تولید کربن فعال از پوست پسته چگونه است؟ پوست پسته با فعال سازی شیمیایی با استفاده از کلرید روی در شرایط اتمسفر نیتروژن و خلاء تولید می شوند که کربن فعال پایه پوست پسته در این شرایط دارای ساختاری با منافذ بالا و به خوبی توسعه‌ یافته می باشد. شرایط خلا برای فعال سازی کربن پایه پسته بهتر از کربن فعال در جو نیتروژن است. چند ویژگی مهم دیگر از جمله نسبت اشباع، دمای فعال سازی و زمان نگهداری می توانند بر میزان جذب و تخلخل کربن فعال تاثیر بسزایی داشته باشند. در شرایط آزمایش کربن فعال پایه پسته با نسبت اشباع 0.75، دمای فعال‌سازی 400 درجه سانتی‌گراد و زمان نگهداری 1 ساعت دارای سطح BET ، 1635.37 و 1647.16 m2/g به ترتیب در شرایط اتمسفر نیتروژن و خلا می باشد. اما اگر نسبت اشباع به ZnCl2 1.5، دمای کوره 500 درجه سانتیگراد، و زمان نگهداری 2 ساعت برسد تولید کربن فعال پوست پسته در شرایط خلا دارای سطح BET 2527 متر مربع بر گرم  خواهد بود.

برای تجهیزات تولید کربن فعال از پوست پسته استفاده از راکتورهای بستر فواره دار به جای استفاده از راکتورهای بستر ثابت عملکرد بهتری دارند. راکتورهای بستر فواره‌ دار تجهیزات مناسبی برای انجام هر دو مرحله کربن‌ سازی و گازی سازی هستند. زیرا می توانند اختلاط عالی و نرخ گردش بالای مواد در یک بستر فواره‌دار  را فراهم کنند.

 کربن فعال پایه پسته

یکی از مشکلات مهم زیست محیطی که باعث بر هم زدن تعادل بیولوژیکی می شود وجود ترکیبات آلی و سمی در آب ناشی از انواع مختلف فرآیندهای طبیعی، بارش، رواناب سطحی، پسماند و فاضلاب صنعتی و شهری است. اما مهم ترین معضل در این زمینه این است که این ترکیبات آلی با محصولات جانبی ضد عفونی مانند کلر و مشتقات آن واکنش نشان می دهند و مواد سمی تولید می کنند. با توجه به اینکه مشکلات فاضلاب به ویژه در صنایع غذایی، کارخانه‌های پتروشیمی، چرم‌ سازی‌ها، کارخانه‌های خمیر کاغذ، لبنیات و کارخانه‌های قند اهمیت زیادی دارند و به عنوان یک تهدید کننده بزرگ بشمار می آیند. باید شما آگاهی کامل از پارامترهای کمی و کیفی فاضلاب را داشته باشید تا بتوانید درجه تصفیه لازم را تعیین کنید. به عنوان مثال هر فاضلاب و پسماندی می تواند از ترکیبات آلی متفاوت تشکیل شده باشد از جمله پروتئین ها، کربوهیدرات ها، چربی ها، روغن ها، رزین ها، رنگ ها، فنل ها، فرآورده های نفتی، شوینده ها، آفت کش ها و پلیمرهای مصنوعی که هر کدام روش های خاصی برای خنثی سازی دارند. در فرآیندهای تصفیه فاضلاب انواع روش های مکانیکی، شیمیایی، بیولوژیکی، ترکیبی و گندزدایی وجود دارند. اغلب تصفیه فاضلاب شامل چهار مرحله است: مکانیکی، بیولوژیکی، حذف ترکیبات بیوژنیک و مرحله تجدید آب می باشد. اما ممکن است در پایان برخی از مواد تجزیه ناپذیر در آب باقی بمانند که آنها را می توان از طریق کربن فعال جذب کرد.

تولید کربن فعال می تواند از پسماندهای کشاورزی باشد. به عنوان مثال تولید کربن فعال از پوست گردو ، کربن فعال از پوست فندق ، نارگیل و هسته میوه ها و … همگی می توانند علاوه بر قیمت مناسب باعث پایداری محیط زیست شوند.

