تولید كربن بهداشتی فعال با عیار بالا
نویسنده: فرانك فراهانیجم
ااگرچه رسیدن به خودكفایی در رفع نیازهای داخلی همواره به عنوان یكی از مهمترین اهداف كشور مطرح بوده است، اما هنوز در بسیاری از زمینهها علیرغم تلاشهای بسیار زیادی كه برای دستیابی به فناوریهای نوین انجام شده است نیازمند كشورهای دیگر هستیم.
كربن فعال بهداشتی یكی از مهمترین نیازهای صنایع داخلی كشور است كه در گذشته فاقد فناوری تولید آن بودیم و نیاز صنایع به این ماده از طریق واردات تامین میشد. با توجه به نیاز كشور به تولید دانش محور تولید این ماده مورد توجه قرار گرفت و دسترسی به دانش تولید و همچنین تولید این ماده استراتژیك در عرصه تصفیه و فیلتراسیون محقق شد.
ثبت ۲ اختراع، مقامهای اول وسومدرمسابقههای كارآفرینی كشوری به میزبانی دانشگاه تهران و دانشگاه صنعتی شریف، كسب استاندارد بهداشتی مربوط (FCC) و همچنین كسب رتبه اول پژوهشهای كاربردی در نهمین جشنواره جوان خوارزمی نشاندهنده دانشمحور بودن تحقیقات انجام شده در این زمینه است كه استقبال صنایع مختلف قابلیتهای صنعتی این محصول را نیز مورد تایید قرار داده است.
كربن فعال در مقایسه با كربن معمولی از مساحت سطح داخلی، تخلخل و قابلیت بیشتری برای جذب گازها و مایعات شیمیایی برخوردار است. این گروه از مواد به عنوان جاذبهای حیاتی در صنایع شناخته شدهاند و با توجه به اینكه قابلیت ویژهای در جذب گازها و مایعات مزاحم دارند، در زمینههای مختلفی مورد استفاده قرار میگیرند و میتوان از آنها برای تصفیه و پاكسازی و حتی بازیافت مواد شیمیایی استفاده كرد.
كربن فعال به دلیل مساحت گسترده، ساختار منفذی، ظرفیت جذب بالا و قابلیت فعالسازی مجدد سطح به عنوان یك ماده منحصر به فرد شناخته شده است و به دلیل چنین ویژگیهای منحصر به فرد و همچنین قیمت پایین در مقایسه با جاذبهای غیرآلی مانند زئولیت، اهمیت ویژهای در صنایع مختلف دارد.
جداسازی بو، رنگ و مزههای غیردلخواه از آب در عملیاتهای خانگی و صنعتی، بازیافت حلال، تصفیه هوا بویژه در رستورانها، صنایع غذایی و شیمیایی از مهمترین زمینههای كاربرد این ماده است. علاوه بر اینكه كربن فعال در تركیب با مواد غیرآلی به عنوان كاتالیست استفاده میشود، در داروسازی نیز برای مبارزه با یك نوع باكتری خاص به كار میرود و به عنوان جداكننده اسیدهای آروماتیك از حلال در داخل اسیداستیك نیز میتوان از آن استفاده كرد.
كربنهای فعالشده محصولات پیچیدهای هستند و به همین دلیل طبقهبندی آنها براساس رفتار، مشخصات سطح و روش آمادهسازی اغلب مشكل خواهد بود. استاندارد جذب برای كربن فعال مورد استفاده جذب حدود ۲۰ درصد وزنی گاز GB یا سیانوژن كلراید است.
اگر كربن فعال تازه و در معرض رطوبت قرار گرفته باشد، میتواند تا ۴۰ درصد وزنی GB را جذب كند. تعداد زیادی از گازهای سمی را میتوان با گذراندن از كربن فعالشده از هوا جدا كرد.
این ویژگی درخصوص مواد شیمیایی با وزن مولكولی بالا مانند GB موثر است، اما گازهای سبك مانند كربن یا سیانوژن كلراید را نمیتوان به راحتی دیگر گازها جدا كرد. برای مثال منواكسید كربن یكی از موادی است كه بهسختی میتوان آن را به كمك كربن فعال جذب كرد.
