کربن اکتیو یکی از آن موادی است که در صنایع مختلف حضور پررنگی دارد، اما کمتر به آن توجه میشود. شاید نام آن را در تصفیه آب، ماسک‌های فیلتردار یا حتی صنایع شیمیایی شنیده باشید، اما کمتر کسی به ماهیت و ویژگی‌های این ماده دقت کرده است. درک دقیق‌تر این موضوع می‌تواند به ما کمک کند تا با کاربردهای گسترده آن آشنا شویم و بفهمیم چرا در بسیاری از فرآیندهای صنعتی و حتی روزمره از آن استفاده میشود.
ما امروز در شیمی داکس قصد داریم به بررسی این سوال که کربن اکتیو چیست و چه کاربردی دارد؟ بپردازیم. در ادامه، به ویژگی‌ها، روش‌های تولید، کاربردهای مختلف و نکاتی که باید هنگام خرید این ماده در نظر بگیرید، اشاره خواهیم کرد. پس تا پایان این مطلب همراه ما باشید.
کربن فعال چیست؟
کربن فعال یا کربن اکتیو (Activated Carbon) نوعی ماده کربنی با سطح تماس بسیار بالا و ساختار متخلخل است که توانایی جذب مواد مختلف را دارد. این ماده از منابع کربنی مانند زغال‌سنگ، پوست نارگیل، چوب و دیگر مواد آلی کربن‌دار به دست می‌آید و طی فرآیندهای خاصی فعال‌سازی میشود تا تخلخل آن افزایش یابد. ویژگی اصلی کربن فعال، ظرفیت جذب بالای آن برای گازها، مایعات و آلاینده‌ها است.
انواع کربن فعال
در جامعه شیمی کربن اکتیو را به روش های مختلفی دسته بندی کردند. ما دو روش دسته بندی رایج را برای شما عزیزان آماده کردیم.
- انواع کربن فعال بر اساس شکل فیزیکی و روش تولید
- انواع کربن فعال بر اساس کاربرد
انواع کربن فعال بر اساس شکل فیزیکی و روش تولید
ما در پیلار مگ کربن فعال را بر اساس شکل فیزیکی و روش تولید به 5 دسته اصلی تقسیم بندی کردیم.
- کربن فعال گرانولی (GAC – Granular Activated Carbon): به‌صورت دانه‌های درشت و نامنظم تولید میشود و معمولاً در تصفیه آب و گازها استفاده میشود. این نوع به دلیل اندازه بزرگ‌تر، جریان مایعات و گازها را بهتر عبور می‌دهد و در سیستم‌های فیلتراسیون طول عمر بالایی دارد.
- کربن فعال پودری (PAC – Powdered Activated Carbon): دارای ذرات بسیار ریز است و بیشتر در فرآیندهای تصفیه سریع، از جمله تصفیه آب آشامیدنی، صنایع غذایی و دارویی به کار می‌رود. این نوع به‌دلیل سطح تماس بالا، جذب سریعی دارد اما حذف آن از سیستم سخت‌تر است.
- کربن فعال اکسترود شده (EAC – Extruded Activated Carbon): به‌شکل استوانه‌ای و فشرده ساخته میشود و معمولاً در تصفیه هوا و گازها استفاده دارد. این نوع استحکام مکانیکی بالایی داشته و در فیلترهای گازی و کاتالیست‌های صنعتی کاربرد دارد.
- کربن فعال آغشته‌شده (Impregnated Activated Carbon): با مواد شیمیایی خاصی مانند نقره، پتاسیم پرمنگنات یا اسیدهای قوی ترکیب میشود تا توانایی جذب و حذف آلاینده‌های خاص مانند جیوه یا گازهای اسیدی را افزایش دهد.
- کربن فعال کروی (SAC – Spherical Activated Carbon): به‌شکل گوی‌های ریز تولید میشود و در کاربردهای خاصی مانند صنایع پزشکی، جذب بخارات خاص و تصفیه گازهای صنعتی به‌کار می‌رود.
انواع کربن فعال بر اساس کاربرد
ما در پیلار مگ کربن فعال را بر اساس کاربرد به 3 دسته اصلی تقسیم بندی کردیم.