مهم ترین نکته ای که می تواند کربن فعال را به عنوان یک جاذب همه کاره و موثر از ترکیبات آلی و معدنی با ساختار و اندازه مولکول های مختلف تبدیل کند نوع سطح کربن و میزان تخلخل مناسب آن است. کربن فعال پایه پسته که در اثر حرارت و فعال سازی فیزیکی با استفاده از CO 2 یا بخار و یا از طریق فعال سازی شیمیایی با استفاده از NaOH , NH 4 NO 3 , H 2 SO 4 یا HCl تهیه می شود. ثابت کرده به عنوان یک جاذب موثر برای انواع آلاینده های آلی و معدنی می تواند عملکرد خوبی داشته باشد. کربن فعال پایه پوست پسته به عنوان نوعی قابلیت حذف NO 2 و H2S ، SO2  ، VOCs، رنگ‌ های آلی ، ترکیبات فنلی ، پارابن‌ ها ، ترکیبات داروسازی، سیانید، یون های فلزات سنگین ، یون های فلزات واسطه و موارد دیگر را دارند.

فعال سازی کربن فعال پایه پوست پسته

برای فعال سازی کربن پایه پوسته پسته از طریق فعال سازی فیزیکی و شیمیایی می توان اقدام کرد. طبق مطالعات انجام شده فعال سازی فیزیکی و شیمیایی پوسته پسته به طور قابل توجهی درصد سهم کربن و سایر عناصر آن را نسبت به قبل از فعال سازی تغییر می دهد. طبق این تحقیقات مشخص شد کربن تهیه شده از پوسته پسته با فعال سازی فیزیکی با کربن تهیه شده از فعال سازی شیمیایی بسیار متفاوت است که همین میزان تفاوت باعث تفاوت در واکنش بین زیست توده و CO 2 یا H 3 PO 4 می شود. روش فعال سازی شیمیایی کربن فعال پوسته پسته به صورت قابل توجه محتوای مواد افزودنی معدنی در ساختار کربن کربن را افزایش می دهد. این مساله در فعال سازی شیمیایی با استفاده از اسید اورتوفسفریک بسیار بیشتر بود.

مهم ترین نکته ای که در فعال سازی متفاوت وجود دارد این است که کربن های فعال پایه پوست پسته در فعال سازی متفاوت (فیزیکی- شیمیایی) حاوی گروه‌هایی از هر دو ماهیت اسیدی و بازی هستند اما نسبت متقابل آنها بسته به نوع فعال سازی متفاوت است. در این بین، کربن فعال پایه پوسته پسته با فعال سازی شیمیایی حاوی بیش از 13 برابر گروه های اسیدی بیشتر از گروه های بازی هستند. دقت کنید گاز دی اکسید کربن در ترکیب با دمای فعال سازی بالا (800 درجه سانتیگراد) برای تولید گروه های پایه مفید است این در حالی است که اسید اورتوفسفریک به عنوان عامل فعال کننده در دمای بسیار پایین تر (معمولاً 500 تا 600 درجه سانتیگراد) باعث تشکیل سطح اسیدی می شود.

ساختار کربن فعال پوسته پسته

ساختار کربن فعال از پوست پسته بر اساس نوع فعال سازی متفاوت است. در فعال سازی فیزیکی ساختار کربن فعال از نظر تخلخل چندان نتیجه بخش نبود. در این روش مساحت سطح نمونه فقط 31 متر مربع بر گرم و حجم کل منافذ 0.059 سانتی متر مکعب بر گرم بود. این مساله به خوبی نشان میدهد کربن های فعال شده حاصل از فرآیند فیزیکی مقادیر کمی مزوپورها رابه شکل درشت منافذ دارند. این در حالی است که ساختار کربن فعال پوسته پسته با فعال سازی شیمیایی با H 3 PO 4 یک روش بسیار موثر برای تولید ساختار متخلخل با سطح BET که فراتر از 1200 متر مربع در گرم فراتر می رود و حجم کل منافذ تقریباً به 1.4 سانتی متر مکعب برگرم می رسد. این مساله نشان می دهد فعال سازی با اسید اورتوفسفریک باعث ایجاد منافذ ریز و مزوپورهای کوچک در ساختار کربن می شود که آن را برای اهداف جذب عالی و ایده آل می کند.

