تولید و بررسی خواص کربن فعال:

کربن فعال به عنوان یک جاذب دارای کاربردهای مهم و حیاتی میباشد. این ماده از پیرولیز موادگیاهی حاوی کربن تولید میشود و تحت عملیات فعالسازی قرار میگیرد.

با توجه به نوع موادخام مصرفی، کربنهای فعال دارای اندازه منفذ و شکلهای متفاوت هستند و از طرفی با توجه به اندازه منفذ و توزیع اندازه دارای کاربردهای گسترده و ویژهای میباشند. در این مقاله مراحل تولید کربن فعال و ساختار منفذی انواع کربن فعال مورد بررسی قرار میگیرد.

کربن فعال به گروهی از مواد اطلاق میشود که مساحت سطح داخلی بالا، تخلخل و قابلیت جذب گازها و مایعات شیمیائی را دارند. کربنهای فعال به عنوان جاذبهای حیاتی در صنایع شناخته شدهاند و کاربردهای گستردهای با توجه به قابلیت جذب گازها و مایعات مزاحم دارند و میتوان از آنها برای تصفیه و پاکسازی و حتی بازیافت موادشیمیائی استفاده نمود.

کربنهای فعال به دلیل ویژگیهای منحصربهفرد و همچنین قیمت پائین در مقایسه با جاذبهای غیرآلی مانند زئولیت از اهمیت ویژهای برخوردار میباشند. کربنهای فعال شده بهدلیل مساحت گسترده آنها، ساختار منفذی، ظرفیت جذب بالا و قابلیت فعالسازی مجدد سطح، یک ماده منحصربه فرد میباشند.

کاربرد مهم و قابل اهمیت آنها در جداسازی بو، رنگ، مزه های غیردلخواه از آب در عملیاتهای خانگی و صنعتی، بازیافت حلال، تصفیه هوا بهویژه در رستورانها، صنایع غذائی و شیمیائی میباشد، همچنین با موادغیرآلی بهعنوان کاتالیست نیز استفاده میشوند. در داروسازی نیز برای مبارزه با یک نوع باکتری خاص مورد استفاده قرار میگیرند و بهعنوان جداکننده اسیدهای آروماتیک از حلال در داخل اسیداستیک نیز میتوان از کربن فعال استفاده کرد.کربنهای فعالشده محصولات پیچیدهای میباشند و به تبع طبقهبندی براساس رفتار، مشخصات سطح و روش آمادهسازی آنها مشکل میباشد، هر چند یکسری طبقهبندی براساس مشخصات فیزیکی آنها انجام شده است.

۱. کربن فعال پودری (دارای اندازهای کمتر از ۱۰۰ نامومتو و میانگین قطری بین ۱۵ تا ۲۵ میکرومتر)

۲. کربن فعال گرانولی (دارای اندازهای بزرگتر از کربن فعال شده پودری میباشد)

۳. کربن فعال کروی

۴. کربن تزریق شده

۵. کربن روکش شده با پلیمرها

استاندارد جذب برای کربن فعال مورد استفاده این است که بتواند تا حدود ۲۰% وزنی گاز GB و یا سیانوژن کلراید جذب نماید. اگر کربن فعال تازه باشد و در معرض رطوبت قرار نگرفته باشد خواهد توانست تا ۴۰% وزنی GB جذب نماید. تعداد زیادی از گازهای سمی را میتوان با گذراندن از کربن فعال شده از هوا جدا کرد، این خاصیت برای مواد شیمیائی با وزن مولکولی بالا از قبیل مواد شیمیائی GB مؤثر میباشد، گازهای سبک از قبیل کربن یا سیانوژن کلراید را نمیتوان بهراحتی سایر گازها جدا نمود، منواکسید کربن یکی از موادی است که به سختی میتوان به کمک کربن فعال جذب نمود ولی میتوان با استفاده از تزریق یکسری از موادشیمیائی به کربن فعال، قابلیت جذب اینگونه مواد را در کربن فعال ایجاد نمود و قدرت بازدارندگی کربن فعال را بالا برد. موادیکه بدین منظور میتوان استفاده نمود نمکهای نقره، مس و کرم میباشد.

● مراحل تولید:

کربن فعال شده از پیرولیز موادکربنی از قبیل چوب، زغالسنگ و هسته میوهها یا پلیمرهای مصنوعی از قبیل ریون، پلیاکریلونیتریل یا فنولیک حاصل میگردد و در مراحل بعدی تحت عملیات فعالسازی قرار میگیرد. پیرولیز موادکربنی، بدون حضور هوا، باعث تخریب مولکولهای غیرآلی میشود که یک ماده قیری شکل حاوی موادگازدار خواهد بود و در نهایت یک جسم جامد کربنی از آن ایجاد خواهد شد. جسم تولیدشده دارای تعداد زیادی حفرههای بزرگ و دارای سطح ویژهای در حد چندین مترمربع برگرم میباشد.