این در حالی است كه میتوان با استفاده از تزریق یك سری از مواد شیمیایی به كربن فعال، قابلیت جذب این گونه مواد را نیز در كربن فعال ایجاد كرده و قدرت بازدارندگی كربن فعال را افزایش داد. برای این كار میتوان از نمكهای نقره، مس و كرم استفاده كرد.
همچنین فیلترهای كربن فعال خاصیت جذب مواد آلی و بعضی از فلزات سنگین محلول در آب را دارند و رنگ، بو، كلر و تركیبات كلر را از آب جذب میكنند. از آنجا كه بستر كربن فعال نیز مانند فیلترهای زرین، محیط مناسبی را برای تغذیه و بستر باكتریها بهوجود خواهد آورد، گندزدایی و تصفیه میكروبی از مراحل بعدی ضروری در تصفیه آب خواهد بود.
به گفته مهندس سیدمیعاد صالحی، دانشجوی دكتری مهندسی مكانیك دانشگاه صنعتی شریف و مجری این طرح، كربن فعال در مراحل تصفیه و فیلتراسیون صنایع مختلف مانند صنایع غذایی (روغن نباتی، قند و شكر و...)، صنایع آب و فاضلاب، صنایع فیلتراسیون هوا و صنایع دارویی مورد استفاده قرار میگیرد و به همین علت به عنوان یك ماده استراتژیك در تصفیه و فیلتراسیون محسوب میشود. مصرف سالانه این ماده در كشور حدود ۴۰ هزار تن برآورد شده است كه تقریبا به طور كامل از طریق واردات تامین میشود.
اما در حال حاضر پس از انجام تحقیقات بسیار زیاد در این زمینه و كشف مسیر فرآیند این محصول توانستهایم به فناوری برتر تولید این ماده در كشور دست یابیم.
اساس تهیه كربن فعال دارای دو مرحله اصلی كربونیزاسیون و فعالسازی است. كربن فعالشده از پیرولیز (تغییر شیمیایی در اثر حرارت) مواد كربنی از قبیل چوب، زغالسنگ و هسته میوهها با پلیمرهای مصنوعی از قبیل ریون، پلیاكریلونیتریل یا فنولیك به دست میآید و در مراحل بعدی تحت عملیات فعالسازی قرار میگیرد.
پیرولیز مواد كربنی، بدون حضور هوا، باعث تخریب مولكولهای غیرآلی میشود كه یك ماده قیریشكل حاوی مواد گازدار خواهد بود و در نهایت یك جسم جامد كربنی از آن ایجاد خواهد شد. جسم تولیدشده دارای تعداد زیادی حفرههای بزرگ و دارای سطح ویژهای در حد چندین مترمربع بر گرم خواهد بود. از نظر اقتصادی ترجیحا موادی با كربن بالا و مواد آلی كم برای تولید كربن فعال شده انتخاب میشود. ماده جامد تشكیل شده حاصل از عملیات پیرولیز باید دانسیته بالا داشته و دارای گازهای فرار كافی باشد.
آزادسازی گازهای فرار در مرحله پیرولیز باعث ایجاد منافذی در كربن میشود. دانسیته بالا باعث میشود كربن از استحكام و ساختار محكمی برخوردار شود. چوب، زغالسنگ، سیگمنت (نوعی زغالسنگ)، پوست نارگیل و تورب مواد خامی هستند كه به ترتیب از نظر ظرفیت تولید كربن متخلخل، مشخصات نهایی و مقدار مصرف اهمیت آنها افزایش خواهد یافت.
در حین كربونیزاسیون اجزای غیركربنی مانند هیدروژن و اكسیژن به صورت گاز از مواد اولیه خارج میشوند و كربنهای آزاد نیز به صورت گروهی، بلورهای گرانیت را تشكیل میدهند. به دلیل وجود منافذ در میان بلورها، آرایش بلورها از ۲ طرف به صورت نامنظم خواهد بود.
