بررسی تفاوت‌های بین سه نوع کربن فعال
هرچه بیشتر به سمت آیندۀ فناوری‌محور مراقبت‌های بهداشتی پیش می‌رویم، با واقعیت‌های دنیای مدرن و اعجازهای اختراع شده برای رسیدگی به آنها بیشتر مواجه می‌شویم. وضعیت آب شیر یکی از این واقعیت‌ها است. آب مملو از مواد شیمیایی که برخی سرطان‌زا هستند. خوشبختانه راه حلی برای این واقعیت وجود دارد: فیلترهای کربن بلاک.
کربن فعال موجود در این نوع فیلترها به سه فرم است:
- کربن فعال برپایۀ زغال
- کربن فعال برپایۀ چوب
- کربن فعال برپایۀ نارگیل
تفاوت‌های بین این سه در این مقاله بررسی می شوند. درحالیکه کربن فعال فناوری قدیمی‌تر است، کربن برپایۀ پوست نارگیل به عنوان گزینۀ بسیار موثر و معتبر ظاهر شده است.
بررسی خواهیم کرد چرا فیلتر آب، زمینه‌ی فیلتراسیون کربن فعال و و عوامل متمایزکنندهه موثر بر اثربخشی ماده به عنوان فیلترها لازم است.
چرا از فیلترهای کربن بلاک استفاده می‌شود؟
شیر آب مملو از مواد شیمیایی، ریزذرات، باکتری‌ها، مادۀ آلی و توکسین‌هایی است که یا از مقررات سرباز می‌زنند یا مطابق استانداردهای تنظیمی ناکافی هستند. فیلترهای کربن بلاک شناخته‌شده‌ترین خط دفاعی درمقابل این عوامل نفوذی به‌شمار می‌آیند. با نصب یک فیلتر در خانه تان مهم نیست چه اتفاقی در بیرون رخ می‌دهد- آب شما به بهترین نحو علیه خطرات بالقوه حفاظت می‌شود.
وجود مواد شیمیایی و توکسین‌ها در آب شیر چالش‌های پیش روی شرکت‌های خدماتی است. وقتی آب از منبع طبیعی- چشمه، آب انبار یا غیره گرفته می‌شود – ممکن است در برخی موارد قابل آشامیدن باشد. آب، صرفنظراز قابلیت شرب فوری اش، به خاطر ایمنی تیمار و ضدعفونی می‌شود. این درحالی است که توزیع آب به مصرف کننده ازطریق شبکۀ طویل لوله‌ها انجام می‌شود. برای چنین انجامی، آب فرصت دارد با مسافرهای گذری ناخواسته همراه شود.
ضدعفونی کردن آب با کمک مواد شیمیایی نظیر کلر راه حل این مسئله است. مواد شیمیایی دیگر هم به آب راه پیدا می‌کنند: مواد شیمیایی آلی فرار، برومات ها، فلوریدها، سولفات ها، نیترات ها و …- حتی ایزوتوپ های رادیواکتیو مثل رادیوم. مواد مذکور می‌توانند فرآورده‌های جانبی ضدعفونی باشند. برخی دیگر ممکن است ماحصل روان آب‌های کشاورزی، علفزارها، خیابان ها و صنعت باشند. برخی نظیر رادیوم در پوستۀ زمین و طبیعت یافت می‌شوند. هرچند تا مادۀ شیمیایی موجود در آب باید حذف شوند.
اثربخشی فیلترهای کربن بلاک به علت برخی خواص اعجاب‌آور کربن فعال است که به عنوان راه حل عالی و بسیار امیدوارکننده در تصفیۀ آب پدیدار شده است.
فیلتراسیون کربن فعال چیست؟
کربن فعال مادۀ جاذب است- یعنی، مایع توسط فیلم نازک در سطح پخش می‌شود. فیلتر از کربن ساخته شده است و ساختار پیچیده دارد. فوق‌العاده متخلخل با ساختار محکم متشکل از درهم آمیختگی‌های بی‌نظم اتم‌های کربن و اتصال تصادفی با مجاورهای‌شان است. بی نظمی این ساختار به میلیون‌ها میلیون منفذ درکل ماده منجر می‌شود.
این کنج‌ها و شکاف‌ها فضای جذب ایجاد می‌کنند: فقط یک پوند کربن فعال حاوی تقریبا 125 آکر[1] سطح مقطع است.
