بهينه سازي توليد کربن فعال به روش فعال‌سازي شيميايي

چکيده

براي توليد کربن فعال مواد اوليه­ی گوناگوني مورد استفاده مي­گيرند در اين تحقيق از پوست گردو، خاک اره حاصل از چوب‌هاي افرا و چنار که مواد کم قيمت و در دسترس هستند، به عنوان مواد اوليه ليگنوسلولوزيک استفاده شد با اعمال فعال­سازي شيميايي (با اسيد فسفريک) بر اين مواد، کربن فعال توليد شد و سپس خواص جذبي هر يک از محصولات مورد بررسي قرار گرفت. بدين ترتيب نمونه‌هايي با سطح ويژه بيش از m 2/gr 1350 و ميزان جذب يد mg/gr 1150 توليد شد. علاوه بر اين اثر هر يک از متغييرهاي فرايند نظير نوع ماده اوليه، نسبت آغشتگي، غلظت عامل فعال ساز شيميايي دماي تصفيه پايين، زمان اقامت در دماي پايين، دماي فعال سازي و زمان اختلاط بر خواص جذبي و بازده توليد کربن مورد بررسي قرار گرفت و بر اساس نتايج حاصل شرايط عملياتي بهينه توليد تعيين گرديد. همچنين باتوجه به نتايج مشخص شد که پوست گردو و خاک اره مواد ارزان قيمت با خواص فيزيکي مناسب براي توليدکربن فعال مي­باشند.

چکيده

براي توليد کربن فعال مواد اوليه­ی گوناگوني مورد استفاده مي­گيرند در اين تحقيق از پوست گردو، خاک اره حاصل از چوب‌هاي افرا و چنار که مواد کم قيمت و در دسترس هستند، به عنوان مواد اوليه ليگنوسلولوزيک استفاده شد با اعمال فعال­سازي شيميايي (با اسيد فسفريک) بر اين مواد، کربن فعال توليد شد و سپس خواص جذبي هر يک از محصولات مورد بررسي قرار گرفت. بدين ترتيب نمونه‌هايي با سطح ويژه بيش از m 2/gr 1350 و ميزان جذب يد mg/gr 1150 توليد شد. علاوه بر اين اثر هر يک از متغييرهاي فرايند نظير نوع ماده اوليه، نسبت آغشتگي، غلظت عامل فعال ساز شيميايي دماي تصفيه پايين، زمان اقامت در دماي پايين، دماي فعال سازي و زمان اختلاط بر خواص جذبي و بازده توليد کربن مورد بررسي قرار گرفت و بر اساس نتايج حاصل شرايط عملياتي بهينه توليد تعيين گرديد. همچنين باتوجه به نتايج مشخص شد که پوست گردو و خاک اره مواد ارزان قيمت با خواص فيزيکي مناسب براي توليدکربن فعال مي­باشند.

واژه­های کليدی : کربن فعال، فعال سازي شيميايي، سطح ويژه، عدد يد.

مقدمه

باتوجه به نياز فراوان صنايع مختلف نظير نفت وگاز، قند وگلوکز، نشاسته، نوشابه، تصفيه آب و روغن کشي به کربن فعال و عدم توليد اين ماده با کيفيت مطلوب در داخل کشور، لزوم توليد کربن فعال با کيفيت بالا و قيمت مناسب ضروری است. فرايندهايي که جهت تبديل ماده اوليه به يک محصول کربنيزه شده با ميزان خلل و فرج پايين (دراثر حرارت دهي) و يا کربن فعال با ميزان خلل و فرج بالا (در اثر حرارت دهي با اسيد فسفريک) وجود دارند، بر اساس واکنش و بر هم کنش بين بيوپليمرهاي مختلف مي­باشند. اين بيوپلمرها عموماً سلولز و ليگنين مي­باشند. اثر فعال سازي با اسيد فسفريک مربوط به کاهش قابل توجه دماي اين واکنش‌ها است. باتوجه به اينکه اسيدفسفريک يک عامل قوي دهيدراسيون است لذا حضور آن مي­تواند باعث گسسته شدن و سپس انجام واکنش‌هاي حلقوي شدن با مکانيسم يوني شود.