این فرآیند معمولا در درجه حرارتی كمتر از ۸۰۰ درجه سانتیگراد در یك محیط حاوی یك جریان ورودی از اتمسفر انجام میشود. ساختار ریز منافذ كربن در دمای حدود ۵۰۰ درجه سانتیگراد شكل میگیرد. برخی از این منافذ به وسیله ماده قیری آزاد شده در حین فرآیند پیرولیز مسدود میشود كه میتوان با حرارت مجدد حدود ۸۰۰ درجه سانتیگراد، مجددا این منافذ را ایجاد كرد. افزایش دما تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد پیش از آن باعث سخت شدن ساختار كربن و كاهش درجه تخلخل میشود.
كربنها را با توجه به نحوه آرایش و قرار گرفتن بلورهای آن در كنار هم به صورت گرافیت و غیرگرافیت تعریف كردهاند.
كربنهای گرافیتی دارای بلورهایی با سه بعد یكسان هستند در صورتی كه كربنهای غیرگرافیتی فاقد چنین ساختاری هستند.
محصولات مرحله كربونیزاسیون دارای ظرفیت جذب بسیار پایینی هستند كه این ویژگی میتواند ناشی از كربونیزاسیون در دمای پایین و وجود ماده قیری باقی مانده در منافذ بین بلورها و روی سطح باشد. بعضی محصولات كربونیزه شده را میتوان با خارج كردن مواد قیری به وسیله حرارت دادن در بخار یا تحت گاز و یا عمل خالصسازی به كمك حلال و همچنین واكنشهای شیمیایی فعال كرد. عمل فعالسازی سبب بزرگ شدن قطر حفرههایی میشود كه در حین فرآیند كربونیزاسیون ایجاد شدهاند، علاوه بر این در حین این فرآیند حفرههای بسیار ریزی نیز ایجاد خواهد شد كه در نهایت سبب ایجاد ساختاری حفرهای با مساحت سطح داخلی بالا خواهد شد.
منافذ ایجادشده در كربن فعال دارای اندازه و شكل متفاوتی است. در برخی از انواع كربن فعال تولیدشده، شكل منافذ موجود در كربن فعال با توجه به نوع مواد خام مصرفی متفاوت خواهد بود.
كربن فعال بهداشتی عیار بالا به دلیل خواص جذبی خوب و بهداشتی بودن، برای رنگزدایی، بوزدایی، خالصسازی، كلرزدایی و سمزدایی در صنایع مختلفی مانند غذایی، دارویی، شیمیایی و همچنین فرآیندهای تصفیه آب و فاضلاب به كار میرود.
جالب است بدانید كربن فعال یكی از متداولترین مواد تصفیهكننده آبهای آشامیدنی و آبهای معدنی است كه آلودگیهای غیرمحلول آب را جذب خود میكند، به طور كلی میتوان گفت تهیه هوا، تصفیه قند، روغن، چربیها و داروهای سمزدا از مهمترین زمینههای استفاده و كاربرد نتایج این طرح تحقیقاتی است.
صالحی در پایان خاطرنشان كرد كه یكی از مهمترین و اختصاصیترین دستاوردهای این پژوهش، دستیابی كشور برای نخستین بار به فناوری ساخت كوره در ابعاد صنعتی است.
علاوه بر این، با كاهش مدت زمان انجام فرآوری روی ماده اولیه برای تولید كربن فعال بهداشتی با عیار بالا و همچنین هزینه نهایی تولید این محصول، مرغوبیت این ماده نیز از نظر بهداشتی در مقایسه با انواع مشابه خارجی افزایش یافته است و به این ترتیب بدون استفاده از مواد شیمیایی كه برای سلامت بدن مضر هستند، محصولی تولید شده است كه میتوان بدون نگرانی از آن در صنایع غذایی استفاده كرد.
با توجه به این كه تاكنون هیچ تولیدكننده داخلی در كشور وجود نداشته است، این طرح از توجیه اقتصادی بسیار خوبی برخوردار بوده و با حمایت از اجرایی شدن آن، گام مهمی برای خودكفایی داخلی برداشته خواهد شد.
دمای جذب نیز سرعت جذب یك گاز را تحت تاثیر خود قرار میدهد. با افزایش دما، سرعت جذب نیز افزایش خواهد یافت. از كربنهای CMS برای جداسازی نیتروژن و اكسیژن استفاده میشود. در چند دهه اخیر، علاوه بر كاربردهای عمومی برای كربن فعال، كربنهای پیشرفتهای با كنترل مخصوص روی ساختار منافذ نیز با هدف بهكارگیری آن در زمینههای خالص ایجاد شده است.
