ااگرچه رسيدن به خودكفايي در رفع نيازهاي داخلي همواره به عنوان يكي از مهمترين اهداف كشور مطرح بوده است، اما هنوز در بسياري از زمينه‌ها علي‌رغم تلاش‌هاي بسيار زيادي كه براي دستيابي به فناوري‌هاي نوين انجام شده است نيازمند كشورهاي ديگر هستيم.
كربن فعال بهداشتي يكي از مهمترين نيازهاي صنايع داخلي كشور است كه در گذشته فاقد فناوري توليد آن بوديم و نياز صنايع به اين ماده از طريق واردات تامين مي‌شد. با توجه به نياز كشور به توليد دانش محور توليد اين ماده مورد توجه قرار گرفت و دسترسي به دانش توليد و همچنين توليد اين ماده استراتژيك در عرصه تصفيه و فيلتراسيون محقق شد.
ثبت 2 اختراع، مقام‌هاي اول وسوم‌درمسابقه‌هاي كارآفريني كشوري به ميزباني دانشگاه تهران و دانشگاه صنعتي شريف، كسب استاندارد بهداشتي مربوط (FCC) و همچنين كسب رتبه اول پژوهش‌هاي كاربردي در نهمين جشنواره جوان خوارزمي نشان‌دهنده دانش‌محور بودن تحقيقات انجام شده در اين زمينه است كه استقبال صنايع مختلف قابليت‌هاي صنعتي اين محصول را نيز مورد تاييد قرار داده است.
كربن فعال در مقايسه با كربن معمولي از مساحت سطح داخلي، تخلخل و قابليت بيشتري براي جذب گازها و مايعات شيميايي برخوردار است. اين گروه از مواد به عنوان جاذب‌هاي حياتي در صنايع شناخته شده‌اند و با توجه به اين‌كه قابليت ويژه‌اي در جذب گازها و مايعات مزاحم دارند، در زمينه‌هاي مختلفي مورد استفاده قرار مي‌گيرند و ميتوان از آنها براي تصفيه و پاكسازي و حتي بازيافت مواد شيميايي استفاده كرد.
كربن فعال به دليل مساحت گسترده، ساختار منفذي، ظرفيت جذب بالا و قابليت فعال‌سازي مجدد سطح به عنوان يك ماده منحصر به فرد شناخته شده است و به دليل چنين ويژگي‌‌هاي منحصر به فرد و همچنين قيمت پايين در مقايسه با جاذب‌هاي غيرآلي مانند زئوليت، اهميت ويژه‌اي در صنايع مختلف دارد.
جداسازي بو، رنگ و مزه‌هاي غيردلخواه از آب در عمليات‌هاي خانگي و صنعتي، بازيافت حلال، تصفيه هوا بويژه در رستوران‌ها، صنايع غذايي و شيميايي از مهمترين زمينه‌هاي كاربرد اين ماده است. علاوه بر اين‌كه كربن فعال در تركيب با مواد غيرآلي به عنوان كاتاليست استفاده مي‌شود، در داروسازي نيز براي مبارزه با يك نوع باكتري خاص به كار مي‌رود و به عنوان جداكننده اسيد‌هاي آروماتيك از حلال در داخل اسيداستيك نيز ميتوان از آن استفاده كرد.
كربنهاي فعال‌شده محصولات پيچيده‌اي هستند و به همين دليل طبقه‌بندي آنها براساس رفتار، مشخصات سطح و روش آماده‌سازي اغلب مشكل خواهد بود. استاندارد جذب براي كربن فعال مورد استفاده جذب حدود 20 درصد وزني گاز GB يا سيانوژن كلرايد است.
اگر كربن فعال تازه و در معرض رطوبت قرار گرفته باشد، مي‌تواند تا 40 درصد وزني GB را جذب كند. تعداد زيادي از گازهاي سمي را ميتوان با گذراندن از كربن فعال‌شده از هوا جدا كرد.
اين ويژگي درخصوص مواد شيميايي با وزن مولكولي بالا مانند GB موثر است، اما گازهاي سبك مانند كربن يا سيانوژن كلرايد را نمي‌توان به راحتي ديگر گازها جدا كرد. براي مثال منواكسيد كربن يكي از موادي است كه به‌سختي ميتوان آن را به كمك كربن فعال جذب كرد.
اين در حالي است كه ميتوان با استفاده از تزريق يك سري از مواد شيميايي به كربن فعال، قابليت جذب اين گونه مواد را نيز در كربن فعال ايجاد كرده و قدرت بازدارندگي كربن فعال را افزايش داد. براي اين كار ميتوان از نمك‌هاي نقره، مس و كرم استفاده كرد.
همچنين فيلترهاي كربن فعال خاصيت جذب مواد آلي و بعضي از فلزات سنگين محلول در آب را دارند و رنگ، بو، كلر و تركيبات كلر را از آب جذب مي‌كنند. از آنجا كه بستر كربن فعال نيز مانند فيلترهاي زرين، محيط مناسبي را براي تغذيه و بستر باكتري‌ها به‌وجود خواهد آورد، گند‌زدايي و تصفيه ميكروبي از مراحل بعدي ضروري در تصفيه آب خواهد بود.
