تهیه کربن فعال از پودر قهوه و ارزیابی کارایی جذب آنها در این پست مورد بررسی قرار گرفته است. ضایعات قهوه می توانند به عنوان یک جاذب کم هزینه و قابل رقابت با کربن های تجاری محسوب شوند. این نمونه از کربن فعال خوراکی تاکنون مورد تحقیقات بسیار قرار گرفته است. طبق تحقیقات انجام شده تهیه کربن فعال از تفاله قهوه مصرف شده و پوسته آن نشان داده که ظرفیت جذب آنها برای اسیدهای آلی، ترکیبات فنلی و پروتئین‌ها بسیار قابل توجه است. هم دانه های قهوه مصرف شده (تفاله) و هم پوست آنها پس از کلسینه کردن و شستشو بازدهی حدود 9.0٪ را نشان دادند. جذب اسید لاکتیک در pH 2 بهینه بود. حداکثر ظرفیت جذب اسید لاکتیک با کربن فعال گرانول تجاری استاندارد 73.78 میلی گرم بر گرم بود، در حالی که مقادیر 32.33 و 14.73 میلی گرم در گرم برای پوست ثبت شد و مصرف شد. تفاله قهوه به ترتیب کربن های فعال است. ایزوترم لانگمویر نشان داد که اسید لاکتیک به صورت تک لایه جذب شده و به طور همگن روی سطح توزیع شده است. حدود 50٪ از کل فنل ها و محتوای پروتئین از تفاله قهوه پس از تصفیه با کربن فعال آماده شده جذب شد، در حالی که 44، 43 و تا 84٪ از ترکیبات آبگریز به ترتیب با استفاده از پوست، پودر قهوه مصرف شده و کربن فعال تجاری حذف شدند. راندمان جذب ترکیبات آبدوست بین 13 تا 48 درصد بود. در نهایت، این تحقیقات و نتایج ارزش‌گذاری بالقوه پوسته محصولات جانبی قهوه و پودر قهوه مصرف شده را به کربن فعال و استفاده از آنها به عنوان جاذب ارزان قیمت برای حذف ترکیبات آلی از محلول‌های آبی را نشان داد.

نحوه تهیه کربن فعال از قهوه

تفاله‌های قهوه، منبعی عالی برای تهیه کربن فعال هستند. این تفاله‌ها شامل باقیمانده‌های قهوه هستند که پس از استخراج قهوه از دانه‌ها به وجود می‌آیند. برای تهیه کربن فعال از تفاله‌های قهوه، مراحل زیر را باید انجام شود که عبارتند از:

• جمع‌آوری تفاله‌های قهوه: تفاله‌های قهوه از فرآیند استخراج دانه های قهوه جمع‌آوری می شوند. این تفاله‌ها ممکن است حاوی روغن‌ها، مواد گیاهی، و قهوه‌ی باقی‌مانده باشند که منجر به تولید کربن فعال می‌شوند.
• خشک کردن تفاله‌های قهوه: در مرحله بعدی باید این تفاله‌ها را به صورتی که تر و رطوبت کمی داشته باشند، خشک کنید. این مرحله مهم است زیرا رطوبت می‌توانند در مراحل بعدی تولید کربن فعال مشکل‌ساز باشد.
• کربن‌سازی: در مرحله بعدی لازم است تفاله‌های خشک شده را در یک محیط بدون هوا (به عنوان مثال، در یک کوره یا سیستمی که اکسیژن از آن حذف شده باشد) با دمای بالا (حدود ۶۰۰-۸۰۰ درجه سانتیگراد) قرار دهید. این فرآیند به نام “کربن‌سازی” یا “پایتالیز” شناخته می‌شود. در این دما، تفاله‌های قهوه کربنیزه شده و به کربن فعال تبدیل می شوند.
• خنثی کردن و شستشو: در مرحله آخر لازم است کربن فعال تولید شده را از دمای بالا بیرون بیاورید و آن را خنثی کنید تا فرایند کربن‌سازی متوقف شود. سپس آن را با آب شستشو دهید تا هر گونه ذرات باقی‌مانده یا مواد غیرمطلوب دیگر از آن جدا شوند.

نکته مهم:

این فرآیند به دقت و ایمنی بالا نیاز دارد، زیرا کربن‌سازی در دمای بالا می‌تواند خطرناک باشد. برای تولید کربن فعال از تفاله‌های قهوه، بهتر است از روش‌ها و دستگاه‌های مناسب و با رعایت قوانین ایمنی باید استفاده کرد.