منبع: خبرگزاری آفتاب
معرفي سايت مرتبط با اين مقاله
كربن فعال بهداشتی یكی از مهمترین نیازهای صنایع داخلی كشور است كه در گذشته فاقد فناوری تولید آن بودیم و نیاز صنایع به این ماده از طریق واردات تامین میشد. با توجه به نیاز كشور به تولید دانش محور تولید این ماده مورد توجه قرار گرفت و دسترسی به دانش تولید و همچنین تولید این ماده استراتژیك در عرصه تصفیه و فیلتراسیون محقق شد.
ثبت ۲ اختراع، مقامهای اول وسومدرمسابقههای كارآفرینی كشوری به میزبانی دانشگاه تهران و دانشگاه صنعتی شریف، كسب استاندارد بهداشتی مربوط (FCC) و همچنین كسب رتبه اول پژوهشهای كاربردی در نهمین جشنواره جوان خوارزمی نشاندهنده دانشمحور بودن تحقیقات انجام شده در این زمینه است كه استقبال صنایع مختلف قابلیتهای صنعتی این محصول را نیز مورد تایید قرار داده است.
كربن فعال در مقایسه با كربن معمولی از مساحت سطح داخلی، تخلخل و قابلیت بیشتری برای جذب گازها و مایعات شیمیایی برخوردار است. این گروه از مواد به عنوان جاذبهای حیاتی در صنایع شناخته شدهاند و با توجه به اینكه قابلیت ویژهای در جذب گازها و مایعات مزاحم دارند، در زمینههای مختلفی مورد استفاده قرار میگیرند و میتوان از آنها برای تصفیه و پاكسازی و حتی بازیافت مواد شیمیایی استفاده كرد.
كربن فعال به دلیل مساحت گسترده، ساختار منفذی، ظرفیت جذب بالا و قابلیت فعالسازی مجدد سطح به عنوان یك ماده منحصر به فرد شناخته شده است و به دلیل چنین ویژگیهای منحصر به فرد و همچنین قیمت پایین در مقایسه با جاذبهای غیرآلی مانند زئولیت، اهمیت ویژهای در صنایع مختلف دارد.
جداسازی بو، رنگ و مزههای غیردلخواه از آب در عملیاتهای خانگی و صنعتی، بازیافت حلال، تصفیه هوا بویژه در رستورانها، صنایع غذایی و شیمیایی از مهمترین زمینههای كاربرد این ماده است. علاوه بر اینكه كربن فعال در تركیب با مواد غیرآلی به عنوان كاتالیست استفاده میشود، در داروسازی نیز برای مبارزه با یك نوع باكتری خاص به كار میرود و به عنوان جداكننده اسیدهای آروماتیك از حلال در داخل اسیداستیك نیز میتوان از آن استفاده كرد.
كربنهای فعالشده محصولات پیچیدهای هستند و به همین دلیل طبقهبندی آنها براساس رفتار، مشخصات سطح و روش آمادهسازی اغلب مشكل خواهد بود. استاندارد جذب برای كربن فعال مورد استفاده جذب حدود ۲۰ درصد وزنی گاز GB یا سیانوژن كلراید است.
اگر كربن فعال تازه و در معرض رطوبت قرار گرفته باشد، میتواند تا ۴۰ درصد وزنی GB را جذب كند. تعداد زیادی از گازهای سمی را میتوان با گذراندن از كربن فعالشده از هوا جدا كرد.
این ویژگی درخصوص مواد شیمیایی با وزن مولكولی بالا مانند GB موثر است، اما گازهای سبك مانند كربن یا سیانوژن كلراید را نمیتوان به راحتی دیگر گازها جدا كرد. برای مثال منواكسید كربن یكی از موادی است كه بهسختی میتوان آن را به كمك كربن فعال جذب كرد.
این در حالی است كه میتوان با استفاده از تزریق یك سری از مواد شیمیایی به كربن فعال، قابلیت جذب این گونه مواد را نیز در كربن فعال ایجاد كرده و قدرت بازدارندگی كربن فعال را افزایش داد. برای این كار میتوان از نمكهای نقره، مس و كرم استفاده كرد.