به گفته مهندس سيدميعاد صالحي، دانشجوي دكتري مهندسي مكانيك دانشگاه صنعتي شريف و مجري اين طرح، كربن فعال در مراحل تصفيه و فيلتراسيون صنايع مختلف مانند صنايع غذايي (روغن نباتي، قند و شكر و...)، صنايع آب و فاضلاب، صنايع فيلتراسيون هوا و صنايع دارويي مورد استفاده قرار مي‌گيرد و به همين علت به عنوان يك ماده استراتژيك در تصفيه و فيلتراسيون محسوب مي‌شود. مصرف سالانه اين ماده در كشور حدود 40 هزار تن برآورد شده است كه تقريبا به طور كامل از طريق واردات تامين مي‌شود.
اما در حال حاضر پس از انجام تحقيقات بسيار زياد در اين زمينه و كشف مسير فرآيند اين محصول توانسته‌ايم به فناوري برتر توليد اين ماده در كشور دست يابيم.
اساس تهيه كربن فعال داراي دو مرحله اصلي كربونيزاسيون و فعال‌سازي است. كربن فعال‌شده از پيروليز (تغيير شيميايي در اثر حرارت) مواد كربني از قبيل چوب، زغال‌سنگ و هسته ميوه‌ها با پليمرهاي مصنوعي از قبيل ريون، پلي‌اكريلونيتريل يا فنوليك به دست مي‌آيد و در مراحل بعدي تحت عمليات فعال‌سازي قرار مي‌گيرد.
پيروليز مواد كربني، بدون حضور هوا، باعث تخريب مولكول‌هاي غيرآلي مي‌شود كه يك ماده قيري‌شكل حاوي مواد گازدار خواهد بود و در نهايت يك جسم جامد كربني از آن ايجاد خواهد شد. جسم توليدشده داراي تعداد زيادي حفره‌هاي بزرگ و داراي سطح ويژه‌اي در حد چندين مترمربع بر گرم خواهد بود. از نظر اقتصادي ترجيحا موادي با كربن بالا و مواد آلي كم براي توليد كربن فعال شده انتخاب مي‌شود. ماده جامد تشكيل شده حاصل از عمليات پيروليز بايد دانسيته بالا داشته و داراي گازهاي فرار كافي باشد.
آزادسازي گازهاي فرار در مرحله پيروليز باعث ايجاد منافذي در كربن مي‌شود. دانسيته بالا باعث مي‌شود كربن از استحكام و ساختار محكمي برخوردار شود. چوب، زغال‌سنگ، سيگمنت (نوعي زغال‌سنگ)، پوست نارگيل و تورب مواد خامي هستند كه به ترتيب از نظر ظرفيت توليد كربن متخلخل، مشخصات نهايي و مقدار مصرف اهميت آنها افزايش خواهد يافت.
در حين كربونيزاسيون اجزاي غيركربني مانند هيدروژن و اكسيژن به صورت گاز از مواد اوليه خارج مي‌شوند و كربنهاي آزاد نيز به صورت گروهي، بلورهاي گرانيت را تشكيل مي‌‌دهند. به دليل وجود منافذ در ميان بلورها، آرايش بلورها از 2 طرف به صورت نامنظم خواهد بود.
اين فرآيند معمولا در درجه حرارتي كمتر از 800 درجه سانتي‌گراد در يك محيط حاوي يك جريان ورودي از اتمسفر انجام مي‌شود. ساختار ريز منافذ كربن در دماي حدود 500 درجه سانتي‌گراد شكل مي‌گيرد. برخي از اين منافذ به وسيله ماده قيري آزاد شده در حين فرآيند پيروليز مسدود مي‌شود كه ميتوان با حرارت مجدد حدود 800 درجه سانتي‌گراد، مجددا اين منافذ را ايجاد كرد. افزايش دما تا 100 درجه سانتي‌گراد پيش از آن باعث سخت شدن ساختار كربن و كاهش درجه تخلخل مي‌شود.
? كوره‌اي در ابعاد صنعتي
به گفته صالحي، در اين طرح تحقيقاتي علاوه بر طراحي جامع، ساخت كوره در ابعاد صنعتي نيز امكان‌پذير شده است و در آزمايش‌هاي انجام شده با تغيير مواد اوليه، تغيير حالت فيزيكي يا شيميايي و همچنين تغيير نسبت اختلاط و تغيير دماي كربونيزاسيون و فعال‌سازي، شرايط بهينه‌اي ايجاد شده است كه در آن علاوه بر كاهش هزينه نهايي توليد اين ماده، نوعي كربن فعال با استاندارد FCC ساخته شده است كه در صنايع غذايي، دارويي و آب شيرين‌كن كاربرد دارد بنابراين ميتوان گفت در توليد كربن فعال بهداشتي از فرآيند‌هايي براي فعال‌سازي استفاده شده است كه مي‌تواند رعايت فاكتورهاي موثر در تعيين بهداشت و سلامت مواد شيميايي را تضمين كند.