باتوجه به اینکه کربن بلوک سازندۀ حیات (محور اصلی حیات) است، کربن فعال را می‌توان از منابع مختلف ازجمله هستۀ زیتون، باتلاق تورب‌دار و … گرفت. این درحالی است که تصفیۀ آب سبب اعمال محدودیت‌های خاص روی کربن فعال می‌شود. انتخاب یک نوع مادۀ ویژه که آب را جذب کند، حداقل مزه یا طعم را داشته باشد، ناخالصی‌ها را حذف کند و فرایند را با مشکل مواجه نکند اهمیت دارد. بدین منظور، کربن فعال ساخته شده از زغال، چوب و پوسته‌های نارگیل حریفان اصلی این کار هستند.
عوامل کلیدی فیلتراسیون کربن فعال چه هستند؟
جذب مهم‌ترین عامل فیلتراسیون در کربن فعال است. هرقدر که آب روی سطح سخت بلاک پخش شود، درحالیکه آب روبه جلو می‌رود، جامدات محلول درون آن جذب سطح کربن می‌شوند و می‌مانند. فیلتراسیون از اندازه و حجم خود منافذ ناشی می‌شود. حجم منفذ کل به سطح مقطع در یک گرم کربن فعال برمی‌گردد- هرچه حجم منفذ بیشتر، بهتر، با این فرض که اندازۀ منافذ مناسب هستند.
کربن با استفاده از اکسایش کنترل شده فعال می‌شود. کربن درمعرض بخار دما بالا است که تخلخل درون ماده را به طرزچشمگیری افزایش می‌دهد. مواد کربن‌دار معمولاً متخلخل هستند، اما بخار برای بالابردن تخلخل با چند مرتبه بزرگی استفاده می‌شود. درحالیکه سطح مقطع مواد طبیعی حاوی کربن 10 تا 15 مترمربع درهر گرم است، فرایند فعال سازی می تواند این مقدار را تا 1000 تا 1200 مترمربع در هر گرم زیاد کند.
گسترۀ منافذ درون کربن فعال متفاوت هستند. مهم است که منافذ با اندازه‌های مختلف وجود داشته باشند، طوریکه بتوانند آلاینده های مختلف را با حرکت آب ازمیان آنها فیلتر کنند. سطح گرمایی ایجاد شده توسط منافذ سبب می‌شود آب ازمیان حفره‌های با اندازه‌های مختلف حرکت کند. گسترۀ اندازۀ منافذ به شرح ذیل است:
- ریزمنافذ: این منافذ کوچکتر از دو نانومتر هستند (یک نانومترْ یک میلیاردم یک متر است)
- میان منافذ: گسترۀ اندازۀ آنها دو تا 50 نانومتر است.
- درشت منافذ: بزرگترین منافذ 50 تا 200 نانومتر هستند (1000 نانومتر معادل یک میکرومتر است).
جذب بین آلاینده‌های حل شده و خود کربن رخ می‌دهد زیرا خود آلاینده آبگریز است – یعنی، به صورت طبیعی از آب جدا می‌شود. بدان معنی که مولکول ها بیشتر جذب سطح کربن می‌شوند. مولکول می‌تواند براحتی به سمت کربن کشیده شود.
آبگریزی عامل مهم در فیلتراسیون کربن فعال است، باتوجه به اینکه این کیفیت در اکثر آلودگی‌های آلی در آب بروز می‌کند. درحالیکه آلودگی ها با مولکول آبی بسیار قطبی پیوند نمی‌دهند، به کربن غیرقطبی وصل می‌شوند. به این علت کربن فعال از قابلیت منحصربه فرد حذف مواد شیمیایی آلی فرار، فرآورده‌های جانبی ضدعفونی، آفت‌کش‌ها و حشره‌کش‌ها برخوردار است.
فیلتراسیون کربن فعال زغال
زغال مناسب فیلتراسیون کربن است زیرا براحتی فعال می شود و بسیار دردسترس است. سه نوع زغال سنگ وجود دارند که می‌توانند برای فیلتراسیون استفاده شوند: آنتراسیت، قیرطبیعی (نفتی) یا لیگنیت. در این میان، زغال قیرطبیعی گزینۀ ایده‌آل به علت ریزتخلخل بالاترش، مقاومت‌اش درمقابل ضربه، استحکام و راحتی بازتولید است. این نوع زغال سیاه نامیده می‌شود و مواد تشکیل دهندۀ آن همانند آسفالت است.
