تهیه کربن فعال از پوسته گردو چگونه است؟ ما در این پست طرز تهیه کربن فعال از پوست گردو به روش فعال سازی شیمیایی را مورد بررسی قرار داده ایم. این تحقیقات با استفاده از روش های متغیر کنترلی و تحقیقات تجربی بر روی عوامل موثر بر عملکرد موثر کربن انجام شده است. در نظر داشته باشید کربن فعال از پوسته گردو بیشتر به منظور تصفیه فاضلاب صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد.

امروزه پسماندهای کشاورزی یک مشکل در جهان محسوب می شود. بسیاری از این پسماندها قابلیت تبدیل شدن به کربن فعال را دارند. اما در این بین برخی از پسماندهای کشاورزی عملکرد بهتری دارند. به بیان ساده تر، اگر کربن فعال دارای کربن بالاتر، فرار و خاکستر کمتر باشد معمولاً بهتر است. پوست گردو دارای چنین خاصیتی است. به همین دلیل ضایعات پوست گردو، به منظور تولید و تهیه کربن فعال یک ماده موثر وکاربردی است. در سال 2001، بر اساس تحقیات و مطالعات انجام شده بر روی کربن فعال دانه ای تهیه شده از پوست گردو عملکرد و کارایی آن را بر روی یون های مس دو ظرفیتی مورد بررسی قرار دادند. طبق این تحقیقات متوجه شدند کربن فعال پوست گردو عملکرد موثری برای حذف یون های مس در تصفیه فاضلاب و آب دارند.

نحوه تهیه کربن فعال از پوست گردو

برای تهیه کربن فعال باید ابتدا پوست گردو را بشویید، خشک کنید و بشکنید و با سپس با محلول کلرید روی در کوره لوله با فرآیند کربنیزاسیون و فعال سازی مخلوط کنید، سپس از طریق اسید تمیز کردن، شستشو با آب داغ و واکنش هیدروکسید سدیم، آخرین خشک کردن را انجام دهید. با توجه به این مساله استفاده از کربن فعال پوست گردو علاوه بر صرفه جویی منابع آبی باعث آلودگی محیط زیست نیز می شودو زباله ها و پسماندهای کشاورزی را نیز کاهش می دهد. این می تواند در اقتصاد جامعه تاثیر گذار باشد. به عنوان مثال، اگر نرخ پوسته گردو را 55 درصد محاسبه کنید، تولید سالانه پوست گردو حداقل 13.50 میلیون است. در صورت دور ریختن یا سوزاندن تعداد زیادی پوست گردو دور ریخته شده، منجر به اتلاف جدی منابع خواهید شد. تجزیه و تحلیل ترکیب پوسته گردو پودر خام پوسته گردو در گرما و در خلاء در دمای 105 درجه سانتیگراد به مدت 4 ساعت به منظور خشک شدن و 2.5 میلی گرم از نمونه (با وزن دقیق 0.0001 میلی گرم) وزن شد.

توجه داشته باشید ساختار کربن فعال خوراکی به صورت متخلخل سیاه رنگ، با ساختار منافذ توسعه یافته است. سطح ویژه بزرگ و ظرفیت جذب بالا، و مواد مبتنی بر کربن آمورف فعال می شود. پایداری شیمیایی کربن فعال، با اسید، قلیایی ، دمای بالا و سایر ویژگی ها و نامحلول در آب و حلال های آلی رابطه مستقیم دارد. ویژگی های جذب، ویژگی های اولیه کربن فعال است. تهیه کربن فعال شامل دو فرآیند مهم است یکی کربنیزاسیون و دیگری فعال سازی است. هدف از فرآیند کربنیزاسیون حذف اجزای آلی و فرار موجود در مواد اولیه و به دست آوردن منافذ اساسی مناسب برای فعال سازی و مواد کربنیزه شده با مقاومت مکانیکی معین است.