تجربی

مواد اوليه

پوست گردوي مورد استفاده براي توليد کربن فعال از باغ­هاي شهر ساوه تهيه شد. اين ماده ابتدا خشک و سپس به ترتيب در آسياب گلوله­اي و نوساني خرد و سپس دانه­بندي شد. چوب‌هاي چنار وافرا نيز از الوارشان تهيه شد. اين چوب­ها ابتدا خشک شدند و سپس توسط آسياب گلوله­اي خرد و پس از آن دانه­بندي شدند. آناليز مواد اوليه مورد استفاده براي توليد کربن فعال درجدول (1) ارائه شده است.

جدول (1) - آناليز مواد اوليه مورد استفاده براي توليد کربن فعال

فعال سازي با اسيد فسفريک

براي توليد کربن فعال از ذرات پوست گردو و چوب‌هاي چنار وافرا با اندازه 100 - 45 استفاده شد. طي آزمايش­هاي مختلف، مواد اوليه با نسبت آغشتگي 9/0-0 بااسيد فسفريک صنعتي با غلظت­هاي30، 50 ،80 درصد وزني در دماي محيط به مدت 90ـ15 دقيقه بهم زده شدند تا اسيد امکان نفوذ به درون ساختار اوليه را پيدا کند. پس از آن مقدار 200-100 گرم نمونه درداخل کوره به حجم 3 m 03/0 قرار داده شد و گاز نيتروژن بافشار يک اتمسفر ودبي حجمي m 3/hr 01/0 از داخل کوره عبور داده شد .

به منظور کربنيزه شدن وتخريب ساختار مولکولي نمونه تا دماي تصفيه پايين در محدوده C 0 250-150، ماده اوليه حرارت داده شد و به مدت 4-2/1 ساعت دراين دما نگهداري گرديد. پس ا زآن دما افزايش داده شد تا به دماي فعال سازي مورد نظر رسيد اين دما در محدوده C 0 750-350 مي­باشد. نمونه به مدت hr 3 در اين دما نگهداري شد و پس از آن تا دماي محيط خنک گرديد. پس از فعال سازي با اسيد، محصول جامد چندين بار توسط آب مقطر درحال جوش مورد شستشو قرار گرفت تا محلول حاصل از فيلتراسيون تقريبا خنثي شود (5/5< PH ). همچنين مقدار کمي از آب شستشو (تقريبا Ml 50) با محلول M 1/0 نيترات سرب { Pb(NO 3)­ 2 } به منظور بررسي وجود ترکيبات باقيمانده و پيوندهاي آزاد و يا در حال گسسته شدن فسفات مورد آناليز قرارگرفت. ازآنجا که هنگام کاربرد، درصورت وجود فسفات در کربن فعال، اين ماده با فلزات موجود در محلول واکنش مي­دهد و فسفات‌هاي نامحلول توليد مي­کند، حذف آن بسيار مهم است درهنگام آزمايش نيز اگر رسوب فسفات سرب { Pb 3(PO­ 4) 2 } سفيد رنگ ظاهر مي­شد، نمونه به مدت بيشتري مورد شستشو قرار مي­گرفت تا زماني­که ديگر رسوبي مشاهده نمي­گرديد. پس از شستشو نمونه دريک آون دردماي C 0 110 به مدت 3 ساعت خشک شد و سپس بازده توليد محاسبه گرديد.

آزمايش‌هاي کنترل کيفي

ميزان جذب يد کليه نمونه‌هاي سنتز شده از يک محلول استاندارد يد مطابق روش ASTM D4607 اندازه­گيري شد. بنا به تعريف ميزان جذب يد (برحسب ميلي گرم) از محلول استاندارد به ازاي هر گرم کربن فعال در شرايطي که غلظت محلول يد باقي­مانده N 2/0 باشد، را عدد يد مي­نامند. سطح ويژه تعدادي از نمونه‌ها نيز به روش جذب BET يعني سطحي تک لايه اتم‌هاي نيتروژن در دماي نيتروژن مايع ( C 0 196-) به دست آمد.

با افزايش نسبت آغشتگي عدد يد نمونه‌هاي توليدي افزايش يافته و به يک حداکثر رسيده و پس از آن افزايش نسبت آغشتگي تاثيري بر خواص جذبي نمونه‌هاي توليد شده نخواهد داشت. از لحاظ تئوري و با در نظر گرفتن ملاحظات اقتصادي فرايند و شرايط عملياتي، حداقل نسبت آغشتگي که در آن عدد يد نمونه‌هاي توليد شده به حداکثر مي­رسد، مناسب ترين نسبت آغشتگي مي­باشد. اين حداقل نسبت آغشتگي در مورد چوب افرا، پوست گردو و چوب چنار به ترتيب 45/0، 71/0 و 48/0 به دست آمد.

