تولید کربن بهداشتی فعال با عیار بالا

گرچه رسیدن به خودکفایی در رفع نیازهای داخلی همواره به عنوان یکی از مهم‌‌ترین اهداف کشور مطرح بوده است، اما هنوز در بسیاری از زمینه‌ها علی‌رغم تلاش‌های بسیار زیادی که برای دستیابی به فناوری‌های نوین انجام شده است نیازمند کشورهای دیگر هستیم.

کربن فعال بهداشتی یکی از مهم‌ترین نیازهای صنایع داخلی کشور است که در گذشته فاقد فناوری تولید آن بودیم و نیاز صنایع به این ماده از طریق واردات تامین می‌شد. با توجه به نیاز کشور به تولید دانش محور تولید این ماده مورد توجه قرار گرفت و دسترسی به دانش تولید و همچنین تولید این ماده استراتژیک در عرصه تصفیه و فیلتراسیون محقق شد. 

ابراهیم ندرلو

مدیریت سایت موژ

ثبت‌ 2 اختراع، مقام‌های اول وسوم‌درمسابقه‌های کارآفرینی کشوری به میزبانی دانشگاه تهران و دانشگاه صنعتی شریف، کسب استاندارد بهداشتی مربوط‌ (FCC) و همچنین کسب رتبه اول پژوهش‌های کاربردی در نهمین جشنواره جوان خوارزمی نشان‌دهنده دانش‌محور بودن تحقیقات انجام شده در این زمینه است که استقبال صنایع مختلف قابلیت‌های صنعتی این محصول را نیز مورد تایید قرار داده است.
کربن فعال در مقایسه با کربن 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 این‌که قابلیت ویژه‌ای در جذب گازها و مایعات مزاحم دارند، در زمینه‌های مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند و می‌توان از آنها برای تصفیه و پاکسازی و حتی بازیافت مواد شیمیایی استفاده کرد.

کربن فعال به دلیل مساحت گسترده، ساختار منفذی، ظرفیت جذب بالا و قابلیت فعال‌سازی مجدد سطح به عنوان یک 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 کاربرد این ماده است. علاوه بر این‌که کربن فعال در ترکیب با مواد غیرآلی به عنوان کاتالیست استفاده می‌شود، در داروسازی نیز برای مبارزه با یک نوع باکتری خاص به کار می‌رود و به  عنوان جداکننده اسید‌های آروماتیک از حلال در داخل اسیداستیک نیز می‌توان از آن استفاده کرد.

کربن‌های فعال‌شده محصولات پیچیده‌ای هستند و به همین دلیل طبقه‌بندی آنها براساس رفتار، مشخصات سطح و روش آماده‌سازی اغلب مشکل خواهد بود. استاندارد جذب برای کربن فعال مورد استفاده جذب حدود 20 درصد  وزنی گاز GB یا سیانوژن کلراید است.

اگر کربن فعال تازه و در معرض رطوبت قرار گرفته باشد، می‌تواند تا 40 درصد وزنی GB را جذب کند. تعداد زیادی از گازهای سمی را می‌توان با گذراندن از کربن فعال‌شده از هوا جدا کرد.

این ویژگی درخصوص مواد شیمیایی با وزن مولکولی بالا مانند GB  موثر است، اما گازهای سبک مانند کربن یا سیانوژن کلراید را نمی‌توان به راحتی دیگر گازها جدا کرد. برای مثال منواکسید کربن یکی از موادی است که به‌سختی می‌توان آن را به کمک کربن فعال جذب کرد.

این در حالی است که می‌توان با استفاده از تزریق یک سری از مواد شیمیایی به کربن فعال، قابلیت جذب این گونه مواد را نیز در کربن فعال ایجاد کرده و قدرت بازدارندگی کربن فعال را افزایش داد. برای این کار می‌توان از نمک‌های نقره، مس و کرم استفاده کرد.

همچنین فیلترهای کربن فعال خاصیت جذب مواد ‌آلی و بعضی از فلزات سنگین محلول در آب را دارند و رنگ، بو، کلر و ترکیبات کلر را از آب جذب می‌کنند. از آنجا که بستر کربن فعال نیز مانند فیلترهای زرین، محیط مناسبی را برای تغذیه و بستر باکتری‌ها به‌وجود خواهد آورد، گند‌زدایی و تصفیه میکروبی از مراحل بعدی ضروری در تصفیه آب خواهد بود.

