مساحت سطح یک قاشق چای‌خوری کربن فعال بیش از یک زمین فوتبال است.
کربن فعال بیش از 2500 کاربرد تجاری دارد. اکثر کارخانه‌های تصفیه فاضلاب از کربن برای تصفیه آب و هوای خروجی از تاسیسات استفاده می‌کنند. با وجود این، مشخصات و خواص آنها را در آموزش رسمی نمی بینید و حین کار آنها را می‌آموزید.
کربن فعال یک ماده جاذب جامد خنثی است که معمولا برای حذف آلاینده‌های مختلف محلول از آب و فرآیندهای جریان فاز گاز استفاده می‌شود. همانطور که بسیاری از خوانندگان می‌دانند، تقریبا از هر ماده اولیه حاوی کربن، از جمله پوست نارگیل و اعضای خانواده زغال سنگ ساخته می‌شود.
جذب عبارت است از انباشتگی گاز یا مایع روی سطح یک بستر مایع یا جامد، که در آن ماده نفوذکننده وارد توده یا حجم بستر می‌شود.
کربن فعال متخلخل، ارزان و برای استفاده به‌عنوان جاذب به آسانی دردسترس است و سطح وسیعی برای حذف آلاینده‌ها فراهم می‌کند. کربن فعال نسبت به سایر مواد موجود برای جذب فیزیکی، سطح مفیدتری در هر گرم دارد. در واقع، مساحت سطح یک قاشق چای‌خوری کربن فعال بیش از یک زمین فوتبال است.
پدیدههای فیزیکی
کربن فعال به‌دلیل ویژگی‌های کمیاب خود، توانایی استثنایی در جذب آلاینده‌های محلول در آب دارد که شامل مزه، بو، رنگ و گونه‌های سمی است. حذف از طریق پدیدههای جذب براساس برهمکنش سطحی بین آلاینده‌ها و سطوح پلاکت گرافیتی کربن انجام می‌شود. این برهمکنش سطحی آلاینده-کربن از طریق نیروهای واندروالس و برهمکنش‌های دوقطبی القایی رخ می‌دهد. پلاکت‌های گرافیتی کربن فعال، مولکول‌های آلی خنثی را به دوقطبی‌های درون مولکولی القا می‌کنند. دوقطبی‌های القا شده باعث می‌شوند مولکول‌ها به یکدیگر جذب و به هم بچسبند، بنابراین از محلول در نانوحفرات کربن یا فضاهای جذب رسوب می‌کنند. این تحت عنوان تراکم زودرس است که توسط کربن فعال تسهیل می‌شود.
تولیدکنندگان کربن فعال از مواد اولیه و پارامترهای فرآیندی مختلف برای انواع توزیع اندازه حفرات استفاده می‌کنند. انتخاب ساختار حفره مناسب برای حل مشکلات فاز آبی و گازی با کربن فعال ضروری است.
شکل 1 نمایش واقعی کربن‌های فعال تولید شده از چوب، پوست نارگیل و زغال سنگ قیری را نشان می‌دهد. این انواع کربن به اشکال مختلف فروخته شده و استفاده می‌شوند: پودر، گرانول، قرص، بلوک و کامپوزیت. همانطور که در شکل مشخص است، تفاوت در اندازه پلاکت‌های گرافیتی است که با خطوط سیاه و نزدیکی آنها به هم نشان داده شده است.
کربن فعال پودری
ذرات کربن فعال پودری با اندازه میکرون از آسیاب کردن گرانول‌های کربن فعال میلی‌متری به‌دست می‌آیند و در مقایسه با کربن با اندازه ذرات بزرگ‌تر، سینتیک سریع‌تر و ظرفیت بیشتری برای حذف آلاینده‌ها نشان می‌دهند.
کربن فعال پودری را می‌توان برای رویدادهای آلوده‌کننده پراکنده، مانند شکوفه‌های جلبک و نشت‌های صنعتی که آب‌های جاری شهری را آلوده می‌کنند، استفاده کرد. برای حذف این آلاینده‌ها با کربن فعال می‌توان پودر را به واحد ته‌نشینی فرآیند شفاف‌سازی اضافه کرد. همچنین می‌تواند از بسترهای ثابت کربن فعال گرانولی در برابر آلودگی نفوذی ناگهانی محافظت کند. اگر کارخانه‌ها فاقد زیرساخت‌های لازم برای استفاده از کربن فعال گرانولی باشند یا کربن گرانولی کافی بین ورودی و پساب برای حذف اقتصادی رویدادهای آلوده‌کننده پراکنده نداشته باشند، می‌توانند از پودر استفاده کنند. کربن فعال پودری یکبار مصرف به‌صورت یک فرآیند ناپیوسته (بچ) برای حذف آلاینده‌ها تا حداکثر سطح آلودگی قابل قبول (MCL) استفاده می‌شود، اما لزوما به آلودگی صفر یا غیرقابل شناسایی نمی‌رسد.