همچنین فیلترهای كربن فعال خاصیت جذب مواد آلی و بعضی از فلزات سنگین محلول در آب را دارند و رنگ، بو، كلر و تركیبات كلر را از آب جذب میكنند. از آنجا كه بستر كربن فعال نیز مانند فیلترهای زرین، محیط مناسبی را برای تغذیه و بستر باكتریها بهوجود خواهد آورد، گندزدایی و تصفیه میكروبی از مراحل بعدی ضروری در تصفیه آب خواهد بود.
به گفته مهندس سیدمیعاد صالحی، دانشجوی دكتری مهندسی مكانیك دانشگاه صنعتی شریف و مجری این طرح، كربن فعال در مراحل تصفیه و فیلتراسیون صنایع مختلف مانند صنایع غذایی (روغن نباتی، قند و شكر و...)، صنایع آب و فاضلاب، صنایع فیلتراسیون هوا و صنایع دارویی مورد استفاده قرار میگیرد و به همین علت به عنوان یك ماده استراتژیك در تصفیه و فیلتراسیون محسوب میشود. مصرف سالانه این ماده در كشور حدود ۴۰ هزار تن برآورد شده است كه تقریبا به طور كامل از طریق واردات تامین میشود.
اما در حال حاضر پس از انجام تحقیقات بسیار زیاد در این زمینه و كشف مسیر فرآیند این محصول توانستهایم به فناوری برتر تولید این ماده در كشور دست یابیم.
اساس تهیه كربن فعال دارای دو مرحله اصلی كربونیزاسیون و فعالسازی است. كربن فعالشده از پیرولیز (تغییر شیمیایی در اثر حرارت) مواد كربنی از قبیل چوب، زغالسنگ و هسته میوهها با پلیمرهای مصنوعی از قبیل ریون، پلیاكریلونیتریل یا فنولیك به دست میآید و در مراحل بعدی تحت عملیات فعالسازی قرار میگیرد.
پیرولیز مواد كربنی، بدون حضور هوا، باعث تخریب مولكولهای غیرآلی میشود كه یك ماده قیریشكل حاوی مواد گازدار خواهد بود و در نهایت یك جسم جامد كربنی از آن ایجاد خواهد شد. جسم تولیدشده دارای تعداد زیادی حفرههای بزرگ و دارای سطح ویژهای در حد چندین مترمربع بر گرم خواهد بود. از نظر اقتصادی ترجیحا موادی با كربن بالا و مواد آلی كم برای تولید كربن فعال شده انتخاب میشود. ماده جامد تشكیل شده حاصل از عملیات پیرولیز باید دانسیته بالا داشته و دارای گازهای فرار كافی باشد.
آزادسازی گازهای فرار در مرحله پیرولیز باعث ایجاد منافذی در كربن میشود. دانسیته بالا باعث میشود كربن از استحكام و ساختار محكمی برخوردار شود. چوب، زغالسنگ، سیگمنت (نوعی زغالسنگ)، پوست نارگیل و تورب مواد خامی هستند كه به ترتیب از نظر ظرفیت تولید كربن متخلخل، مشخصات نهایی و مقدار مصرف اهمیت آنها افزایش خواهد یافت.
در حین كربونیزاسیون اجزای غیركربنی مانند هیدروژن و اكسیژن به صورت گاز از مواد اولیه خارج میشوند و كربنهای آزاد نیز به صورت گروهی، بلورهای گرانیت را تشكیل میدهند. به دلیل وجود منافذ در میان بلورها، آرایش بلورها از ۲ طرف به صورت نامنظم خواهد بود.
این فرآیند معمولا در درجه حرارتی كمتر از ۸۰۰ درجه سانتیگراد در یك محیط حاوی یك جریان ورودی از اتمسفر انجام میشود. ساختار ریز منافذ كربن در دمای حدود ۵۰۰ درجه سانتیگراد شكل میگیرد. برخی از این منافذ به وسیله ماده قیری آزاد شده در حین فرآیند پیرولیز مسدود میشود كه میتوان با حرارت مجدد حدود ۸۰۰ درجه سانتیگراد، مجددا این منافذ را ایجاد كرد. افزایش دما تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد پیش از آن باعث سخت شدن ساختار كربن و كاهش درجه تخلخل میشود.