کربن های فعال از مواد مختلف تهیه می شوند. منشا گیاهی یا معدنی آنتراسیت، کک نفتی، زغال سنگ و مواد زائد از طبیعت لیگنوسلولزی مانند چوب، پوست گردو، نارگیل یا بادام اغلب به عنوان ماده اولیه استفاده می شود. به هر حال، هر ماده کربنی می تواند مناسب باشد. جاذب خوب است اما برای استفاده تجاری باید برخی از الزامات را برآورده کند:

• در دسترس بودن خوب
• هزینه کم
• کربن فعال حاصل همه نوع کاربردها را برآورده می کند
• ماده اولیه آمورف است و ساختار متخلخل در طول دوره به دست می آید
• فعال سازی ترکیب مواد دیگر خواص مواد را مشخص می کند

کربن به دست آمده از پوسته نارگیل دارای چگالی بالاتر و اندازه منافذ بهتر است. توزیع باریک تر، که این زغال سنگ ها را برای جذب ذغال های کوچک مناسب تر می کند.مولکول ها، در کاربردهای تصفیه گاز مفید هستند.

خواص اصلی کربن های فعال تولید شده از مواد لیگنوسلولزی عبارتند از:

•  پایداری در دمای بالا
• مقاومت در برابر حمله اسید
• کمی آبدوست
•  استحکام مکانیکی قابل توجه
• هزینه اقتصادی پایین به دلیل فراوانی مواد اولیه

به همین دلیل، این پروژه با هدف بررسی قابلیت تولید فعال شده است.کربن حاصل از تفاله قهوه، ضایعات لیگنوسلولزی که از دانه های قهوه به دست می آید که دانه میوه ای گیلاس مانند است. درختان قهوه گیلاس قهوه تولید می کنند که اینها هستند از پوست بیرونی، اگزوکارپ و پوست داخلی به نام مزوکارپ تشکیل شده است. لوبیاها در پوسته ای به نام اندوکارپ پوشانده می شوند.مزارع درخت قهوه عمدتاً در کشورهای گرمسیری واقع شده است که صادرات قهوه را صادر می کنند. قهوه به کشورهای دیگر پس از فرآیندی به نام پوسته کردن، برای حذف نامطلوب استفاده می شود.ترکیباتی به عنوان اگزوکارپ قبل از فرآیند برشته کردن، لازم است آن را حذف کنید. اندورکارپ، همچنین به عنوان پیش ماده برای تهیه کربن فعال استفاده می شود. پس از دم کشیدن قهوه، باقیمانده آن تولید می شود. معمولاً به آن می گویند،تفاله های قهوه، که دارای محتوای طولانی کربن تقریباً حدود 50٪ هستند و بنابراین پیش ساز مناسبی برای به دست آوردن کربن فعال است. تجزیه و تحلیل عنصری از مواد لیگنوسلولزی اصلی ترکیب مشابهی را نشان دادند: 49٪ C، 6٪ H، 0.2٪ N و در طی کربنیزاسیون بیشتر هیدروژن و اکسیژن از بین می رود.

توجه داشته باشید بازده کربن برحسب (٪) به دست آمده توسط فعال سازی شیمیایی حدود 35-50٪ است به جز نمونه ای که در دمای 600 درجه سانتیگراد سوزانده شد و عملکرد غیر معمول بالای 60.59% را نشان داد.
از سوی دیگر، بازده به دست آمده توسط فعال سازی فیزیکی (12-18٪) کمتر از آنهایی که با فعال سازی شیمیایی به دست می آیند. بازده کربن تمایل زیادی به افزایش مربوطه نشان نمی دهد، زیرا غلظت اسید فسفریک بالاتر می رود با این حال، نمونه های آغشته به محلول 50 درصد نشان می دهد. عملکرد بالاتر در مقایسه با مقادیر به دست آمده از نمونه ها در غلظت های مختلف در همان دمای کربن سازی ، برای نمونه های 30 ٪ و 40 ٪ بسیار مشابه بود. بازده بالاتر دوم با نمونه CA_5_700 با بالاترین دمای غلظت و فعال سازی و نمونه CA_3_600 زیاد غیرمعمول را نشان می دهد. بازده برای این غلظت جدول 3.2 مقادیر مشترک عملکرد کربن ، محتوای فرار ، چگالی و
درصد خاکستر برای مواد شروع مختلف مورد استفاده به عنوان پیش ساز مفید است.