در هنگام استفاده از اسيد 30/0 و 50/0 حداقل نسبت آغشتگي براي رسيدن به حداکثر خاصيت جذبي، درشرايط عملياتي معين تقريبا يکسان است و در هنگام استفاده از اسيد 80/0 اين نسبت کمي بيشتر می­باشد. بالاتر بودن نسبت آغشتگي در اين حالت به علت اختلاط يکنواخت ماده اوليه واسيد است که در نتيجه نياز به مقادير بيشتر اسيد نيست.

تغييرات عدد يد با دماي تصفيه پايين به صورت يک منحني درجه دوم با يک ماکزيمم بوده و اين ماکزيمم همان دماي بهينه عمليات دما پايين است. دراين دما واکنش‌هاي تجزيه و دهيدراسيون صورت مي­پذيرند. براي هر سه ماده اوليه اين دما خيلي نزديک به 0 C 200 است.اگر دماي تصفيه پايين، ازمقدار معيني بيشتر باشد باعث تشکيل قطران مي­شود که منجر به انسداد خلل و فرج مي­گردد به نحويکه در حين فعال سازي نيز مي­توان آن­ها را از کربن فعال جدا کرد. اگر زمان اقامت ماده اوليه در دماي پايين، کمتر ازمقدار معيني باشد با توجه به سينتيک واکنش‌هاي درحال انجام، تعدادي از آنها نمي­توانندبه مراحل انتهايي خود برسند در نتيجه واکنشگر بطور کامل به محصولات تبديل نمي­شود وهمين عامل مانع از تخريب ساختار مولکولي ماده اوليه و کربنيزه شدن کامل آن مي­شود که در نهايت بر روي خواص جذبي کربن فعال توليد شده اثرمي­گذارد.

هم­چنين اگر زمان فوق الذکر بسيار طولاني باشد نه تنها واکنش‌هاي تخريبي بطور کامل صورت مي­پذيرند، بلکه احتمال وقوع واکنش‌هاي جانبي نيز مطرح بوده که مي­تواند بر روي ساختار خلل و فرج ماده اوليه تاثير بگذارد. درفعال سازي به روش شيميايي با اسيد فسفريک يک انبساط درساختار چوب درمحدوده دمايي C 0 450-250 به وقوع مي­پيوندد که مستقيماً به ايجاد وتوسعه خلل و فرج در دماهاي فعال سازي بالاتر مربوط است يک انقباض ابعادي ثانويه به موازات کاهش ميزان خلل و فرج در ساختار چوب پديد مي­آيد. به دلايل فوق باافزايش دماي فعال سازي خاصيت جذبي کردن فعال افزايش يافته تا به مقدار ماکزيمم مي­رسد. پس از آن با افزايش دما خاصيت جذبي کربن فعال کاهش پيدا مي­کند. دماي فعال سازي بهينه براي چوب‌هاي چنار، افرا و پوست گردو به ترتيب C 0 400 ، C 0 420، C 0 450 است.

بازده به صورت نسبت وزني کربن فعال توليد شده به وزن ماده اوليه تعريف مي­شود. با افزايش دما، بازده تقريبا به صورت خطي کاهش مي­يابد. در دماي فعال سازي بهينه براي سه ماده اوليه، بازده درحدود 40 تا 45 درصد است. نمونه‌هاي فعال شده با اسيد فسفريک در مقايسه با نمونه‌هاي توليد شده به روش‌هاي ديگر از بازده بالاتري برخوردار بوده که اين به علت گسسته شدن پيوند‌ها دربيوپليمر‌ها دردماهاي پايين توسط اسيد فسفريک است. سپس اين واکنش‌ها بوسيله حلقوي شدن گسترده کامل مي­شوند که همين عامل مي­تواند باعث بازده‌هاي بالاي کربن به علت پيوند مواد متفرقه فرار به محصول کربن دار گردد. نتايج حاصل از ساير تحقيقات نشان مي­دهد که افزايش بازده ناشي از باقي ماندن اوليه سلولز و همي­سلولز در ساختار چوب است، اگر چه ساير بيوپليمرها مانند ليگنين نيز بطور مشابه مي­توانند، درساختار خلل و فرج شرکت کنند.

