کربن فعال پایه فندق نوعی کربن فعال است که از پوسته فندق بر اساس اصلاح شیمیایی یا به اصطلاح فعال سازی بدست می آید. تولید سالانه فندق در سال 2019 تا 2020 حدود 528070 تن بوده که تقریباً 67 درصد آن (یعنی 353897 تن) پوسته است. پوسته فندوق اغلب به عنوان یک ماده برای سوخت های حرارتی مورد استفاده قرار می گیرد زیرا ارزش حرارتی آنها با چوب قابل مقایسه است. علاوه بر این، پوسته فندق ترکیبات مشابهی مانند چوب دارد. عمدتاً از پلیمرهای لیگنوسلولزی، لیگنین، سلولز و همی سلولز تشکیل شده است. در واقع پوسته فندق بدون فعال سازی به منظور جذب برخی از مواد مانند یون های مس از آب، حذف رنگ، کلروفنل ها موثر است. اما اگر پوسته فندوق را فعال سازی کنیم یا به اصطلاح ” کربن فعال پایه فندق ” داشته باشیم می توانیم موادی مانند سرب، کادمیوم، روی، مس، اورانیوم ، آرسنیک، کروم، متیلن بلو ، کریستال بنفش را حذف کنیم.

بر اساس مطالعات انجام شده امکان اصلاح پسماند ضایعات کشاورزی (یعنی پوسته فندق) مشخص شد که پوسته فندق می تواند به عنوان جاذب جایگزین و کم هزینه برای حذف نیترات از آب و فاضلاب عمل کند. جذب یون‌های نیترات روی پوسته فندق اصلاح‌شده (MHS) سریع بود و در تمام محلول‌های آبی آزمایش‌شده در عرض 60 دقیقه به تعادل رسید. جذب نیترات در محدوده وسیعی از pH (از 4 تا 10) کارآمد بود. طی این تحقیقات میزان جذب نیترات از پوسته فندق فعال شده بر اساس پارامترهای مختلف مانند غلظت اولیه جاذب، زمان تماس، غلظت اولیه نیترات و pH می تواند متغیر باشد.

نحوه فعال سازی پوسته فندق

پوسته فندق با فعال‌سازی شیمیایی توسط هیدروکسید سدیم در دمای 600 درجه سانتی‌گراد و در اتمسفر N2 تهیه می شود. در مرحله بعدی با روش‌ های هیدروترمال و هم‌ رسوبی با نانو ذرات مغناطیسی NiFe 2 O 4 ترکیب می شود. بر اساس تحقیقات، نانو ذرات NiFe 2 O 4 سنتز شده با روش گرماده دارای مغناطیس اشباع بالاتر و اندازه متوسط ​​ذرات کوچک‌ تر نسبت به نمونه‌های تولید شده با روش هم‌ رسوبی است. اندازه آنها با اندازه های اصلی یکسان بود. مغناطیس اشباع هیبریدها به دلیل وجود کربن فعال کمتر از نانو ذرات NiFe 2 O 4 اصلی بود. آنها رفتار سوپر پارامغناطیس را در دمای اتاق نشان دادند و به راحتی توسط یک آهنربای خارجی از محلول ها جدا شدند.به صورت کلی کربن‌های فعال تهیه‌ شده از ضایعات پوسته فندق با فعال‌سازی اسید فسفریک به منظور کاربردهای الکترود ابرخازن و آنالیز الکتروشیمیایی جامع مورد استفاده قرار می گیرند.