۱. موادخام:

از نظر اقتصادی، ترجیحاً موادی با کربن بالا و موادآلی کم برای تولید کربن فعال شده انتخاب میشود، ماده تشکیل شده جامد حاصل از عملیات پیرولیز باید دانسیته بالا و همچنین دارای گازهای فرار کافی باشند، آزادسازی گازهای فرار در مرحله پیرولیز باعث ایجاد منافذ در کربن میشود. دانسیته بالا باعث میشود کربن از استحکام و ساختار محکمی برخوردار گردد موادخام مورد استفاده به ترتیب اهمیت آنها از نظر ظرفیت تولید کربن متخلخل، مشخصات نهائی و مقدار مصرف عبارتند از: چوب، زغالسنگ، سیگمنت (نوعی زغالسنگ)، پوست نارگیل و تورب.

۲. کربونیزاسیون:

در حین کربونیزاسیون اجزاء غیرکربنی از قبیل هیدروژن و اکسیژن بهصورت گاز از مواداولیه خارج میشوند و کربنهای آزاد نیز بهصورت گروهی، بلورهای گرافیت تشکیل میدهند. بهدلیل وجود منافذ در بین بلورها آرایشیافتگی بلورها از دو طرف بهصورت نامنظم میباشد. این فرآیند معمولاً در درجه حرارتی زیر ۸۰۰ درجه سانتیگراد در یک محیط حاوی یک جریان ورودی از اتمسفر صورت میگیرد، پارامترهای مهم تعیین کننده کیفیت محصول تولید شده عبارتند از:

1.نرخ حرارت دادن
۲.دمای خیساندن
۳. مدت زمان خیساندن

ساختار ریز منافذ کربن در دمای در حدود ۵۰۰ درجه سانتیگراد شکل میگیرد. بعضی از این منافذ بهوسیله ماده قیری آزاد شده در حین فرآیند پیرولیز مسدود میشود که میتوان با حرارت دادن مجدد در ۸۰۰ درجه سانتیگراد دوباره این منافذ را ایجاد کرد. افزایش دما تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد و بیش از آن باعث سخت شدن ساختار کربن و کاهش درجه تخلخل میشود.

۳. فعالسازی:

کربنها را با توجه به آرایشیافتگی بلورهای آن بهصورت گرافیت یا غیرگرافیت تعریف کردهاند. کربنهای گرافیتی دارای بلورهائی با سه بعد یکسان میباشند در صورتیکه در کربنهای غیرگرافیتی اینگون نمیباشد. براساس توضیحات داده شده، در حین کربونیزاسیون سه فضای خالی در کربن ایجاد میوشد که در حین کربونیزاسیون بهوسیله کربنهای غیرآرایشیافته ”آمورف“ مسدود میشود.

محصولات مرحله کربونیزاسیون دارای ظرفیت جذب خیلی کمی میباشند و احتمالاً این مسئله بهدلیل کربونیزاسیون در دمای پائین و وجود ماده قیری باقیمانده در منافذ بین بلورها و روی سطح آنها میباشد. بعضی از محصولات کربونیزه شده را میتوان با خارج ساختن موادقیری بهوسیله حرارت دادن در بخار یا تحت گاز و یا عمل خالصسازی به کمک حلال و یا واکنشهای شیمیائی فعال کرد. عمل فعالسازی باعث بزرگ شدن قطر حفرههائی میشود که در حین فرآیند کربونیزاسیون ایجاد شدهاند و همچنین باعث ایجاد یکسری حفره ریز نیز خواهد شد و بدینگونه میتوان به یک ساختار حفرهای با مساحت سطح داخلی بالا دست پیدا کرد. پدیده فعالسازی به دو روش انجام میشود.

الف ـ فعالسازی شیمیائی:

در ابتدا ماده خام با یک محلول غلیظ از مواد فعالکننده اشباع میشود و با این عمل، مواد سلولزی از بین میروند و تحت عملیات حرارتی در دمای بین ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد قرار میگیرند، مواد پرولیز شده سرد میشوند و به منظور خارج ساختن مواد فعالکننده، تحت عملیات شستشو قرار میگیرند و سپس مواد فعالکننده عبارتند از: اسید فسفریک، کلرید روی، اسید سولفوریک و یدید پتاسیم.