آناليز‌هاي عنصري نشان مي­دهد که بين 2/0 تا 9/0 درصد وزني فسفر، پس از فعالسازي وعمليات گسترده ليچينگ در محصول باقي مي ماند. فسفر باقيمانده بطور فيزيکي پيوند برقرار مي­کند و يا به طريقه شيميايي درساختار کربن وارد مي­شود. زمان فعال سازي يکي از پارامتر‌هاي فرايند بوده که تاثير قابل ملاحظه­اي بر خواص جذبي نمونه‌هاي توليد شده دارد. قرار گرفتن نمونه کربنيزه شده به مدت طولاني در دماي فعال سازي باعث انسداد مسيرهاي ورودي به خلل و فرج شده و منجر به کوچکتر شدن ابعاد خلل و فرج می­شود لذا حجم خلل و فرج به ازاي واحد جرم کربن فعال کاهش مي­يابد.

در مورد پوست گردو، با افزايش زمان فعال سازي عدد يد افزايش يافته و به يک ماکزيمم می­رسد، سپس کاهش پيدا کرده و تقريباً ثابت مي­شود. اما در مورد چوب افرا و چنار دو مورد ماکزيمم مشاهده می­شود که ماکزيمم بزرگتر را بايد به عنوان زمان فرايند درنظر گرفت. زمان فعال سازي بهينه براي پوست گردو در70 دقيقه و براي چوب‌هاي چنار و افرا نيز دو ساعت است.

باکاهش ابعاد مواد اوليه زمان لازم براي نفوذ عامل فعال ساز کمتر شده و در نتيجه زمان لازم براي اختلاط نيز کاهش مي­يابد. زمان اختلاط مناسب زماني است که پس از آن مخلوطي يکواخت حاصل گردد بطوريکه آغشته سازي ماده شيميايي درماده اوليه کافي باشد. با افزايش زمان اختلاط خواص جذبي نمونه‌هاي توليد شده بهبود يافته و پس از رسيدن به يک ماکزيمم پس از آن افزايش زمان اختلاط تاثيري برخواص جذبي کربن فعال توليد شده ندارد.

نتيجه­گيري

نتايج حاصل از انجام اين پژوهش به طور خلاصه عبارتست از:

1ـ پوست گردو و چوب‌هاي چنار و افرا مواد اوليه ارزان قيمت، در دسترس و بسيار مناسب براي توليد کربن فعال گرانول و پودري هستند.

2ـ کربن فعال حاصل از مواد فوق داراي کيفيت بسيار بالايي بوده و از خواص جذبي مناسبي نيز برخوردارند به طوري­که امکان توليد کربن فعال با سطح ويژه بيش از m 2g/r 1350 و عدد يد 1150 امکان­پذير است.

3ـ اسيد فسفريک 50 درصد وزني مناسب­ترين عامل فعال سازي شيميايي است.

4ـ نسبت آغشتگي، دماي فعال سازي و زمان فعال سازي نسبت به ساير متغيرها از اهميت بيشتري برخوردار بوده و بر روي خواص نمونه‌هاي توليد شده به شدت تاثير گذار است.

5ـ دراين روش بازده توليد کربن فعال در حدود 40 تا 45 درصد تغيير مي­کند و با دماي فعال سازي و زمان فعال سازي نسبت عکس دارد.

مراجع

• M.S Solum ,R .J Pugmire M.Jagtoyen F Derbyshire, Carbon, Vol 33. 1247-1254, 1995.
• John J.Mcketta , Inorganic Chemicals Handbook ,Marcel Dekker, New York , USA, 1993.
• ASTM Standard for Activated Carbon , ASTM D4607, 1990.
• ASTM Standard forf Activated carbon ASTM D819, 1977.
• M.Jagtoyen and F.J. Deebyshire , Carbon , Vol31,1185-1191,1414,1997.
• C.A.Toles ,W, E Marshall ,M.M. Johns , Carbon Vol35,1407,1414,1997.
• C.E Byme and D.C Nagle Carbon Vol35, 259-266,1997.
• 
   
• W.T.Tsai C.Y.Chang , S.Lee ,Vol35, 1198-1200,1997