طبق این تحقیقات کربن فعال تهیه شده توسط H 3 PO 4 از پوسته فندق با یون های نقره برای تهیه نانوذرات پوشش داده شد که با استفاده از روش احیای شیمیایی در دو نسبت (1:0.5 و 1:1) مخلوط شدند. ظرفیت جذب کربن فعال توسط BET و عدد ید ثابت شده است. سپس اثر ضد میکروبی نانو ذرات بر روی استافیلوکوکوس اورئوس و اشریشیا کلی بررسی شد. همچنین مشخصه‌های کربن‌های فعال پوسته فندق و پوشش‌ داده‌ شده با نقره توسط Brunauer-Emmett-Teller (BET)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FT-IR) و پراش پرتو ایکس تعیین شد. روش های (XRD) شرایط بهینه کربن فعال از پوسته فندق نشان داد که محتوای کربن 66.01 درصد در بازده 36.22 درصد است، در حالی که سطح BET به 1208 متر مربع بر گرم و حاوی 0.6104 سانتی متر مکعب در گرم منافذ کل است. اثر میکروبی نشان داد که 105 CFU/mL E. coli به طور کامل در 30 دقیقه مهار شد. کربن فعال پوشش داده شده با نقره فعالیت باکتریواستاتیک بسیار خوبی را در برابر باکتری E. coli و S. aureus نشان داد. نتایج نشان می دهد که کامپوزیت چشم انداز خوبی برای کاربرد در آب آشامیدنی دارد. E. coli 104 CFU /ml در آب آشامیدنی در 25 دقیقه پس از تماس با فیلتر ساخته شده با AgAC از بین رفت.

به صورت کلی کربن فعال از ضایعات پوسته فندق با استفاده از یک فعال سازی شیمیایی تک مرحله ای نتیجه بهتری داشت. حاصل این فعال سازی کربن فعالی با سطح ویژه 1363 مترمربع در  گرم و حجم ریز منافذ 0.52 سانتی‌متر مکعب در لیتر بود. این کربن فعال برای تاثیر مغناطیس بر عملکرد خازن مورد استفاده قرار گرفت. نمونه های تولید شده از این فرآیند از نظر منافذ و میزان تخلخل با استفاده از ابزارها و تکنیک های مختلف از جمله ایزوترم‌های جذب- N2، طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه ، میکروسکوپ الکترونی روبشی، طیف‌سنجی پرتو ایکس پراکنده انرژی، طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس، رامان، و مغناطیس‌ سنج نمونه ارتعاشی مورد بررسی قرار گرفتند. همچنین، الکترودهای تهیه شده از این نوع کربن با استفاده از ابزارهایی مانند ولتامتری حلقوی، شارژ-تخلیه گالوانوستاتیک و طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی مورد بررسی قرار گرفتند.

مقادیر خازنی ویژه الکترود کربن فعال و الکترود کربن فعال مغناطیسی به ترتیب 247.8 Fg -1 و 76.23 Fg -1  در 0.75 Ag -1 بود. در این ارزیابی اگرچه توزیع جریان همگن تری برای کربن فعال مغناطیسی به دست آمد، ضریب عنصر فاز ثابت بالاتر کربن فعال، توانایی بالاتری در جذب یون های متحرک را نشان داد.  نتایج نشان دهنده عملکرد خازنی بالاتر الکترودهای کربن فعال برای کاربردهای انرژی است .

می‌توان متوجه شد که بالاترین مقادیر سطح ویژه (SBET) برای نمونه‌های کربن‌ شده در دمای 900 درجه سانتی‌ گراد یافت شد. مقادیر SBET HN900، WN900 و PN900 به ترتیب 1963 m²/g، 1468 m²/g و 1962 m²/g بود. علاوه بر این، SBET با افزایش دمای کربنیزاسیون افزایش یافت. دمای کربنیزاسیون نیز بر حجم ریز منفذ (Vmic) و حجم منافذ کل (Vtot) نمونه‌های بررسی‌شده تأثیر داشت. بیشترین مقادیر Vmic و Vtot برای نمونه های کربن شده در دمای 900 درجه سانتی گراد به دست آمد. مقادیر Vmic و Vtot به ترتیب در محدوده 0.22-0.68 cm³/g و 0.26-1.15 cm³/g بود.