ب ـ فعالسازی فیزیکی:

در این فرآیند به کمک محصولات کربونیزه شده، ابعاد و ساختار مولکولی منافذ گسترش مییابد و مساحت سطحی آنها افزایش مییابد، این عملیات در دمائی بین ۸۰۰۰ الی ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد با حضور مواد گازی اکسیدکننده مناسب مانند دیاکسید کربن و هوا انجام میگیرد.

مولکول آب کوچکتر از مولکول دیاکسیدکربن میباشد و در نتیجه سرعت نفوذ آن بهداخل منافذ کربن بیشتر میباشد و سرعت واکنش با بخار بیشتر از سرعت واکنش با گاز دیاکسیدکربن میباشد.

● ساختار منافذ کربن

منافذ در کربنهای فعال شده دارای اندازه و شکلهای متفاوتی میباشند. منافذ براساس اندازه آنها به سه دسته تقسیمبندی میشوند.

۱. ماکرومنافذ: دارای میانگین قطری بیشتر از ۵۰ نانومتر میباشند.

۲. مزومنافذ: دارای قطری برابر با ۲ الی ۵۰ نانومتر میباشند.

۳. میکرومنافذ: دارای قطری کمتر از ۲ نانومتر میباشند که خود نیز به سوپر و آلترا میکرو تقسیم میشوند.

بعضی از کربن فعالها با توجه به نوع موادخام مصرفی، شکل منفذ موجود در کربن فعال تولید شده متفاوت میباشد.

● جذب به وسیله کربن فعال شده:

جذب عبارت است از قرارگیری لایهای مولکولهای گاز یا مایع از یک فاز در حال حرکت بر روی سطح یک جسم جامد به کمک نیروی جاذبه مولکولی واندروالس. اتمهای سطحی جسم جامد کربن فعال در مقایسه با اتمهای داخلی دارای انرژی موازنه نشدهای میباشند و مولکولهای خارجی سعی بر موازنه کردن این انرژی دارند و بر سطح جذب میشوند این مولکولها لایه تکی روی سطح جسم جامد را تشکیل میدهند.

● کربنهای فعال پیشرفته:

علاوه بر کاربردهای عمومی کربنهای فعال، کربنهای فعال پیشرفتهای با کنترل مخصوص بر روی ساختار منافذ در چند دهه اخیر برای کاربردهای خاص، ایجاد شدهاند.

۱. غربالکنندههای مولکولی کربنی (CMS):

غربالهای کربنی یک کلاس ویژه از کربنهای فعال میباشند که دارای منفد با اندازه کوچک و با یک محدوده توزیع کوچک در حدود میکرو منافذ میباشند.این کربنها برای جداسازی و جذب گاز و مایع در محیطهائی با غلظتهای خیلی کم مورد استفاده قرار میگیرند. مشابه جذب گاز اتیلن برای تازه نگهداشتن میوه و سبزیجات، اغلب کاربرد کربنهای CMS در سیستمهای جداسازی گاز میباشد. اندازه منفذ در کربنهای CMS با اندازه مولکولهای جذبشونده نیتروژن و هیدروژن قابل مقایسه میباشد. دمای جذب نیز سرعت جذب یک گاز را تحتتأثیر خود قرار میدهد، در دمای بالا سرعت جذب نیز بالاتر میباشند. کربنهای CMS برای جداسازی نیتروژن و اکسیژن مورد استفاده قرار میگیرند.

۲. الیاف کربن فعال:

تکنولوژی تولید الیاف کربن فعال شده ترکیبی از تولید الیاف کربن بهعلاوه مراحل فعالسازی آن میباشد. تا هنگامیکه خصوصیات مکانیکی بالا مورد نیاز نباشد ترجیح داده میشود که الیاف کربن با ساختار آمورف تولید شود. بنابراین فرآیند تولید الیاف کربن فعال شده شامل توسعه الیاف کربن آمورف در دمائی در حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد صورت میگیرد. در الیاف کربن حاصل از قیر میتوان بالاترین مساحت ویژهای در حدود ۲۵۰m^۲/g و بیشترین حجم میکرو منافذ در حدود ۶۱/۱ ml/g را بهدست آورد.

کربن فعال بهداشتی یکی از مهمترین نیازهای صنایع داخلی کشور است که در گذشته فاقد فناوری تولید آن بودیم و نیاز صنایع به این ماده از طریق واردات تامین میشد. با توجه به نیاز کشور به تولید دانش محور تولید این ماده مورد توجه قرار گرفت و دسترسی به دانش تولید و همچنین تولید این ماده استراتژیک در عرصه تصفیه و فیلتراسیون محقق شد.