- کربن فعال خوراکی: این نوع برای استفاده در صنایع غذایی و دارویی تولید میشود و از منابع گیاهی مانند پوست نارگیل یا چوب تهیه میشود. در محصولاتی مانند فیلترهای تصفیه آب، رنگ‌بری از شکر، تولید نوشیدنی‌ها و حتی برخی مکمل‌های غذایی به کار می‌رود.
- کربن فعال پزشکی: در مصارف درمانی مانند جذب سموم و داروهای مضر از دستگاه گوارش استفاده میشود. این نوع معمولاً در بیمارستان‌ها برای درمان مسمومیت‌ها، مشکلات گوارشی و برخی فرآیندهای تصفیه خون مانند دیالیز کاربرد دارد.
- کربن فعال صنعتی: این نوع در تصفیه آب، تصفیه هوا، حذف آلاینده‌های شیمیایی و کاربردهای صنعتی مانند رنگ‌بری، کاتالیست‌های شیمیایی و جذب گازهای سمی استفاده میشود. بسته به نوع کاربرد، می‌تواند در قالب‌های پودری، گرانولی یا اکسترود شده باشد.
کاربرد کربن فعال
همان طور که می‌دانید کربن فعال به دلیل ساختار متخلخل و سطح جذب بالا، به‌عنوان یکی از مهم‌ترین جاذب‌های طبیعی شناخته میشود و کاربردهای زیادی در صنایع مختلف دارد که در ادامه بیشتر با آنها آشنا خواهیم شد.
1. تصفیه آب و فاضلاب
یکی از مهم‌ترین کاربردهای کربن فعال در حذف آلاینده‌ها، مواد شیمیایی، کلر، بو و مزه نامطبوع از آب آشامیدنی است. این ماده در فیلترهای تصفیه آب خانگی، دستگاه‌های تصفیه صنعتی و حتی تصفیه‌خانه‌های شهری به کار می‌رود. کربن فعال توانایی بالایی در جذب مواد آلی و ترکیباتی مانند کلروفرم، تری‌هالومتان‌ها و سایر آلاینده‌های مضر دارد که ممکن است در آب شهری یافت شوند.
علاوه بر این، در فرآیند تصفیه فاضلاب نیز برای حذف ترکیبات آلی، رنگ‌ها، فلزات سنگین و آلاینده‌های سمی استفاده میشود. کربن فعال گرانولی و پودری در سیستم‌های تصفیه فاضلاب برای کاهش بار آلودگی و جلوگیری از ورود مواد خطرناک به محیط‌زیست کاربرد گسترده‌ای دارد. به همین دلیل، بسیاری از صنایع شیمیایی و تولیدی از این ماده برای تصفیه پساب‌های صنعتی خود استفاده می‌کنند.
2. تصفیه هوا و کنترل آلودگی
کربن فعال نقش مهمی در جذب گازهای سمی، بوهای نامطبوع و بخارات شیمیایی دارد و در تصفیه هوا بسیار مؤثر است. این ماده در فیلترهای دستگاه‌های تصفیه هوا، تهویه‌های صنعتی و سیستم‌های کنترل آلودگی به کار می‌رود. کربن فعال به‌ویژه برای جذب ترکیبات آلی فرار (VOCs)، دی‌اکسید گوگرد (SO₂)، آمونیاک و سایر گازهای مضر بسیار مؤثر است.
در بیمارستان‌ها، کربن فعال در ماسک‌های پزشکی و اتاق‌های جراحی برای حذف گازهای بیهوشی و سایر آلاینده‌های هوا مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین، در صنایع شیمیایی و کارخانجات تولیدی، از کربن فعال برای کاهش انتشار آلاینده‌ها و جلوگیری از تأثیرات زیان‌بار آنها بر محیط‌زیست استفاده میشود. این ماده حتی در خودروها نیز برای تصفیه گازهای خروجی از موتور و کاهش آلودگی هوا کاربرد دارد.
3. صنایع غذایی و نوشیدنی
کربن فعال در صنایع غذایی برای رنگ‌بری، حذف ناخالصی‌ها و بهبود کیفیت محصولات به کار می‌رود. در تصفیه شکر، از کربن فعال برای حذف رنگ‌های ناخواسته و افزایش شفافیت آن استفاده میشود. در تولید نوشیدنی‌ها مانند آب‌میوه، سرکه، روغن‌های خوراکی و حتی برخی نوشیدنی‌های الکلی نیز این ماده نقش مهمی در بهبود طعم و کاهش ترکیبات نامطلوب دارد.