● كورهای در ابعاد صنعتی
كربنها را با توجه به نحوه آرایش و قرار گرفتن بلورهای آن در كنار هم به صورت گرافیت و غیرگرافیت تعریف كردهاند.
كربنهای گرافیتی دارای بلورهایی با سه بعد یكسان هستند در صورتی كه كربنهای غیرگرافیتی فاقد چنین ساختاری هستند.
محصولات مرحله كربونیزاسیون دارای ظرفیت جذب بسیار پایینی هستند كه این ویژگی میتواند ناشی از كربونیزاسیون در دمای پایین و وجود ماده قیری باقی مانده در منافذ بین بلورها و روی سطح باشد. بعضی محصولات كربونیزه شده را میتوان با خارج كردن مواد قیری به وسیله حرارت دادن در بخار یا تحت گاز و یا عمل خالصسازی به كمك حلال و همچنین واكنشهای شیمیایی فعال كرد. عمل فعالسازی سبب بزرگ شدن قطر حفرههایی میشود كه در حین فرآیند كربونیزاسیون ایجاد شدهاند، علاوه بر این در حین این فرآیند حفرههای بسیار ریزی نیز ایجاد خواهد شد كه در نهایت سبب ایجاد ساختاری حفرهای با مساحت سطح داخلی بالا خواهد شد.
منافذ ایجادشده در كربن فعال دارای اندازه و شكل متفاوتی است. در برخی از انواع كربن فعال تولیدشده، شكل منافذ موجود در كربن فعال با توجه به نوع مواد خام مصرفی متفاوت خواهد بود.
كربن فعال بهداشتی عیار بالا به دلیل خواص جذبی خوب و بهداشتی بودن، برای رنگزدایی، بوزدایی، خالصسازی، كلرزدایی و سمزدایی در صنایع مختلفی مانند غذایی، دارویی، شیمیایی و همچنین فرآیندهای تصفیه آب و فاضلاب به كار میرود.
جالب است بدانید كربن فعال یكی از متداولترین مواد تصفیهكننده آبهای آشامیدنی و آبهای معدنی است كه آلودگیهای غیرمحلول آب را جذب خود میكند، به طور كلی میتوان گفت تهیه هوا، تصفیه قند، روغن، چربیها و داروهای سمزدا از مهمترین زمینههای استفاده و كاربرد نتایج این طرح تحقیقاتی است.
صالحی در پایان خاطرنشان كرد كه یكی از مهمترین و اختصاصیترین دستاوردهای این پژوهش، دستیابی كشور برای نخستین بار به فناوری ساخت كوره در ابعاد صنعتی است.
علاوه بر این، با كاهش مدت زمان انجام فرآوری روی ماده اولیه برای تولید كربن فعال بهداشتی با عیار بالا و همچنین هزینه نهایی تولید این محصول، مرغوبیت این ماده نیز از نظر بهداشتی در مقایسه با انواع مشابه خارجی افزایش یافته است و به این ترتیب بدون استفاده از مواد شیمیایی كه برای سلامت بدن مضر هستند، محصولی تولید شده است كه میتوان بدون نگرانی از آن در صنایع غذایی استفاده كرد.
با توجه به این كه تاكنون هیچ تولیدكننده داخلی در كشور وجود نداشته است، این طرح از توجیه اقتصادی بسیار خوبی برخوردار بوده و با حمایت از اجرایی شدن آن، گام مهمی برای خودكفایی داخلی برداشته خواهد شد.
● غربالگرهای كربنی
دمای جذب نیز سرعت جذب یك گاز را تحت تاثیر خود قرار میدهد. با افزایش دما، سرعت جذب نیز افزایش خواهد یافت. از كربنهای CMS برای جداسازی نیتروژن و اكسیژن استفاده میشود. در چند دهه اخیر، علاوه بر كاربردهای عمومی برای كربن فعال، كربنهای پیشرفتهای با كنترل مخصوص روی ساختار منافذ نیز با هدف بهكارگیری آن در زمینههای خالص ایجاد شده است.
منبع: خبرگزاری آفتاب
معرفي سايت مرتبط با اين مقاله
تصاوير زيبا و مرتبط با اين مقاله