ثبت 2 اختراع، مقامهای اول وسومدرمسابقههای کارآفرینی کشوری به میزبانی دانشگاه تهران و دانشگاه صنعتی شریف، کسب استاندارد بهداشتی مربوط (FCC) و همچنین کسب رتبه اول پژوهشهای کاربردی در نهمین جشنواره جوان خوارزمی نشاندهنده دانشمحور بودن تحقیقات انجام شده در این زمینه است که استقبال صنایع مختلف قابلیتهای صنعتی این محصول را نیز مورد تایید قرار داده است.

کربن فعال در مقایسه با کربن معمولی از مساحت سطح داخلی، تخلخل و قابلیت بیشتری برای جذب گازها و مایعات شیمیایی برخوردار است. این گروه از مواد به عنوان جاذبهای حیاتی در صنایع شناخته شدهاند و با توجه به اینکه قابلیت ویژهای در جذب گازها و مایعات مزاحم دارند، در زمینههای مختلفی مورد استفاده قرار میگیرند و میتوان از آنها برای تصفیه و پاکسازی و حتی بازیافت مواد شیمیایی استفاده کرد.

کربن فعال به دلیل مساحت گسترده، ساختار منفذی، ظرفیت جذب بالا و قابلیت فعالسازی مجدد سطح به عنوان یک ماده منحصر به فرد شناخته شده است و به دلیل چنین ویژگیهای منحصر به فرد و همچنین قیمت پایین در مقایسه با جاذبهای غیرآلی مانند زئولیت، اهمیت ویژهای در صنایع مختلف دارد.

جداسازی بو، رنگ و مزههای غیردلخواه از آب در عملیاتهای خانگی و صنعتی، بازیافت حلال، تصفیه هوا بویژه در رستورانها، صنایع غذایی و شیمیایی از مهمترین زمینههای کاربرد این ماده است. علاوه بر اینکه کربن فعال در ترکیب با مواد غیرآلی به عنوان کاتالیست استفاده میشود، در داروسازی نیز برای مبارزه با یک نوع باکتری خاص به کار میرود و به عنوان جداکننده اسیدهای آروماتیک از حلال در داخل اسیداستیک نیز میتوان از آن استفاده کرد.

کربنهای فعالشده محصولات پیچیدهای هستند و به همین دلیل طبقهبندی آنها براساس رفتار، مشخصات سطح و روش آمادهسازی اغلب مشکل خواهد بود. استاندارد جذب برای کربن فعال مورد استفاده جذب حدود 20 درصد وزنی گاز GB یا سیانوژن کلراید است.

اگر کربن فعال تازه و در معرض رطوبت قرار گرفته باشد، میتواند تا 40 درصد وزنی GB را جذب کند. تعداد زیادی از گازهای سمی را میتوان با گذراندن از کربن فعالشده از هوا جدا کرد.

این ویژگی درخصوص مواد شیمیایی با وزن مولکولی بالا مانند GB موثر است، اما گازهای سبک مانند کربن یا سیانوژن کلراید را نمیتوان به راحتی دیگر گازها جدا کرد. برای مثال منواکسید کربن یکی از موادی است که بهسختی میتوان آن را به کمک کربن فعال جذب کرد.

این در حالی است که میتوان با استفاده از تزریق یک سری از مواد شیمیایی به کربن فعال، قابلیت جذب این گونه مواد را نیز در کربن فعال ایجاد کرده و قدرت بازدارندگی کربن فعال را افزایش داد. برای این کار میتوان از نمکهای نقره، مس و کرم استفاده کرد.

همچنین فیلترهای کربن فعال خاصیت جذب مواد آلی و بعضی از فلزات سنگین محلول در آب را دارند و رنگ، بو، کلر و ترکیبات کلر را از آب جذب میکنند. از آنجا که بستر کربن فعال نیز مانند فیلترهای زرین، محیط مناسبی را برای تغذیه و بستر باکتریها بهوجود خواهد آورد، گندزدایی و تصفیه میکروبی از مراحل بعدی ضروری در تصفیه آب خواهد بود.

به گفته مهندس سیدمیعاد صالحی، دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی شریف و مجری این طرح، کربن فعال در مراحل تصفیه و فیلتراسیون صنایع مختلف مانند صنایع غذایی (روغن نباتی، قند و شکر و…)، صنایع آب و فاضلاب، صنایع فیلتراسیون هوا و صنایع دارویی مورد استفاده قرار میگیرد و به همین علت به عنوان یک ماده استراتژیک در تصفیه و فیلتراسیون محسوب میشود. مصرف سالانه این ماده در کشور حدود 40 هزار تن برآورد شده است که تقریبا به طور کامل از طریق واردات تامین میشود.