دلیل رایج بودن زغال چوب لیگنیت به همان اندازۀ زغال قیرطبیعی آن است که محتوای کربنی بالا ندارد. این بدان معنی است که محتوای کانی بالاتری دارد و نه تعداد حجم زیاد منفذ در هر وزن. جذب درون منافذ رخ می‌دهد، بنابراین هر چه حجم منفذ در هر وزن بالاتر، بهتر است. زغال آنتراسیت، درعین مفیدبودن در برخی صنایع، کاربرد زیادی در فیلتراسیون آب به علت سختی فعال سازی ندارند.
زغال قیرطبیعی وقتی تشکیل می‌شود که زغال لیگنیت درمعرض فشار بالا باشد. به این دلیل، در طبیعی به صورت سنگ رسوبی آلی یافت می‌شود و ماحصل باتلاقی است که از مدت‌ها قبل فشرده شده است. محتوای کربن آن بین 70 و 90 درصد است.
کربن‌های برپایۀ زغال قویترین کاندید بنا به دلایل متعدد نیستند:
حفر معدن لازم است: برای استخراج زغال قیرطبیعی باید زمین حفاری شود. معدن‌کاوی، درعین بخش حیاتی بسیاری از صنایع، در این مورد با استفاده از فرم‌های دیگر کربن اجتناب می‌شود. معدن‌کاوی زغال غالباً برای محیط زیست مضر است و قیر طبیعی به علت رهایی گازهای انفجاری برای معدن‌کاران خطرناک است.
بر مزه تاثیر می‌گذارد: زغال قیر طبیعی سبب ایجاد مزۀ خاصی می‌شود که نتیجۀ رهایی فرآورده‌های جانبی داخل آب است.
حاوی موادشیمیایی ناسالم است که ممکن است در آب رها شوند. اگرچه زغال همچنان گزینۀ ایمن برای فیلتراسیون کربن بلاک است، فاقد مواد شیمیایی است که داخل آب نشست کنند و بر مزه تاثیرگذار باشد و فرآوردۀ نهایی را کمتر فیلتر می‌کند.
منافذ بزرگ نسبت به انواع دیگر کربن فعال دارد. منافذ زغال قیرطبیعی از سایر بلاک‌های کربن بسیار بزرگتر هستند، بنابراین تغییر ذرات کوچکتر چندان میسر نیست.
فیلتراسیون کربن برپایۀ چوب
نوع فیلتراسیون چوب متفاوت از زغال است. نوع تخلخل کربن‌های برپایه ی چوب از منافذ میانی (مزومنافذ) یا درشت منافذ هستند که چگالی پایین دارند. چون کربن فعال از چوب بدست می‌آید، منبع تجدیدپذیر است و نیازی به حفر معدن نیست. دشواری این منبع تجدیدپذیر این است که رشد کامل درختان سالیان سال طول می‌کشد، یعنی کربن فعال به این دورۀ انتظار وابسته است.
توانایی رنگ‌زدایی و حذف مزه از آب از مزایای مهم کربن چوب است. برخی مواد شیمیایی محلول با وفور منافذ بزرگتر جذب می‌شوند و ذرات بزرگتر حذف می‌شوند. کارخانجات تصفیۀ فاضلاب از کربن چوب برای تصفیۀ آب استفاده می‌کنند، درحالیکه صنعت غذایی غالباً از آن برای رنگبری آبمیوه ها، لیکورها و سایر محصولات استفاده می‌کند. کربن چوب غیرسمی است. قبل از اینکه به بلاک کربنی وصل شود، مثل غبار سیاه کاملاً آسیاب شده به نظر می رسد.
چوب درختان رسیده پودر می‌شود و سازندگان بوسیلۀ اسید فسفریک یا روش کلرید آن را به کربن فعال تبدیل می‌کنند. اسید فسفریک به علت سرعت زیاد و عدم تولید نمک روی ترجیح داده می‌شود. ماحصلْ کربنی با تخلخل موثر، فیلترینگ سریع و جذب خوب است. کربن فعال با چوب بهترین برای آنهایی است که به حذف مزه، رنگ و بو از آب تمایل دارند.
جنبه‌های متعدد کربن فعال چوب به شرح ذیل خلاصه می‌شود:
مناسب حذف آلاینده ها است. کربن فعال چوب بالاخص برای افرادی که تمایل دارند برخی مزه‌ها، بوها یا رنگ‌ها را از آب حذف کنند، گزینۀ خوبی است. اندازۀ بزرگ آن مناسب این قابلیت‌ها است.