کربنیزاسیون در فعال سازی کربن چیست؟

کربنیزاسیون یک فرایند شیمیایی است که در آن اتم‌های کربن به مولکول‌های دیگر متصل می‌شوند یا جایگزین می‌شوند. این فرایند می‌تواند در شرایط مختلف و با استفاده از مواد مختلف انجام شود. اغلب کربنیزاسیون به منظور تولید ترکیبات شیمیایی جدید با ویژگی‌های خاص صورت می‌گیرد. در فعال‌سازی کربن، کربن به عنوان یک مولکول پایه، با یک گروه فعال‌کننده یا یک کاتالیزور واکنش می‌دهد تا اتصال‌هایی جدید ایجاد شود و یا تغییراتی در ساختار مولکولی آن ایجاد شود. این فرآیند می‌تواند به منظور ایجاد واکنش‌های شیمیایی خاص، بهبود ویژگی‌های مولکولی، تولید مواد جدید، یا ساختاردهی مولکولی باشد.

فعال سازی کربن چگونه است؟

برخی از روش های فعال‌سازی کربن شامل افزودن گروه‌های عاملی به مولکول‌ها، جایگزینی اتم‌های هیدروژن با اتم‌های کربن یا گروه‌های عاملی، واکنش‌های متصل‌سازی (coupling reactions)، و فرایندهایی مانند هیدروژناسیون، هالوژناسیون، و اکسیژناسیون مولکولی می‌باشند. ماهیت فرآیند کربنیزاسیون، فرآیند پیرولیز مواد آلی در مواد خام است، از جمله تجزیه حرارتی و چند تراکم . هدف اصلی از فرآیند فعال سازی استفاده از تعامل بین فعال کننده و ماده کربنی شده برای ایجاد منافذ جدید و توابع reaming بر اساس کانال های پایه کربن برای تولید یک ساختار منفذ توسعه یافته، که به فعال سازی فیزیکی یا فعال سازی شیمیایی راه تقسیم می شود. در طی فرآیند فعال‌سازی، ماده آلی ریز کریستال‌های گرافیت در ساختار کربن حذف می‌شود و سوزاندن انواع مختلف زغال چوب نامنظم در لایه حلقه‌ای معطر باعث خم شدن و شکستن سطح توری معمولی گرافیت می‌شود و در نتیجه اندازه‌های مختلف و نامنظم می‌شود. در سال 1960، Deboning منافذ کربن فعال را به متخلخل ماکرو (اندازه منافذ بیشتر از 50 نانومتر)، مزوپور (اندازه منافذ بین 2-50 نانومتر) و میکروسپور (اندازه منافذ کمتر) تقسیم کرد و بیش از 2 نانومتر است.

روش فعال شیمیایی برای تهیه کربن فعال از پوست گردو و تجزیه و تحلیل کارایی واکنش با یون های فلزات سنگین در فرآیند جذب و حذف استفاده می کند. پوست گردو را با مقدار معینی از معرف های شیمیایی که قابلیت فعال سازی دارد مخلوط کنید. مثلا محلول کلرید روی است. سپس از طریق فرآیند کربن سازی، فعال سازی، شستشو، خشک کردن و شکستن در دمای مناسب می توانیم کربن فعال پوسته گردو را آماده کنیم. با انجام آزمایش‌هایی بر روی عواملی که بر عملکرد کربن فعال پوسته گردو تأثیر می‌گذارند، مانند دمای کربن‌ سازی، زمان کربن‌شدن، غلظت کلرید روی و نسبت جامد به مایع، می‌توان بهترین راه برای تهیه کربن فعال را بررسی کرد.