اما در حال حاضر پس از انجام تحقیقات بسیار زیاد در این زمینه و کشف مسیر فرآیند این محصول توانستهایم به فناوری برتر تولید این ماده در کشور دست یابیم.

اساس تهیه کربن فعال دارای دو مرحله اصلی کربونیزاسیون و فعالسازی است. کربن فعالشده از پیرولیز (تغییر شیمیایی در اثر حرارت) مواد کربنی از قبیل چوب، زغالسنگ و هسته میوهها با پلیمرهای مصنوعی از قبیل ریون، پلیاکریلونیتریل یا فنولیک به دست میآید و در مراحل بعدی تحت عملیات فعالسازی قرار میگیرد.

پیرولیز مواد کربنی، بدون حضور هوا، باعث تخریب مولکولهای غیرآلی میشود که یک ماده قیریشکل حاوی مواد گازدار خواهد بود و در نهایت یک جسم جامد کربنی از آن ایجاد خواهد شد. جسم تولیدشده دارای تعداد زیادی حفرههای بزرگ و دارای سطح ویژهای در حد چندین مترمربع بر گرم خواهد بود. از نظر اقتصادی ترجیحا موادی با کربن بالا و مواد آلی کم برای تولید کربن فعال شده انتخاب میشود. ماده جامد تشکیل شده حاصل از عملیات پیرولیز باید دانسیته بالا داشته و دارای گازهای فرار کافی باشد.

آزادسازی گازهای فرار در مرحله پیرولیز باعث ایجاد منافذی در کربن میشود. دانسیته بالا باعث میشود کربن از استحکام و ساختار محکمی برخوردار شود. چوب، زغالسنگ، سیگمنت (نوعی زغالسنگ)، پوست نارگیل و تورب مواد خامی هستند که به ترتیب از نظر ظرفیت تولید کربن متخلخل، مشخصات نهایی و مقدار مصرف اهمیت آنها افزایش خواهد یافت.

در حین کربونیزاسیون اجزای غیرکربنی مانند هیدروژن و اکسیژن به صورت گاز از مواد اولیه خارج میشوند و کربنهای آزاد نیز به صورت گروهی، بلورهای گرانیت را تشکیل میدهند. به دلیل وجود منافذ در میان بلورها، آرایش بلورها از 2 طرف به صورت نامنظم خواهد بود.

این فرآیند معمولا در درجه حرارتی کمتر از 800 درجه سانتیگراد در یک محیط حاوی یک جریان ورودی از اتمسفر انجام میشود. ساختار ریز منافذ کربن در دمای حدود 500 درجه سانتیگراد شکل میگیرد. برخی از این منافذ به وسیله ماده قیری آزاد شده در حین فرآیند پیرولیز مسدود میشود که میتوان با حرارت مجدد حدود 800 درجه سانتیگراد، مجددا این منافذ را ایجاد کرد. افزایش دما تا 100 درجه سانتیگراد پیش از آن باعث سخت شدن ساختار کربن و کاهش درجه تخلخل میشود.

در حال حاضر در پالایشگاه های تصفیه ی گاز، کربن های فعال پس از مصرف در یک دوره ی شش ماهه، به صورت دور ریز در اطراف پالایشگاه ها رها می شوند که این امر از نظر اقتصادی و مسایل زیست محیطی مشکلاتی را در پی خواهد داشت. در کشورهای توسعه یافته، به وسیله ی تکنولوژی های خاص، پارامترهای اساسی این ماده در چند مرحله بازیابی و مجدداً در سیستم های جذب مورد استفاده قرار می گیرند.

اصلی ترین هدف در این مقاله، بررسی امکان استفاده ی مجدد کربن های فعال مصرف شده است.

یکی از تکنولوژی های اصلی و مهم در صنعت گاز برای حذف مواد شیمیایی آلاینده با غلظت کم، استفاده از پدیده ی جذب سطحی در بسترهای کربن فعال است. امروزه این فناوری، جایگزین بسیاری از روش های جدا سازی شده است. پس از جذب مواد آلاینده، بسترهای حاوی کربن بایستی تحت عمل احیاء قرار گرفته و مواد جذب شده از بسترها دفع شوند. روش های متفاوتی به منظور احیاء بسترهای کربنی وجود دارند که هر یک دارای محدوده ی عملکردی و نقاط ضعف و قوت خاص خود می باشند.