تجدیدپذیر اما همیشه براحتی دردسترس است. به علت زمانی که طول می‌کشد درخت به رشد نهایی برسد، هر تکه چوب نشان از دهه‌ها سرمایه‌گذاری زمان دارد. این نوع منبع قابل جایگزینی است و اثر کربنی کمی دارد.
اندازۀ منفذ سبب عدم توانایی فیلتر بسیاری از آلاینده‌ها شده است. چون منافذ کربن فعال برپایۀ چوب تاحدزیادی درشت و متوسط هستند، نمی‌تواند بسیاری از آلاینده‌های ریزتر را حذف کند. به همین دلیل برای فیلتراسیون درجه بالا چندان ایده‌آل نیست.
کربن فعال شده با پوستۀ نارگیل
پوست نارگیل یکی از جدیدترین و امیدبخش ترین گزینه‌ها برای فیلترهای بلاک کربن فعال است. چگالی ریزمنافذ در نارگیل نسبت به فرم‌های دیگر کربن فعال بسیار بالاتر است، یعنی سطح مقطع بیشتر و تخلخل کلی بیشتر. ریزمنافذ پوست نارگیل نسبت به زغال قیرطبیعی 50 درصد بیشتر است. این سبب می‌شود نارگیل بتواند موادشیمیایی آلی فرار را بهتر جذب کند که درغیراینصورت حذف شان از آب مشکل است.
خلوص کربن پوست نارگیل سبب شده است کاندیدای بهتر برای کربن فعال باشد. درحالیکه سایر کربن‌ها به علت خاکستر غیرآلی در مزه نقش دارند، نارگیل حاوی میزان نسبتاً کمی است. بنابراین کربن بلاک باثبات‌تر، یکنواخت‌تر و غیرلیچینگ است و عملکرد کیفی آن نسبت به سایر گزینه‌ها بهتر است.
ساخت کربن فعال از پوست نارگیل راحت‌تر است. زغال و چوب هر دو میزان قابل توجهی گردوغبار و ذرات کربنی ریز تولید می‌کنند، درحالیکه نارگیل آلاینده های کمتری تولید می کند. ساخت کربن فعال شده از پوست نارگیل به علت عدم گردوغبار و برداشت سالانۀ نارگیل، فعالیت تجدیدپذیری که درختان را از بین نمی‌برد، روش سبز کسب کربن فعال به شمار می‌آید.
فواید کربن فعال برپایۀ نارگیل
تجدیدپذیر هستند. نارگیل در اقلیم‌های حاره‌ای رشد می‌کند و برای سالیان متمادی حفظ می‌شود. بنابراین تولید مستمر کربن صورت می‌گیرد، درحالیکه یک درخت خود نمی‌تواند بیش از یک محصول چوب را در طول عمرش تولید کند.
در کل سال رشد می‌کنند. نارگیل سه تا چهار بار در سال برداشت می‌شود و بازیابی پایدار منابع کربن میسر می‌شود.
منبع سبز کربن هستند. تصور این است که درختان کربن ذخیره شده هستند. درختان دی‌اکسید‌کربن را از جو می‌گیرند و کربن را ذخیره می‌کنند و اکسیژن را در فرایند تولید می‌کنند. با پرورش درختان نارگیل و استفادۀ مستمر از پوسته برای بلاک‌های کربنی، که کربن ذخیره‌شده در فرم جامد می‌ماند- سوزاندن پوسته سبب تولید دی اکسید کربن نمی‌شود.
تخلخل بالا دارند. چگالی ریزمنافذ کربن فعال پوست نارگیل بالا است که بهترین فیلتراسیون آلاینده‌ها است.
ساختار محکمی دارند. دیگر مزیت ریزتخلخل کربن پوست نارگیلْ مقاومت مکانیکی بالا است. یعنی سختی بالا و مقاومت عالی درمقابل سایش.
تمیزی آب با این نوع فیلترها بیشتر است. مهترین مزیت آن است که تمیزترین آب نسبت به هرنوع کربن فعالی با کربن فعال پوست نارگیل تولید می‌شود. این به علت تخلخل، حجم کلی منفذ و عدم لیچینگ است.
سابقه، تجربه و عملکردی که ما را در راس شرکت‌های تولیدی فیلتراسیون آب قرار داده است.