مراحل آماده سازی عملیات کربن فعال پوسته گردو

اولین مرحله آماده سازی کربن فعال پوسته گردو خشک کردن و سپس خرد کردن آن می باشد. پوسته گردو خشک طبیعی را به عنوان ماده خام در نظر بگیرید. قبل از خشک شدن، ناخالصی ها را باید حذف کنید. بعد از این مرحله باید آن را خرد کنید و به مش 60 بشکنید. در مرحله بعدی اشباع فعال سازی است که نمونه خرد شده را پس از خرد کردن وزن کرده و با محلول کلرید روی کسر جرمی 50 درصد به نسبت جامد به مایع 1: 1.5 مخلوط کنید، به مدت 24 ساعت کاملاً هم بزنید. مواد آغشته شده را به مدت 90 دقیقه در یک کوره صدا خفه کن با درجه حرارت 300 قرار دهید و سپس به مدت 60 دقیقه به 600 برسانید. در مرحله بعدی لازم است آنها شسته شده و فیلتر شوند. به بیان ساده تر، پوست گردو بعد از فعال شدن و بعد از کوره پس از خنک شدن طبیعی با شستشوی اسید هیدروکلریک 10٪، و سپس با آب مقطر باید شسته شود تا خنثی گردد و فیلتر شود.

آزمایش تک عاملی – اکتشاف عملکرد (محلول یون کروم شش ظرفیتی به عنوان مثال) در این آزمایش تأثیر دمای کربنیزاسیون بر عملکرد جذب کربن فعال پوسته های خرد شده گردو با کربن سازی در 50 100، 150، 200، 250 و 300 آماده شدند. ساعت، 40% کلرید روی و نسبت ماده به مایع 1:10 بود. اثر زمان کربنیزاسیون بر عملکرد جذب کربن فعال دمای کربنی شدن با درجه 200، زمان خشک شدن 1 ساعت، 1.5 ساعت، 2 ساعت، 2.5 ساعت، 3 ساعت، 3.5 ساعت، 40٪ کلرید روی، نسبت مواد به 1:10 بود. تأثیر غلظت کلرید روی بر عملکرد جذب کربن فعال غلظت کلرید روی به ترتیب 20٪، 30٪، 40٪، 50٪، 60٪، 70٪، تحت شرایط دمای کربنیزاسیون 200٪ بود. زمان کربونیزاسیون 2 ساعت و نسبت 1: 10 تا 10 درصد اسید کلریدریک است. تأثیر نسبت مایع بر عملکرد جذب کربن فعال تحت شرایط دمای خشک کردن 200 درجه، زمان خشک کردن 2 ساعت، 40٪ کلرید روی و 10٪ اسید هیدروکلر نسبت ماده به مایع 1: 1، 1: 3، 1: 5، 1:10، 1:15، 1:17 بود.

نتیجه گیری پوسته گردو علاوه بر ناخالصی ها پس از خشک شدن و کسر جرمی 50 درصد با محلول کلرید روی با نسبت 1: 1.5 ماده به مایع، به مدت 24 ساعت کاملاً هم زده شد و مواد اولیه آغشته شده را به یک کوره انتقال داده شده و در کوره در دمای 300 درجه به مدت 90 دقیقه قرار داده می شود. سپس کربن فعال پوسته گردو با اسید کلریدریک 10 درصد و آب مقطر شسته شد تا کربن فعال آماده شود.در این آزمایش کربن فعال حاصل از پوست گردو مقدار جذب ید 1062 mg/g، سطح ویژه 652 m2/g و متوسط شعاع منافذ 1.4 نانومتر بود. هنگامی که مقدار کربن فعال 0.1 گرم باشد، مقدار pH فاضلاب 3، زمان تماس جذب 1 ساعت و ظرفیت جذب تا  48 باشد.