به گفته مهندس سیدمیعاد صالحی،‌ دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی شریف و مجری این طرح،‌ کربن فعال در مراحل تصفیه و فیلتراسیون صنایع مختلف مانند صنایع غذایی (روغن نباتی،‌ قند و شکر و...)، صنایع آب و فاضلاب، صنایع فیلتراسیون هوا و صنایع دارویی مورد استفاده قرار می‌گیرد و به همین علت به عنوان یک ماده استراتژیک در تصفیه و فیلتراسیون محسوب می‌شود. مصرف سالانه این ماده در کشور حدود 40 هزار تن برآورد شده است که تقریبا به طور کامل از طریق واردات تامین می‌شود.

اما در حال حاضر پس از انجام تحقیقات بسیار زیاد در این زمینه و کشف مسیر فرآیند این محصول توانسته‌ایم به فناوری برتر تولید این ماده در کشور دست یابیم.

اساس تهیه کربن فعال دارای دو مرحله اصلی کربونیزاسیون و فعال‌سازی است. کربن فعال‌شده از پیرولیز (تغییر شیمیایی در اثر حرارت)‌ مواد کربنی از قبیل چوب، زغال‌سنگ و هسته میوه‌ها با پلیمرهای مصنوعی از قبیل ریون، پلی‌اکریلونیتریل یا فنولیک به دست می‌آید و در مراحل بعدی تحت عملیات فعال‌سازی قرار می‌گیرد.

پیرولیز مواد کربنی، بدون حضور هوا، باعث تخریب مولکول‌های غیرآلی می‌شود که یک ماده قیری‌شکل حاوی مواد گازدار خواهد بود و در نهایت یک جسم‌ جامد کربنی 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 کربن بالا و مواد‌ آلی کم برای تولید کربن فعال شده انتخاب می‌شود. ماده جامد تشکیل شده حاصل از عملیات پیرولیز باید دانسیته بالا داشته و دارای گازهای فرار کافی باشد.

آزادسازی گازهای فرار در مرحله پیرولیز باعث ایجاد منافذی در کربن می‌شود. دانسیته بالا باعث می‌شود کربن از استحکام و ساختار محکمی برخوردار شود. چوب، زغال‌سنگ، سیگمنت (نوعی زغال‌سنگ)‌، پوست نارگیل و تورب مواد خامی هستند که به ترتیب از نظر ظرفیت تولید کربن متخلخل، مشخصات نهایی و مقدار مصرف اهمیت آنها افزایش خواهد یافت.

در حین کربونیزاسیون اجزای غیرکربنی مانند هیدروژن و اکسیژن به صورت گاز از مواد اولیه خارج می‌شوند و کربن‌‌های آزاد نیز به صورت گروهی،‌ بلورهای گرانیت را تشکیل می‌‌دهند. به دلیل وجود منافذ در میان بلورها، آرایش بلورها از 2 طرف به صورت نامنظم خواهد بود.

این فرآیند معمولا در درجه حرارتی کمتر از 800 درجه سانتی‌گراد در یک محیط حاوی یک جریان ورودی از اتمسفر انجام می‌شود. ساختار ریز منافذ کربن در دمای حدود 500 درجه سانتی‌گراد شکل می‌گیرد. برخی از این منافذ به وسیله ماده قیری آزاد شده در حین فرآیند پیرولیز مسدود می‌شود که می‌‌توان با حرارت مجدد  حدود 800 درجه سانتی‌گراد، مجددا این منافذ را ایجاد کرد. افزایش دما تا 100 درجه سانتی‌گراد پیش از آن باعث سخت شدن ساختار کربن و کاهش درجه تخلخل می‌شود.

کوره‌ای در ابعاد صنعتی‌

به گفته صالحی، در این طرح تحقیقاتی علاوه بر طراحی جامع، ساخت کوره در ابعاد صنعتی نیز امکان‌پذیر شده است و در آزمایش‌های انجام شده با تغییر مواد اولیه، تغییر حالت فیزیکی یا شیمیایی و همچنین تغییر نسبت اختلاط و تغییر دمای کربونیزاسیون و فعال‌سازی، شرایط بهینه‌ای ایجاد شده است که در آن علاوه بر کاهش هزینه‌ نهایی تولید این ماده، نوعی کربن فعال با استاندارد FCC ساخته شده است که در صنایع غذایی، دارویی و آب شیرین‌کن کاربرد دارد بنابراین می‌توان گفت در تولید کربن فعال بهداشتی از فرآیند‌هایی برای فعال‌سازی استفاده شده است که می‌تواند رعایت فاکتورهای موثر در تعیین بهداشت و سلامت مواد شیمیایی را تضمین کند.