توزیع اندازه منافذ در زغال فعال پایه پسته

توزیع اندازه منافذ در زغال فعال پایه پسته به روش های فعال سازی وابسته است. زمانیکه پوسته پسته در فعال سازی فیزیکی قرار می گیردعملاً حالت صاف و دارای منافذ تصادفی کمتر است. این در حالی است که در روش فعال سازی شیمیایی زغال فعال پایه پسته دارای منافذ بیشتر و متخلخل تر هستند. به بیان ساده تر در روش شیمیایی زغال فعال پوست پسته از نظر تعداد، اندازه منافذ، شکل و چیدمان سوراخ ها و شکاف ها تفاوت قابل توجهی نسبت به نمونه های دیگر داشتند.

میزان جذب ید و متیلن بلو در کربن فعال پوسته پسته

میزان جذب ید و متیلن بلو در کربن فعال پوسته پسته مورد بررسی قرار گرفت. عدد ید به عنوان معیاری به منظور میزان حذف ناخالصی ها با اندازه مولکول کوچک از محیط آبی مورد استفاده قرار می گیرد. با توجه به تحقیقات انجام شده مشخص شد کربن پایه پسته حاصل از فعال سازی شیمیایی پتانسیل بیشتری برای حذف ناخالصی های مولکولی کوچک (قطر نزدیک به 2 نانومتر) از فاز مایع نسبت به محصول فعال‌سازی فیزیکی مستقیم دارد. این مساله را می توان به دلیل ساختار متخلخل و منافذ توسعه یافته دانست.

مقایسه کربن فعال پایه پوست پسته با کربن فعال تجاری

بر اساس مقایسه جذب ید که بر حسب [mg/g] برای کربن فعال پوست پسته با کربن های فعال تجاری  مشخص شد عملکرد جذب ید زغال فعال پایه پوسته پسته قابل رقابت و یا حتی بهتر از عملکرد کربن های تجاری بازار شناخته شد. تعداد ید در کربن فعال پوسته پسته بین 800 تا 1000 میلی‌گرم در گرم برآورد شده است. علاوه بر این، توانایی جذب زغال فعال پوست پسته برای حذف رنگ‌ های آلی از محلول‌های آبی بر اساس حذف متیلن بلو که یک رنگ تیازین مصنوعی با ویژگی کاتیونی است عالی بود. نتایج بدست آمده کربن فعال پوسته پسته به روش شیمیایی قادر به جذب 183.11 میلی گرم متیلن بلو در هر گرم و کربن فعال پوسته پسته به روش فیزیکی قادر به جذب 9.04 میلی گرم متیلن بلو در هر گرم بود.

اثر ph و دما برای زغال فعال پایه پسته

یکی از فاکتورهایی که بر راندمان حذف متیلن بلو از محلول های آبی تاثیر می گذارد میزان PH می باشد. افزایش PH منجر به بهبود ظرفیت جذب می شود که در PH برابر 10 این میزان به حداکثر می رسد. طبق آزمایشات انجام شده در PH بین 4 به 6 راندمان حذف متیلن بلو کاهش پیدا می کند. این در حالی است که PH بین 6 تا 10 باعث افزایش راندمان حذف رنگ در فاز مایع شد. همچنین، میزان جذب متیلن بلو به دمای سیستم نیز بستگی دارد. طی آزمایشی زغال فعال پوست پسته با فعال سازی فیزیکی و شیمیایی در دمای مختلف مورد بررسی قرار گرفتند. ظرفیت جذب در دمای 20 درجه سانتیگراد و 40 درجه سانتیگراد تنها 0.7 میلی گرم بر گرم متفاوت بود. زغال فعال پوسته پسته حاصل از فعال سازی شیمیایی با افزایش دمای 30 درجه سانتی گراد منجر به بهبود جزئی در ظرفیت جذب به میزان 3.5 میلی گرم در گرم شد. این مساله با افزایش بیشتر دما (40 درجه سانتی گراد) با اثر معکوس روبرو شد.