نکته:

توجه داشته باشید اغلب کربن فعال خوراکی می تواند از پایه ضایعات کشاورزی از جمله فندق، گردو، نارگیل و … باشد. از این رو، کربن فعال پایه فندق بر اساس نوع فعال سازی و کاربرد می تواند برای مصارف خوراکی نیز استفاده شود. دقت داشته باشید همیشه خواص کربن فعال خوراکی مفید نیست و می تواند مضر نیز باشد.

اهمیت کربن فعال پایه پوسته فندق به عنوان خازن

مواد شبه خازنی می توانند ظرفیت و سرعت بالایی در خازن ها ارائه دهند. از این رو تلاش برای توسعه این مواد و استفاده از آنها برای ذخیره سازی انرژی اهمیت زیادی دارد. از این رو، الکترودهای مبتنی بر کربن فعال بارگذاری شده با آهن می تواند یک راهکار کارآمد برای ذخیره سازی بار شبه خازنی تقویت شده مورد استفاده قرار بگیرد. استفاده از این نوع کربن ها می تواند باعث افزایش انرژی و ذخیره سازی آن شود. علاوه بر کربن اکتیوهای تهیه شده از طریق فعال سازی شیمیایی، کربن های فعال مغناطیسی (MACs) نیز در کاربردهای مختلف الکتروشیمیایی نیز مورد استفاده قرار می گیرند.

طبق مطالعات انجام شده مشخص شد که اصلاح با اکسید آهن، ظرفیت ویژه نانوکامپوزیت را در مقایسه با کربن افزایش می‌دهد. الکترودهای تهیه شده از مخلوط نانوکامپوزیت، PVDF و کربن سیاه ظرفیت خاصی معادل 136 Fg -1  در 1 Ag- 1 در محلول سولفات سدیم 1-M نشان دادند. با این حال، روش مورد استفاده برای تهیه نانوذرات اکسید آهن/کربن دارای پیچیدگی‌هایی مانند روش‌های آماده‌سازی متعدد، تراکم نامطلوب، و کنترل توزیع اندازه ذرات است.

پوسته فندق یکی از ضایعات زیست توده کشاورزی است که به دلیل محتوای کربن واکنش پذیر بالا همراه با محتوای خاکستر، نیتروژن و گوگرد کمتر برای تولید AC مورد استفاده قرار می گیرد.

طبق مطالعات دقیق در زمینه فعال سازی شیمیایی پوسته فندق مشخص شد کربن فعال مبتنی بر پوسته فندق دارای ظرفیت جذب بالایی است، این مساله توسط تست های BET و عدد ید مورد بررسی قرار گرفت. همچنین دارای مساحت سطح بزرگ و حجم کل منافذ بیشتر، با مساحت سطح BET 1208 m2/g و حجم کل منافذ 0.6104 cm3 g-1 می باشد. همچنین، کربن فعال پوشیده شده با یون‌های نقره، فعالیت ضد میکروبی بسیار خوبی در برابر باکتری‌هایی مانند استافیلوکوکوس اورئوس و اشریشیا نشان می دهند  از این رو، کربن های فعال پوشیده با یون های نقره برای اهداف ضدعفونی در آب آشامیدنی مناسب هستند. علاوه بر این، نانوکامپوزیت‌های کربن فعال مبتنی بر پوسته فندق با اکسید زیرکونیوم، تعادل جذب سریع، ظرفیت جذب بالا و پایداری را در محدوده وسیعی از pH نشان می‌دهند که آنها را برای جذب داروهای دامپزشکی مانند 3-Nitro-4-hydroxy-phenylars مناسب می‌سازد. کربن فعال مبتنی بر پوسته فندق با اسید (NHPA)  به ماده‌ای تبدیل می شود که برای کاربردهای تصفیه آب، به‌ویژه در حذف آلاینده‌هایی مانند ترکیبات آلی، فلزات سنگین و میکروارگانیسم‌ها بسیار ایده آل است.

منبع: www.sciencedirect.com