كربن‌ها را با توجه به نحوه آرايش و قرار گرفتن بلورهاي آن در كنار هم به صورت گرافيت و غيرگرافيت تعريف كرده‌اند.
كربنهاي گرافيتي داراي بلورهايي با سه بعد يكسان هستند در صورتي كه كربنهاي غيرگرافيتي فاقد چنين ساختاري هستند.
محصولات مرحله كربونيزاسيون داراي ظرفيت جذب بسيار پاييني هستند كه اين ويژگي مي‌تواند ناشي از كربونيزاسيون در دماي پايين و وجود ماده قيري باقي مانده در منافذ بين بلورها و روي سطح باشد. بعضي محصولات كربونيزه شده را ميتوان با خارج كردن مواد قيري به وسيله حرارت دادن در بخار يا تحت گاز و يا عمل خالص‌سازي به كمك حلال و همچنين واكنش‌هاي شيميايي فعال كرد. عمل فعال‌سازي سبب بزرگ شدن قطر حفره‌هايي مي‌شود كه در حين فرآيند كربونيزاسيون ايجاد شده‌اند، علاوه بر اين در حين اين فرآيند حفره‌هاي بسيار ريزي نيز ايجاد خواهد شد كه در نهايت سبب ايجاد ساختاري حفره‌اي با مساحت سطح داخلي بالا خواهد شد.
منافذ ايجادشده در كربن فعال داراي اندازه و شكل متفاوتي است. در برخي از انواع كربن فعال توليدشده، شكل منافذ موجود در كربن فعال با توجه به نوع مواد خام مصرفي متفاوت خواهد بود.
كربن فعال بهداشتي عيار بالا به دليل خواص جذبي خوب و بهداشتي بودن، براي رنگ‌زدايي، بوزدايي، خالص‌سازي، كلرزدايي و سم‌زدايي در صنايع مختلفي مانند غذايي، دارويي، شيميايي و همچنين فرآيندهاي تصفيه آب و فاضلاب به كار مي‌رود.
جالب است بدانيد كربن فعال يكي از متداول‌ترين مواد تصفيه‌كننده آب‌هاي آشاميدني و آب‌هاي معدني است كه آلودگي‌هاي غيرمحلول آب را جذب خود مي‌كند، به طور كلي ميتوان گفت تهيه هوا، تصفيه قند، روغن، چربي‌ها و داروهاي سم‌زدا از مهمترين زمينه‌هاي استفاده و كاربرد نتايج اين طرح تحقيقاتي است.
صالحي در پايان خاطرنشان كرد كه يكي از مهمترين و اختصاصي‌ترين دستاوردهاي اين پژوهش، دستيابي كشور براي نخستين بار به فناوري ساخت كوره در ابعاد صنعتي است.
علاوه بر اين، با كاهش مدت زمان انجام فرآوري روي ماده اوليه براي توليد كربن فعال بهداشتي با عيار بالا و همچنين هزينه نهايي توليد اين محصول، مرغوبيت اين ماده نيز از نظر بهداشتي در مقايسه با انواع مشابه خارجي افزايش يافته است و به اين ترتيب بدون استفاده از مواد شيميايي كه براي سلامت بدن مضر هستند، محصولي توليد شده است كه ميتوان بدون نگراني از آن در صنايع غذايي استفاده كرد.
با توجه به اين كه تاكنون هيچ توليدكننده داخلي در كشور وجود نداشته است، اين طرح از توجيه اقتصادي بسيار خوبي برخوردار بوده و با حمايت از اجرايي شدن آن، گام مهمي براي خودكفايي داخلي برداشته خواهد شد.
? غربالگرهاي كربني
غربال‌هاي كربني، گروهي از كربنهاي فعال هستند كه داراي منافذي با اندازه كوچك هستند. اين كربن‌ها براي جداسازي و جذب گاز و مايع در محيط‌هايي با غلظت‌هاي خيلي كم مورد استفاده قرار مي‌گيرند. اين غربال‌كننده‌هاي كربني كه اصطلاحا CMS ناميده مي‌شود، مشابه جذب گاز اتيلن براي تازه نگه‌داشتن ميوه و سبزيجات، در سيستم‌هاي جداسازي گاز مورد استفاده قرار مي‌گيرند.
دماي جذب نيز سرعت جذب يك گاز را تحت تاثير خود قرار مي‌دهد. با افزايش دما، سرعت جذب نيز افزايش خواهد يافت. از كربنهاي CMS براي جداسازي نيتروژن و اكسيژن استفاده مي‌شود. در چند دهه اخير، علاوه بر كاربردهاي عمومي براي كربن فعال، كربنهاي پيشرفته‌اي با كنترل مخصوص روي ساختار منافذ نيز با هدف به‌كارگيري آن در زمينه‌هاي خالص ايجاد شده است.
منبع: خبرگزاري آفتاب
معرفي سايت مرتبط با اين مقاله