كه به عنوان جايگزين روش بازيافت حرارتي كربن فعال پيشنهاد شده است، بازيافت شيميايي آن است. در اين روش ماده ي جذب شده، در اثر يك واكنش شيميايي يا يك بر هم كنش شيمي فيزيكي، سطح كربن فعال را ترك مي كند. روش بازيافت شيميايي داراي اين مزيت است كه تقريباً هيچ اتلافي در كربن ايجاد نمي كند. همچنين در اغلب موارد در دماي محيط انجام مي شود، بنابراين مصرف انرژي ناچيزي دارد و عمل بازيافت در محل استفاده، روي مي دهد.