علاوه بر این، در صنعت تولید مکمل‌های غذایی، از کربن فعال برای جذب سموم و کاهش آلودگی‌های شیمیایی در مواد اولیه استفاده میشود. در برخی کشورها، از این ماده در تولید بستنی، آدامس و محصولات مشابه به عنوان رنگ‌دهنده طبیعی و ماده‌ای با خواص سم‌زدایی بهره می‌برند.
4. پزشکی و داروسازی
کربن فعال کاربرد گسترده‌ای در درمان مسمومیت‌های دارویی و شیمیایی دارد. این ماده می‌تواند بسیاری از سموم، داروهای مضر و مواد شیمیایی را جذب کرده و مانع از ورود آنها به جریان خون شود. به همین دلیل، در اورژانس‌های پزشکی، کربن فعال خوراکی به‌عنوان یک روش مؤثر برای درمان مسمومیت‌های ناشی از مواد مخدر، الکل، فلزات سنگین و داروهای شیمیایی تجویز میشود.
علاوه بر این، در محصولات مراقبت از پوست، خمیردندان‌ها و ماسک‌های زیبایی از کربن فعال برای سم‌زدایی، جذب چربی اضافی و سفیدکنندگی دندان‌ها استفاده میشود.(این مورد احتمالاً خیلی دیدید مثل خمیر دندان ذغالی، ماسک صورت ذغالی و یا شامپو ذغالی و…) این ماده به دلیل خاصیت جذب قوی، به پاک‌سازی عمیق پوست کمک کرده و در درمان جوش و آکنه مؤثر است.
5. صنایع شیمیایی و نفت و گاز
کربن فعال در صنایع شیمیایی برای جذب ترکیبات آلی، بازیافت حلال‌ها و حذف ناخالصی‌های شیمیایی استفاده میشود. بسیاری از صنایع تولید مواد شیمیایی، از این ماده برای تصفیه گازها و حلال‌های آلی استفاده می‌کنند تا ترکیبات ناخواسته و سمی از محیط حذف شوند.
در صنعت نفت و گاز، کربن فعال برای حذف گوگرد از سوخت‌ها، تصفیه گازهای خروجی از پالایشگاه‌ها و کاهش آلاینده‌های زیست‌محیطی به کار می‌رود. همچنین، در برخی فرآیندهای پالایش نفت خام و تولید مواد پتروشیمی، این ماده به‌عنوان جاذب ناخالصی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
6. استفاده در فیلترهای سیگار و ماسک‌های تنفسی
یکی از کاربردهای کربن فعال در فیلترهای سیگار است که باعث جذب برخی از مواد مضر موجود در دود سیگار مانند نیکوتین، مونوکسید کربن و مواد سرطان‌زا میشود. این ویژگی باعث شده که در برخی از سیگارهای کم‌ضررتر، از فیلترهای حاوی کربن فعال استفاده شود تا تأثیرات زیان‌بار دود کاهش یابد.
در ماسک‌های تنفسی صنعتی و پزشکی نیز کربن فعال نقش مهمی در جذب گازهای خطرناک، آلاینده‌های شیمیایی و ذرات مضر دارد. ماسک‌های دارای فیلتر کربن فعال، به‌ویژه برای افرادی که در محیط‌های آلوده کار می‌کنند، مانند آتش‌نشانان، کارگران صنایع شیمیایی و کارکنان بیمارستان‌ها بسیار مفید هستند.
7. بازیافت فلزات گران‌بها
کربن فعال در صنایع معدنی و بازیافت برای استخراج طلا و نقره از محلول‌های سیانیدی استفاده میشود. این روش که با نام “جذب کربنی” شناخته میشود، یکی از مؤثرترین روش‌های استخراج فلزات گران‌بها از سنگ معدن است. در این فرآیند، محلول سیانیدی حاوی طلا یا نقره از روی کربن فعال عبور داده میشود و فلزات گران‌بها جذب سطح کربن می‌شوند. سپس، طی فرآیندهای شیمیایی، طلا و نقره از کربن جدا شده و بازیافت می‌شوند.
این روش به دلیل راندمان بالا، هزینه نسبتاً کم و کاهش اثرات زیست‌محیطی، در بسیاری از معادن طلا و نقره در سراسر جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین، کربن فعال در فرآیندهای تصفیه فلزات دیگر مانند پلاتین و پالادیوم نیز به کار می‌رود.