کربن‌ها را با توجه به نحوه آرایش و قرار گرفتن بلورهای آن در کنار هم به صورت گرافیت و غیرگرافیت تعریف کرده‌اند.
کربن‌‌های گرافیتی دارای بلورهایی با سه بعد یکسان هستند در صورتی که کربن‌های غیرگرافیتی فاقد چنین ساختاری هستند.

محصولات مرحله کربونیزاسیون دارای ظرفیت جذب بسیار پایینی هستند که این ویژگی می‌تواند ناشی از کربونیزاسیون در دمای پایین و وجود ماده قیری باقی‌ مانده در منافذ بین بلورها و روی سطح باشد. بعضی محصولات کربونیزه شده را می‌توان با خارج کردن مواد قیری به وسیله حرارت دادن در بخار یا تحت گاز و یا عمل خالص‌سازی به کمک حلال و همچنین واکنش‌های شیمیایی فعال کرد. عمل فعال‌سازی سبب بزرگ شدن قطر حفره‌هایی می‌شود که در حین فرآیند کربونیزاسیون ایجاد شده‌اند، علاوه بر این در حین این فرآیند حفره‌های بسیار ریزی نیز ایجاد خواهد شد که در نهایت سبب ایجاد ساختاری حفره‌ای با مساحت سطح داخلی بالا خواهد شد.

منافذ ایجادشده در کربن فعال دارای اندازه و شکل متفاوتی است. در برخی از انواع کربن فعال تولیدشده، شکل منافذ موجود در کربن فعال با توجه به نوع مواد خام مصرفی متفاوت خواهد بود.

کربن فعال بهداشتی عیار بالا به دلیل خواص جذبی خوب و بهداشتی بودن، برای رنگ‌زدایی، بوزدایی، خالص‌سازی، کلرزدایی و سم‌زدایی در صنایع مختلفی مانند غذایی، دارویی، شیمیایی و همچنین فرآیندهای تصفیه آب و فاضلاب به کار می‌رود.

جالب است بدانید کربن فعال یکی از متداول‌ترین مواد تصفیه‌کننده آب‌های آشامیدنی و آب‌های معدنی است که آلودگی‌های غیرمحلول آب را جذب خود می‌کند، به طور کلی می‌توان گفت تهیه هوا، تصفیه قند، روغن، چربی‌ها و داروهای سم‌زدا از مهم‌ترین زمینه‌های استفاده و کاربرد نتایج این طرح تحقیقاتی است.

صالحی در پایان خاطرنشان کرد که یکی از مهم‌ترین و اختصاصی‌ترین دستاوردهای این پژوهش، دستیابی کشور برای نخستین بار به فناوری ساخت کوره در ابعاد صنعتی است.

علاوه بر این، با کاهش مدت زمان انجام فرآوری روی ماده اولیه برای تولید کربن 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 که برای سلامت بدن مضر هستند، محصولی تولید شده است که می‌توان بدون نگرانی از آن در صنایع غذایی استفاده کرد.

با توجه به این که تاکنون هیچ تولیدکننده داخلی در کشور وجود نداشته است، این طرح از توجیه اقتصادی بسیار خوبی برخوردار بوده و با حمایت از اجرایی شدن آن، گام مهمی برای خودکفایی داخلی برداشته خواهد شد.

غربالگرهای کربنی‌

غربال‌های کربنی، گروهی از کربن‌های فعال هستند که دارای منافذی با اندازه کوچک هستند. این کربن‌ها برای جداسازی و جذب گاز و مایع در محیط‌هایی با غلظت‌های خیلی کم مورد استفاده قرار می‌گیرند. این غربال‌کننده‌های کربنی که اصطلاحا CMS نامیده می‌شود، مشابه جذب گاز اتیلن برای تازه نگه‌داشتن میوه و سبزیجات، در سیستم‌های جداسازی گاز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

دمای جذب نیز سرعت جذب یک گاز را تحت تاثیر خود قرار می‌دهد. با افزایش دما، سرعت جذب نیز افزایش خواهد یافت. از کربن‌های CMS برای جداسازی نیتروژن و اکسیژن استفاده می‌شود. در چند دهه اخیر، علاوه بر کاربردهای عمومی برای کربن فعال، کربن‌های پیشرفته‌ای با کنترل مخصوص روی ساختار منافذ نیز با هدف به‌کارگیری آن در زمینه‌های خالص ایجاد شده است.

فرانک فراهانی‌جم

منبع:اخبار میعادگاه

سایت موژ