کربن فعال گرانولی
کربن فعال گرانولی با اندازه میلی‌متر می‌تواند آلاینده‌ها را تا غلظت‌های کمتر از حد تشخیص تحلیلی حذف کند و در مقایسه با پودر، فقط به حدود یک چهارم مقدار کربن بین ورودی و پساب نیاز دارد. با وجود این، یک کارخانه به زیرساخت مناسب برای نصب کربن تازه و حذف کربن فعال گرانولی مصرف شده برای فعال‌سازی مجدد کوره نیاز دارد. هزینه فعال کردن مجدد کربن تقریبا نصف کربن فعال گرانولی تازه یا استفاده نشده است. استفاده از کربن فعال گرانولی یک فرآیند پیوسته و محصول چند منظوره مبتنی بر فعال‌سازی مجدد حرارتی است. فعال سازی مجدد حرارتی کربن آن را در “شیمی سبز” طبقه‌بندی می‌کند. در مکانی که احتمال آلودگی صنعتی نسبتا زیاد است، کربن فعال بیشتری باید برای شرایط اضطراری احتمالی دردسترس باشد که می‌توان آن را در مخازن ثابت بین ورودی و پساب نگهداری کرد و همچنین کربن پودری بیشتری نیز لازم است.
در نهایت، قرص‌ها یا گرانول‌های بسیار بزرگ کربن برای کنترل هیدروژن سولفید فاضلاب شهری فاز بخار و سایر بوها استفاده می‌شود. این شکل نسبتا بزرگ کربن فعال، جریان‌های گازی را قادر می‌سازد تا بدون ممانعت از بسترهای کربنی عبور کنند. این امر باعث کاهش استفاده از فن‌ها و انرژی لازم برای دمیدن جریان‌های گازی در بسترهای متراکم می‌شود. کربن‌های معمول و کاتالیستی برای کنترل بوی هیدروژن سولفید استفاده می‌شود.
با کربن معمولی، هیدروژن سولفید متحرک اکسید می‌شود و به گوگرد بی‌حرکت تبدیل می‌شود که روی سطح کربن انباشته می‌شود. استفاده از گوگرد عنصری انباشته روی کربن تعیین می‌کند چه زمانی کربن باید با کربن تازه در آزمایشگاه‌ها جایگزین شود. کربن‌های کاتالیستی با فرآیند اکسیداسیون هیدروژن سولفید را به سولفوریک اسید تبدیل می‌کنند. سولفوریک اسید روی این کربن کاتالیستی می‌تواند با آب شسته شود و بارها در سایت مورد استفاده مجدد قرار گیرد.
ناحیه انتقال جرم
کاربردهای فاز آبی و گازی با عبور آب یا گاز آلوده بیشتر از بستر، یک ناحیه انتقال جرم (MTZ) آلاینده متحرک ایجاد می‌کنند. بسترهای کربنی معمولا 3 تا 10 فوت عمق دارند و از کربن فعال چند لایه تشکیل شده‌اند، که در آن ذرات با اندازه کوچکتر بالای بستر کربن و بزرگ‌ترین ذرات پایین قرار می‌گیرند.
کربن مستعمل و استفاده نشده در فرآیند را مخلوط نکنید. ناحیه انتقال جرم نشان داده شده در شکل 2 دارای پیکربندی بستر افقی است، اما بسترها معمولا عمودی هستند تا از جریان گرانشی استفاده کنند. لایه‌بندی بستر باید پس از شستشوی معکوس (واشویی) حفظ شود تا مواد جامد را که ممکن است بالای بستر جمع شوند، حذف شوند.
کربن فعال مواد آلی و جامد محلول در آب را با شستشوی معکوس از آب حذف می‌کند. این MTZ دارای سه ناحیه کاری است:
1- ناحیه 1 (بین A و B، بخشی از طول کل بستر کربن) کاملا استفاده می‌شود و دیگر آلاینده‌های محلول در آب را حذف نمی‌کند.