در این مقاله روشهای مختلف بازیابی کربنهای فعال مصرفی در پالایشگاه های گاز و انتخاب روش مناسب بازیافت بر اساس مطالعات انجام شده و نیز انجام آزمایشات بازیابی با استفاده از سیستم Set-up مطرح شده و سپس به بررسی فنی – اقتصادی موضوع می پردازیم. روش های احیاء و بازیافت کربن های فعال به طور کلی بر اساس دفع و یا تجزیه استوار هستند.

در روش های دفع (Regeneration)، افزایش دما و استفاده از یک حلال، بدون این که ساختمان کربن را تخریب کنند، موجب خارج کردن آلاینده ها از آن می شوند. در صورتی که روش های تجزیه و یا فعال سازی مجدد (Reactivation)، در دماهای بسیار بالا انجام گرفته و در آن ها مواد آلاینده تخریب میگردند و بدین ترتیب کربن مجدداً فعال می شود.

روش های گوناگونی که از آن ها برای احیاء کربن ها استفاده می شود عبارتند از : حرارتی (توسط گاز بی اثر، بخار آب یا آب داغ)، غیر حرارتی (استخراج به وسیله ی حلال های شیمیایی، عوامل فعال کننده ی سطحی و استخراج فوق بحرانی)و تجزیه (شیمیایی به صورت کاتالیستی یا حرارتی، میکروبی یا الکتروشیمیایی). احیاء یا فعال سازی مجدد فوق را می توان در محل مصرف کربن ها و یا خارج از محل انجام داد. انتخاب هر یک از این راه ها بستگی به مقدار مصرف کربن، نوع مواد آلاینده، نوع کربن و دیگر پارامترهای تاثیر گذار دارد. در نهایت فاکتورهای اقتصادی فرایند، تعیین کننده بوده و در برخی موارد دور ریختن کربن ها بهترین گزینه است.

بازیافت حرارتی کربن فعال:

بازیافت یا احیاء حرارتی که در این بخش مورد بررسی قرار می گیرد، یکی از مهمترین و قابل انعطاف ترین تکنیک ها برای بازیابی کربن های فعال مصرف شده در فرایند تصفیه است. اصولاً در صورتی که مخلوطی از مواد شیمیایی آلی جذب کربن شده باشند روش هایی غیر از روش حرارتی به اندازه ی کافی موثر واقع نمی شوند. در سایر روش ها فقط بخشی از مواد جذب شده توسط یک حلال خاص، گاز داغ یا ماده ی شیمیایی حذف می شوند . بدین ترتیب کارایی کربن به طور پیوسته طی بازیافت های مکرر کاهش یافته و پس از چند مرحله بازیابی، باید کربن را دور ریخت. از آنجا که در اکثر سیستم های استفاده از بسترهای کربنی به خصوص فرایندهای تصفیه ی گاز، مخلوط پیچیده ای از مواد آلی و ترکیبات دیگر با نقاط جوش بالا جذب بستر کربنی می شوند، لذا روش بازیافت حرارتی بالاترین راندمان بازیافت را خواهد داشت.

در احیاء یا بازیافت حرارتی، فرایند خشک کردن، دفع حرارتی و بازیابی در دماهای بالا در حضور گازهای بی اثر یا مقادیر جزیی از گازهای اکسید کننده مانند بخار آب، دی اکسید کربن و هوا انجام می پذیرد. به دلیل وجود دماهای بالا، این عمل را معمولاً در محل انجام نمی دهند. به همین دلیل نیاز به حمل کربن های مصرفی به واحدهای بازیابی هست. این واحدها شامل کوره های چند طبقه یا کوره های دوار با تجهیزات جانبی هستند.

بازیافت در دماهای بالا معمولاً منجر به کاهش 5 تا 15 درصدی ظرفیت جذب و سطح فعال کربن ها و نیز هدر رفتن حدود 10 درصد در هر مرحله ی بازیابی می شود. به همین دلیل ساختمان کربن ها به مرور ضعیف تر شده و برخی از روزنه های ریزتر نیز در دماهای بالا مسدود می شوند.از این رو عمل بازیافت حرارتی معمولاً بیش از دو تا سه مرحله بر روی یک نوع کربن مصرف شده انجام نمی گیرد. جهت مطالعه ی عملکرد بازیافت حرارتی روی کربن های فعال مصرف شده از روش های آنالیز وزنی حرارتی (TGA) و دفع حرارتی برنامه ریزی شده (TPD) همراه با آنالیز وزنی یا طیف سنجی جرمی استفاده می شود .