میزان جذب پلیمر پلی (اسید اکریلیک) در کربن فعال پوسته پسته

مقادیر جذب شده PAA در مورد مواد کربنی با فعال سازی شیمیایی در pH 6 و در دمای 25 درجه سانتی گراد به صورت قابل توجهی افزایش یافت. با توجه به اینکه در pH 6 گروه های کربوکسیل پلیمری عملاً تفکیک می شوند و در چنین شرایط pH با سطح فعال سازی شیمیایی حذف و با سطح فعال سازی فیزیکی جذب می شوند. در کربن پایه پسته نیروهای الکترواستاتیک به دلیل برهمکنش های شیمیایی می توانند مسئول اتصال پلیمر با گروه های سطح جامد باشند. در چنین سیستمی، پیوندهای هیدروژنی نیز می توانند تشکیل شوند. در مورد سطح کربن فعال شیمیایی با بار منفی، ساختار لایه جذب PAA با بسته بندی بزرگتر ماکرومولکول های جذب شده به صورت عمود بر سطح جامد مشخص می شود که در سطح جذب بالاتر آشکار می شود. به صورت کلی ایزوترم های جذب و سینتیک جذب پلی (اکریلیک اسید) روی سطح کربن فعال شده در pH 6 و در دمای 25 درجه سانتی گراد (غلظت اولیه پلیمر برای مطالعات سینتیکی 200 ppm بود).

تغییرات ساختاری ماکرومولکول های پلیمریمی تواند بر اثر تغییرات دما اتفاق بیفتد. قطر هیدرودینامیکی زنجیره های پلیمر در محلول با pH 6 از 2.7 نانومتر در دمای 25 درجه سانتی گراد به 3.1 نانومتر در دمای 35 درجه سانتی گراد تغییر می کند. این دلیل اصلی کاهش جذب PAA است که با افزایش دما بین 25 تا 35 درجه سانتیگراد انجام می شود. با افزایش ابعاد خطی مولکول‌های پلی (اسید اکریلیک) آنها در داخل منافذ جذب محدودی دارند و تنها می توانند در سطوح بیرونی ذرات کربن فعال قرار بگیرند. با توجه به آزمایشات و تحقیقات انجام شده مشخص شد تولید کربن فعال از پوست پسته گزینه مناسبی برای جذب الاینده های آلی و معدنی از فاز مایع و محلول های آبی است. همچنین ظرفیت جذب پلی (اکریلیک اسید) بسیار عالی است. این موضوع برای کربن فعال پوسته پسته با فعال سازی شیمیایی نتیج بهتری داشت.

بررسی قیمت

توجه داشته باشید قیمت کربن فعال خوراکی به دلیل استفاده از پسماندهای کشاورزی قیمت ارزان تری نسبت به کربن فعال تجاری در بازار دارد. این در حالی است که ثابت شده در بسیاری از کاربردهای تصفیه آب، کربن فعال پوسته پسته موثرتر عمل کرده است. برای اینکه شما بتوانید کربن فعال خالص و با کیفیت بخرید لازم است نکات مهمی را قبل از خرید در نظر داشته باشید.

نتیجه گیری:

تحقیقات مختلف نشان داده که زباله های زیست محیطی و کشاورزی به عنوان یک ماده ارزان و قابل تجدید می توانند برای تولید کربن فعال مورد استفاده قرار بگیرند. یکی از این زباله های کشاورزی استفاده از پوست پسته و فعال سازی آن به روش فیزیکی و شیمیایی برای ایجاد ساختار متخلخل ، ریز منافذ و مزوپورهای کوچک است. طبق این تحقیقات مشخص شد فرایند فعال سازی شیمیایی ظرفیت جذب و ساختار متخلخل بهتری برای کربن فعال پایه پسته ارائه می دهد. همچنین، جاذب بسیار مؤثرتری در رابطه با همه آلاینده‌های آزمایش‌شده با ساختار شیمیایی و اندازه‌های مولکولی مختلف است. در طی این تحقیقات مشخص شد که کارایی حذف ناخالصی های آلی از محلول های آبی (به ویژه پلیمرهای خاص) به طور قابل توجهی به pH و دمای سیستم جاذب بستگی دارد.

منابع: sciencedirect.com –  mdpi.com