فعال سازی شیمیایی و فیزیکی دمای فعال سازی و زمان فعال سازی هستند. عواملی که نقش مرتبطی با خواص کربن حاصل دارند. در این مطالعه کربن های فعال در دماهای مختلف با حفظ زمان تولید شده‌اند دو ساعت برای فعال سازی بخار و یک ساعت برای فعال سازی شیمیایی. کربن های فعال تولید شده از باقی مانده های قهوه فعال شده در دمای 500 درجه سانتی گراد نشان می دهد که غلظت ریز متخلخل بیشتر باعث کاهش حجم و به نفع تشکیل مزوپور به دلیل افزایش حجم منافذ کل است.دما، به دلیل 50٪ نتایج برای تمام دماهای فعال سازی و برای 40% افزایش حجم ریز منافذ از 500 درجه سانتیگراد به 600 درجه سانتیگراد وجود دارد اما کاهش می یابد.
افزایش دما تا 700 درجه سانتیگراد با در نظر گرفتن دما به عنوان عاملی در حجم منافذ می توان متوجه شد که نمونه های آغشته به محلول های اسید فسفریک 40 و 50 درصد، افزایش فعال سازی دارند که با افزایش دما از 500 درجه سانتیگراد به 600 درجه سانتیگراد و با افزایش دما کاهش می یابد.

کربن‌های فعال تولید شده برای غلظت‌های 40 درصد بیشترین منافذ کل را گزارش کردند.حجم ریز منافذ نیز نتایج بالایی را نشان می دهند. با این حال، نمونه های آغشته به محلول آبی 30 درصد حجم کل منافذ غیرمعمول بسیار کم را نشان می دهد.

نتیجه گیری:

استفاده از بقایای قهوه برای تولید کربن فعال به عنوان یک پیش ساز خوب ثابت می شود. نتایج متفاوتی نسبت به روش فعال سازی به کار گرفته شده نشان داد. کربن های فعال با فعال سازی فیزیکی با استفاده از بخار (گاز اکسید کننده) و توسط مواد شیمیایی با فعال سازی با استفاده از اسید فسفریک مورد ارزیابی قرار گرفتند.
خواص کربن فعال در فعال سازی بخار به منظور حذف همه کار می کند. این در حالی است که مواد نامطلوب در فرآیند مواد شیمیایی سعی در پیوند و ایجاد پیوند بین کربن دارند. علاوه بر این، برهمکنش اسید فسفریک و ترکیبات باقیمانده قهوه نشان داده شد که درصد فرار برای نمونه‌های تیمار شده با بخار افت زیادی دارد در مقایسه با آنهایی که با مواد شیمیایی آغشته شده اند.در این مطالعه غلظت فعال سازی شیمیایی، حرارتی و فیزیکی انجام شده است به عنوان عوامل اصلی در نظر گرفته می شود. به طور کلی، افزایش دمای فعال سازی و غلظت شیمیایی (از 40٪ تا 50٪) نیز بر روی بازده کربن تغییر ایجاد میکند.این مساله به دلیل پیوندهای فسفات ایجاد شده در مرحله فعال سازی است. نمونه های درمان شده توسط بخار با افزایش دما کاهش عملکرد را نشان داد.واکنش پذیری آب در دماهای بالا برای همه نمونه‌ها رابطه‌ای بین سطح BET و حجم منافذ را نشان دادند.
علاوه براین، افزایش غلظت از 30٪ به 40٪ باعث افزایش در حجم کل منافذ شد. سطح BET اما برای 50 درصد نمونه ها به دلیل عمل اسید فسفریک کاهش یافت.
در این تحقیقاتبهترین نتایج در دمای 600 درجه سانتی گراد برای تمام غلظت ها نشان داده شد. همچنین، بر روی فعال سازی شیمیایی نتایج جذب متفاوتی با در نظر گرفتن میزان به دست آمد که در آن غلظت اسید فسفریک؛ غلظت های پایین (30 درصد) کمترین سطوح را نشان دادند و حجم جذب و غلبه درشت منافذ وجود داشت.با توجه به تحقیقات انجام شده با محلول اسید فسفریک 40 درصد بهترین نتایج گرفته شد که منجر به تخلخل بالاتر شد و ظرفیت های جذب این نمونه ها بیشترین حجم جذب را نشان دادند.

منابع:

diva-portal.org/smash/get/diva2:414291/FULLTEXT01.pdf

mdpi.com