در فرایند بازیافت حرارتی از کوره های چند طبقه، دوار، بستر ثابت، بستر متحرک و بستر سیال استفاده می شود، انتخاب نوع کوره بستگی به پارامترهای گوناگونی چون مقدار کربن مصرفی، هزینه های ساخت و نصب، فضای مورد نیاز، مصرف سوخت، خوردگی و سایر عوامل عملیاتی دارد.

بازیابی شیمیایی کربن فعال:

علیرغم این که در حال حاضر بازیابی حرارتی متداول ترین روش بازیافت کربن فعال است، این روش با چالش هایی نیز همراه شده که از مهمترین آن ها می توان به حدود 5 تا 10 درصد اتلاف کربن ناشی از اکسایش و سایش و نیز هزینهی مصرف انرژی بالا برای این نوع بازیابی است. از سوی دیگر انتقال کربن فعال مستعمل از محل استفاده به محل بازیافت، که معمولاً همان واحدهای ساخت کربن فعال هستند، مستلزم صرف هزینه ی قابل توجهی است.

یکی از روش هایی که به عنوان جایگزین روش بازیافت حرارتی کربن فعال پیشنهاد شده است، بازیافت شیمیایی آن است. در این روش ماده ی جذب شده، در اثر یک واکنش شیمیایی یا یک بر هم کنش شیمی فیزیکی، سطح کربن فعال را ترک می کند. روش بازیافت شیمیایی دارای این مزیت است که تقریباً هیچ اتلافی در کربن ایجاد نمی کند. همچنین در اغلب موارد در دمای محیط انجام می شود، بنابراین مصرف انرژی ناچیزی دارد و عمل بازیافت در محل استفاده، روی می دهد.

بازیافت کربن فعال با سیال فوق بحرانی:

یکی از نخستین کاربردهایی که برای سیال فوق بحرانی در نظر گرفته شد، بازیافت کربن فعال بود. روش استخراج با سیال فوق بحرانی بر این اصل استوار است که با توجه به این که اغلب مواد آلی در سیال فوق بحرانی قابل حل هستند، با عبور جریانی از این سیال، این مواد از کربن فعال دفع و در فاز سیال فوق بحرانی حل می شوند . مزایای استفاده از سیال فوق بحرانی برای بازیافت کربن فعال نسبت به روش بازیابی حرارتی عبارت است از :

- مصرف انرژی کمتر برای عملیات بازیابی

- اتلاف کمتر کربن فعال در خلال بازیابی

معیارهای انتخاب روش بهینه در بازیافت کربنهای فعالبر اساس مطالعات انجام شده و مقایسه ی روش های مختلف بازیابی کربن فعال تحت شرایط متفاوت و نیز کاربردهای آن می توان به موارد زیر اشاره کرد.

- احیاء (Regeneration) در محل (on-site) با استفاده از بخار آب

- احیاء در محل توسط گاز خنثی داغ (نیتروژن)

- احیاء در محل توسط حلال هایی نظیر متانول، اتانول، اسید استیک و اسید فرمیک

- احیاء در محل توسط نوسانات فشار

- بازیابی (Reactivation) در محل (on-site) یا خارج از محل (off-site)

- بازیابی در محل یا خارج از محل توسط کوره های چند مرحله ای

- بازیابی در محل یا خارج از محل توسط کوره های چند مرحله ای الکتریکی

روش های پیشنهادی فوق بر اساس نوع کربن و موارد مصرف، در فرایندهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. مهمترین فاکتور در انتخاب روش، شناخت ترکیبات جذب شده روی بسترهای کربنی و نیز فرایند مورد نظر است؛ چرا که بر حسب خواص ترکیبات جذب شده و نیز ساختار این مواد باید از روش های مناسب استفاده کرد تا از راندمان بازیابی مناسب برخوردار شویم. در مورد خاص کربن فعال مورد مصرف در فرایند های تصفیه ی گاز توسط محلول آمین که ترکیبات مختلفی موجب غیر فعال شدن کربن می شوند شرایط متفاوت است.

مجموعه موادی که جذب بستر کربن مورد استفاده در فرایند تصفیه با آمین قرار می گیرند به دو دسته تقسیم می شوند، دسته ی اول موادی هستند که فرّار بوده و امکان دفع یا خارج کردن آن ها از بستر کربنی از طریق روش های احیاء در محل ( نظیر استفاده از بخار آب و گاز داغ و یا شستشوی با حلال ) وجود دارد. این روش به درصدی از بازیابی سطح کربن خواهد رسید. دسته ی دوم را ترکیباتی با نقاط جوش بالا تشکیل می دهند که از آن جمله می توان به ترکیبات ناشی از تجزیه ی آمین و یا مواد افزودنی به سیستم اشاره کرد.