بررسی تولید کربن فعال دانه‌ای از پوست گردو و ویژگی‌های جذب آن برای یون مس (2+)

بر اساس تحقیقات انجام شده تولید کربن فعال دانه‌ای با فعال‌سازی شیمیایی با استفاده از پوسته گردو به عنوان ماده اولیه تمام ویژگی های حرارتی پوست گردو با استفاده از TG/DTA و ظرفیت جذب کربن فعال تولیدی با استفاده از روش تیتراسیون مورد بررسی قرار گرفت.  در این ازمایش با افزایش دمای فعال سازی، مقدار ید افزایش یافت. با این حال، دمای بالاتر از 400 درجه سانتیگراد منجر به تخریب حرارتی شد که با تجزیه و تحلیل میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) اثبات شد و ظرفیت جذب کاهش یافت. در این تحقیق فعال سازی بیش از 1 ساعت در دمای 375 درجه سانتیگراد منجر به تخریب ساختار ریز متخلخل کربن فعال شد. همچنین، با افزایش غلظت محلول روی، مقدار ید افزایش یافت. با این حال، ZnCl2 بیش از حد در محلول باعث کاهش مقدار ید شد. میزان فعال‌سازی توسط ZnCl2 با فعال‌سازی CaCl2 مقایسه شد. زمانی که پوسته گردو توسط ZnCl2 فعال شد، فعال‌سازی پیشرفته به دست آمد. کاربرد کربن فعال به عنوان جاذب برای فاضلاب مس مصنوعی مورد بررسی قرار گرفت. در این آزمایش مشخص شد جذب یون مس از مدل فروندلیچ پیروی می کند. علاوه بر این، جنبه های ترمودینامیکی جذب بر اساس نتایج تجربی مورد بررسی قرار گرفت. جالب است بدانید ظرفیت جذب کربن فعال تولید شده در چنین شرایطی توانست نیازهای بازار را پاسخگو باشد. از طرفی این آزمایش ها نشان داد تهیه کربن فعال از پوسته گردو  نسبت به کربن فعال از پوسته نارگیل برتری دارد.

در این کار، تهیه شیمیایی کربن فعال ( AC ) با استفاده از پوسته گردو ( WS ) و ضایعات پلاستیکی (عمدتاً شامل پلی اتیلن، پلی پروپیلن و پلی استایرن) به عنوان مواد اولیه و فعال‌کننده‌های شیمیایی (KOH و NaOH) در بستر ثابت مورد بررسی قرار گرفت. راکتور تجزیه و تحلیل حرارتی (TG) (TGA) برای کربن کردن WS همراه با زباله های پلاستیکی استفاده شد . علاوه بر این، روش Brunauer-Emmett-Teller (BET)، FTIR، جذب رنگ، تعداد ید و آزمایش‌های SEM برای مشخص کردن AC به‌دست‌آمده استفاده شد . نتایج نشان داد که ضایعات پلی الفینیک به عنوان عایق عمل کرده و انرژی رسیدن به ذرات WS را تا حد معینی کنترل می کند. علاوه بر این، محصولات تجزیه در اثر حرارت پلاستیک‌ها مانند استایرن و الفین‌های سبک با ساختار ناپایدار WS واکنش دادند و واکنش‌های ثانویه را در طول فرآیند کربن‌سازی تشدید کردند. واکنش های ثانویه منجر به ایجاد ساختارهای جدیدی شد که به وضوح در طیف FTIR قابل مشاهده بودند. همچنین، نتایج نشان داد که مشارکت پلاستیک در واکنش‌های ثانویه منجر به افزایش تولید AC شده است . علاوه بر این، در طی فرآیند فعال سازی، پلاستیک ها منجر به افزایش قابل توجهی در سطح و حجم منافذ شده اند. منحنی تخریب WS همراه با زباله های پلاستیکی نشان داد که پلاستیک ها تخریب WS را کاهش داده اند ، همانطور که با شیب نمودار تخریب به وضوح کاهش یافته است.

منابع:

https://link.springer.com/article/10.1007/s10973-023-12364-1

https://pubs.aip.org/aip/acp/article-pdf/doi/10.1063/1.4982428/7613525/020063_1_online.pdf

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11489530/