2- ناحیه 2 (بین B و C) مقادیر متغیر از آلاینده‌ها را حذف می‌کند. شکل این منحنی پروفایل غلظت آلاینده‌هایی را که از بستر کربن خارج می‌شوند منعکس می‌کند. کاربردهای آب معمولا فاصله MTZ بسیار طولانی‌تری بین B و C نسبت به کاربردهای فاز گازی دارند، که معمولا MTZهای بسیار کوچک‌تری دارند. بسته به اینکه کربن با چه شدتی مواد جذب شونده را جذب می‌کند، شکل MTZ ممکن است تیز یا عریض باشد.
3- ناحیه 3 (بین C و D) کربن فعال استفاده نشده است. با افزایش زمان کار بستر و قرار گرفتن در معرض آلاینده‌ها، فاصله بین A و B افزایش و بین C و D کاهش می‌یابد. فاصله MTZ از B تا C ثابت است.
افزایش کارایی
برای بهبود کارایی و اقتصادی، پیکربندی معمولی در بهره‌برداری از چندین بستر کربن فعال یک سری متوالی است. بسترهای متعدد در یک سری، استفاده کامل از بستر کربن را بواسطه نفوذ امکان‌پذیر می‌کند، جایی‌که ورودی و پساب از نظر غلظت آلاینده معادل هستند. زیرا در حین کار، هر بستر کمکی باقی‌مانده در سری، در صورت نیاز MTZ دیگری را آغاز می‌کند.
این پیکربندی تقدم- تاخر بستر امکان تصفیه حداکثر تعداد گالن آب به ازای هر پوند کربن فعال را قبل از جایگزینی کربن مستعمل با کربن تازه فراهم می‌کند.
هدف آب آشامیدنی با کیفیت بالا و کمترین هزینه است. برای حذف آلاینده‌های ناچیز، تامین آب آشامیدنی سالم و با کیفیت، بسترهای نهایی کربن فعال در سری‌های متوالی، پرداخت را تکمیل می‌کنند. با تغییر بسترهای کربنی کاملا فرسوده قبلی با کربن تازه (وقتی غلظت ورودی و پساب بستر معادل هستند)، بسترهای بعدی مدت طولانی‌تری به‌عنوان جلادهنده نهایی عمل کرده و حاشیه امنی ایجاد می‌کنند. برای پروفایل بستر کربنی نمونهها باید از بالا، وسط و پایین گرفته شوند. این نوع نمونه‌گیری تخمین دقیق‌تری از مکان‌یابی MTZ و زمان کار باقی‌مانده برای بستر کربن را امکان‌پذیر می‌کند.
کربن فعال مصرف شده
کربن فعال برای همیشه دوام نمی‌آورد و نیاز به تعویض دورهای با کربن تازه بکر یا باز فعال شده دارد. حفرات یا فضاهای جذب فیزیکی، که حجم‌هایی با اندازه نانومتر بین پلاکت‌های گرافیتی هستند در نهایت پر شده و دیگر قادر به حذف مواد جذب شونده نیستند. حفرات کربن ناهمگن و در انرژی جذب از قوی تا ضعیف متفاوت هستند. به فاصله پلاکت‌های گرافیتی در شکل 1 توجه کنید. پلاکت‌های گرافیتی کربنی که نزدیک به هم هستند، انرژی پتانسیل جذب بالایی ایجاد می‌کنند و فاصله‌های پلاکتی وسیع انرژی جذب نسبتا کمی دارند.
کارخانه‌های آب آشامیدنی دو انتخاب اصلی برای تعویض دارند: خرید کربن بکر یا استفاده نشده یا استفاده از کربن باز فعال شده. پس از چندین چرخه فعال‌سازی، کارایی کربن باز فعال شده کاهش می‌یابد و باید با کربن تازه و بکر جایگزین شود.
گاهی افزایش توزیع اندازه حفرات با فعال‌سازی مجدد مفید است، به‌ویژه برای مولکول‌های بزرگ‌تر و مواد جذب شونده با وزن مولکولی بالاتر. با وجود این، ترکیبات محلول در آب و با وزن مولکولی کم در غلظت‌های کم مانند تری هالومتان‌ها ممکن است به آسانی جذب نشوند و در صورت استفاده از کربن باز فعال شده با توزیع اندازه حفرات وسیع‌تر، MTZ طولانی‌تری ایجاد کنند.
بحث بیشتر در مورد این موضوع شامل روش‌های آزمایشی برای کمک به پرسنل کارخانه آب برای انتخاب بهترین کربن فعال برای کاربرد معین و نظارت بر کارایی و چرخه عمر کربن از طریق دفع نهایی، خواهد بود.