خطرات و عوارض کربن فعال
کربن فعال به‌طور کلی ماده‌ای بی‌خطر محسوب میشود، اما در برخی شرایط می‌تواند مشکلاتی ایجاد کند. استنشاق گرد و غبار آن ممکن است باعث تحریک دستگاه تنفسی و سرفه شود. در صورت تماس با چشم، ممکن است باعث سوزش و تحریک شود. همچنین، مصرف خوراکی بیش‌ازحد آن، به‌ویژه بدون مشورت پزشکی، می‌تواند باعث مشکلات گوارشی و کاهش جذب برخی داروها و مواد مغذی در بدن شود.
شرایط ایمنی و نگهداری (MSDS)
برای نگهداری ایمن کربن فعال، باید آن را در محیطی خشک، خنک و دور از مواد شیمیایی اکسیدکننده نگهداری کرد، زیرا می‌تواند در حضور اکسیژن زیاد یا حرارت بالا خودبه‌خود مشتعل شود. هنگام جابه‌جایی، استفاده از ماسک، دستکش و عینک ایمنی توصیه میشود تا از استنشاق گرد و غبار و تماس مستقیم با پوست و چشم جلوگیری شود. همچنین، در صورت ریختن پودر کربن فعال، باید آن را با روش‌های خشک جمع‌آوری کرد و از ریختن آن در فاضلاب خودداری نمود.
فرایند تولید کربن اکتیو (ساخت کربن اکتیو)
تولید کربن فعال شامل چندین مرحله است که به‌طور کلی به دو روش فعال‌سازی فیزیکی و فعال‌سازی شیمیایی انجام میشود. در هر دو روش، ماده اولیه‌ای مانند چوب، زغال‌سنگ، پوست نارگیل یا دیگر مواد کربنی تحت فرآیندهایی قرار می‌گیرد تا ساختار متخلخل آن ایجاد شود و توانایی جذب بالایی پیدا کند.
- انتخاب و آماده‌سازی ماده اولیه: مواد اولیه‌ای مانند زغال‌سنگ، پوست نارگیل، چوب یا استخوان حیوانات انتخاب میشود. این مواد ابتدا خرد شده و به اندازه‌های مناسب برای فرآیند تولید در می‌آیند.
- کربونیزاسیون (Carbonization): در این مرحله، ماده اولیه در غیاب اکسیژن و در دمای حدود 400 تا 800 درجه سانتی‌گراد حرارت داده میشود. این فرآیند باعث حذف ترکیبات فرار، رطوبت و گازهای اضافی شده و یک ساختار کربنی متخلخل ایجاد می‌کند.
- فعال‌سازی (Activation): در این مرحله، ساختار متخلخل کربن برای افزایش سطح جذب آن گسترش داده میشود. همان طور که گفتیم این کار به دو روش انجام میشود:
فعال‌سازی فیزیکی:در این روش، کربن تولیدشده در مرحله کربونیزاسیون را در دمای 800 تا 1100 درجه سانتی‌گراد با بخار آب یا دی‌اکسید کربن (CO₂) حرارت می‌دهند. این کار باعث افزایش میزان تخلخل و مساحت سطحی کربن فعال میشود.
فعال‌سازی شیمیایی: در این روش، ماده اولیه قبل از کربونیزاسیون با مواد شیمیایی مانند اسید فسفریک (H₃PO₄)، کلرید روی (ZnCl₂) یا هیدروکسید پتاسیم (KOH) آغشته میشود و سپس در دمای حدود 450 تا 700 درجه سانتی‌گراد حرارت داده میشود. این مواد به گسترش تخلخل و افزایش سطح جذب کمک می‌کنند. - شست‌وشو و خشک کردن: پس از فعال‌سازی، کربن فعال با آب شسته میشود تا مواد شیمیایی اضافی (در صورت استفاده از روش شیمیایی) از آن خارج شود. سپس در دمای مناسب خشک شده و برای بسته‌بندی آماده میشود.
- بسته‌بندی و عرضه: کربن فعال تولیدشده به‌صورت پودری، گرانولی یا قالبی بسته‌بندی میشود و برای استفاده در صنایع مختلف مانند تصفیه آب، صنایع غذایی، پزشکی و شیمیایی عرضه می‌گردد.