حذف این ترکیبات با استفاده از روش های احیاء در محل امکان پذیر نبوده، لذا باید از روش های بازیابی (Reactivation) در خارج از محل با استفاده از کوره های خاص و تحت شرایط عملیاتی پیش بینی شده استفاده کرد. با بهره گیری از این روش می توان به راندمان بازیابی مطلوب دست یافت.

شرح مختصر یک واحد صنعتی بازیافت کربن فعال:

از آنجا که مبنای روش انتخاب شده، بازیابی حرارتی با استفاده از کوره ی دوار و خارج از محل می باشد به عنوان بخش پایانی، در مورد عملیات بازیابی در یک واحد صنعتی توضیحاتی به شرح زیر ارایه می شود. همانطوری که در شکل نشان داده شده، کربن فعال مصرف شده به صورت پیوسته یا ناپیوسته همراه با جریان آب وارد سیلوهای مخصوص خوراک (Spent Carbon Storage) و از آن جا وارد سیستم تزریق خوراک (Furnace Feed Tank) می شود که در ارتفاع بالاتری نسبت به کوره بازیابی قرار گرفته است. سپس از طریق ظرف تفکیک کننده ی کربن و آب (Dewatering screw) وارد کوره ی دوار ( که قسمت اصلی سیستم است ) می شود .

کوره ی دوار شامل یک استوانه ی فولادی است که دو انتهای آن توسط پوشش های ثابت بسته شده و روی دو تا سه سری محور نصب شده است. جریان خوراک به صورت متقابل با بخار و گازهای محترق کننده در طول کوره جریان دارند. کوره دارای شیب ملایم از ورودی به سمت خروجی است تا جریان خوراک ورودی به سمت خروجی هدایت شود. ضمناً سرعت دوران کوره از طریق چرخ دنده های تعبیه شده روی پوسته قابل کنترل است که تغییر در زمان ماند یا زمان بازیابی را موجب می شود. کربن فعال شده از قسمت انتهایی به سمت مجرا، به تانک خاص (Quench Tank) که از آب پر شده وارد و از آن جا وارد مخزن نگهداری کربن فعال می شود.گازهای خروجی ابتدا وارد After burner و سپس scrubber می شوند تا ترکیبات مضر حذف گردند.

تولید کربن فعال از ساقه خوشه انگور:

ایران با تولید سالیانه 3 میلیون تن انواع انگور هفتمین تولید کننده بزرگ انگور در دنیاست . در همین حال استان فارس با %13 کل تولید کشور , بعنوان اولین تولید کننده انگور کشور محسوب می شود . ساقه خوشه انگور از جمله ضایعات تولید کنندگان به شمار می رود که در مقادیر فراوان در دسترس می باشد . در حال حاضر بهترین کاربرد آن به صورت مکمل خوراک دام کاربرد می باشد . در این مقاله به بررسی فرایندهای فیزیکی و شیمیایی تولید کربن فعال از ضایعات مهم باغی کشور با تاکید بر خوشه انگور پرداخته می شود . در این راستا دو روش فعال سازی فیزیکی و شیمیایی که مورد توجه اغلب محققین می باشد مورد بررسی قرار می گیرد .

در روش فیزیکی ابتدا کربونه کردن در دمای حدود 500 ^oC و در اتمسفر خنثی انجام می شود . زغال تولیدی جهت بهینه سازی عملکرد و حذف قابل توجه خاکستر در معرض فرایند اسیدشویی قرار می گیرد . مرحله پایانی تولید، شامل فعال سازی با بخار آب می باشد . در روش شیمیایی که در دمایی بالاتر از 530 ^oC صورت می پذیرد خوشه با محلول اسید فسفریک به نسبت های مختلف اشباع شده و سپس خوشه اسیدی شده در معرض فرایند حرارتی قرار می گیرد . کربن فعال حاصله در بیشتر موارد از دیدگاه عملکردی بخصوص خواص سطحی قابل رقابت با مواد اولیه دیگر است .

با توجه به تولید قابل توجه انگور در ایران، همچنین مصر ف بسیار زیاد کربن فعال در صنایع مختلف بخصوص صنایع نفت و پتروشیمی، در صورت م وفقیت در تولید اقتصادی این محصول ضمن ایجاد ارزش افزوده در بخش کشاورزی از خروج مبالغ قابل توجه ارز از کشور جلوگیری می شود.