اصول جذب سطحی کربن فعال(کد 0232)

راهنمایی ضروری: اغلب قریب به اتفاق مطالب این سایت ترجمه خود ما هستند. با توجه به اینکه برخی از این مطالب برای خواننده ایرانی ابهام و سرگشتگی ایجاد می کند، گاه مجبور به ارائه توضیحات اضافی هستیم. از آنجا که برای همه خوانندگان واجب و ضروری است که مطالب ترجمه را از توضیحات اضافی تشخیص دهند، تمام توضیحات اضافی را بصورت نوشته های کج دارای خط زیرین آورده ایم.

یک قاشق چایخوری کربن فعال سطحی بیشتر از یک زمین فوتبال دارد.
کربن فعال بیش از 2500 محصول تجاری کاربردی دارد. اغلب تصفیه خانه های فاضلاب از کربن برای خالص کردن آب و راحتی رها کردن و حذف هوا استفاده می کنند. هرچند، ما نمی خواهیم مشخصه های آن ها و خواص پوشش داده شده در آموزش "رسمی" را پیدا کنیم. شما در کارتان این چیزها را می آموزید.
کربن فعال یک ماده جاذب جامد بی اثر است که عموما برای حذف آلاینده های محلول نامطلوب از آب و جریانات فرآیند فاز گازی استفاده می شود. این ماده تقریبا از هر ماده خام شامل کربن ساخته شده است؛ مشتمل بر پوسته نارگیل و اعضای خانواده زغال، همچنانکه خیلی از خواننده های ما تا به حال می دانند.
جذب سطحی عبارت است از تجمع یک گاز یا مایع بر روی سطح یک بستر مایع یا جامد؛ در مقابل جذب، که در آن ماده تجاوز کننده وارد فله یا حجم بستر می شود.
کربن فعال یک ماده مجوف، ارزان و در دسترس است که به عنوان جاذب استفاده می شود و آلاینده ها را حذف می کند. یک گرم از این ماده، به منظور جذب سطحی فیزیکی، سطح مفید بیشتری نسبت به دیگر مواد در دسترس دارد. در واقع، یک قاشق چایخوری کربن فعال سطحی بزرگتر از یک زمین فوتبال دارد.
واقعه فیزیکی
به علت ویژگی های نادر و استثنایی، کربن فعال توانایی استثنایی در گرفتن آلاینده های محلول در آب؛ مشتمل بر مزه، بو، رنگ و گونه های افزایش دهنده سمیت، دارد. حذف از طریق جذب سطحی و بر پایه بر هم کنش های بین آلاینده ها و سطوح گرده ای گرافیتی کربن صورت می گیرد.
این برهم کنش های سطحی آلاینده-کربن از طریق نیروهای واندروال و برهم کنش های دوقطبی القایی رخ می دهد. گرده های گرافیتیک کربن فعال مولکول های آلی خنثی را به دوقطبی های درون مولکولی القا می کنند. دو قطبی های القا شده سبب می شوند که ملکول ها جذب همدیگر شده و به یکدیگر بچسبند. پس، آن ها در خلل و فرج های به اندازه نانوی کربن یا فضاهای سطوح جذب سطحی از محلول جدا می شوند. این امر به تراکم زودرس ارجاع داده می شود و توسط کربن فعال تسهیل می گردد.

تصویر 1- این اشکال نشان می دهند که کربن فعال از چوب، پوست نارگیل و زغال سنگ قیری ساخته شده است. تمام تصاویر کربن فعال پودری را نشان می دهند.
تولید کننده های کربن فعال از مواد خام مختلف و عناصر فرآیندی استفاده می کنند تا گستره ای از توزیعات اندازه خلل و فرج را ایجاد نمایند. انتخاب ساختار مناسب خلل و فرج برای حل مشکلات فاز مایع و گازی، با کربن فعال، حیاتی است.
تصویر 1 اشکال واقعی کربن فعال تولیدی از چوب، پوست نارگیل و زغال سنگ قیری را نشان می دهد. این انواع کربن در اشکال مختلف فروخته شده و مورد استفاده قرار می گیرند: پودر، دانه، حب، بلوک و کامپوزیت. اختلاف در اندازه گرده های گرافیتی معرفی شده توسط خطوط سیاه سنگین و میزان نزدیکی آن ها به همدیگر، دیده می شود؛ همچنانکه در تصویر مورد اشاره قرار گرفته است.
کربن فعال پودری
ذرات کربن فعال به اندازه میکرون از کربن فعال شده دانه ای میلی متری آسیاب می شوند و جنبشی سریع تر و ظرفیتی بیشتر برای حذف آلاینده از خود نشان می دهند؛ زمانی که در مقایسه با کربن هایی با اندازه ذرات بزرگتر قرار می گیرند.
کربن فعال پودر شده می تواند برای حوادث آلودگی پراکنده مانند شکوفایی جلبک ها و نشت های صنعتی که آب های ورودی شهری را آلوده می کنند، مورد استفاده قرار گیرد. پودر می تواند به واحد ته نشینی فرآیند زلالسازی اضافه شود تا این آلاینده ها را با کربن فعال حذف نماید. آن، همچنین می تواند از بسترهای کربن فعال دانه ای تثبیت شده در برابر الایندگی ورودی ناگهانی محافظت نماید.
اگر کارخانه ها فاقد زیر ساخت های استفاده از کربن فعال دانه ای باشند یا کربن دانه ای کافی بین ورودی و خروجی نداشته باشند، برای استفاده اقتصادی در حذف اپیزودهای آلایندگی پراکنده می توانند از پودر، در عوض، استفاده نمایند. کربن فعال پودری یک بار مصرف به عنوان فرآیند بسته استفاده می شود، تا آلاینده ها را در حد رساندن به حداکثر سطح آلودگی مقرر شده حذف نماید. این امر، لزوما، آلاینده ها را به صفر کاهش نداده یا آن ها را در محدوده غیر قابل ردیابی قرار نمی دهد.
کربن فعال دانه ای
کربن فعال دانه ای در اندازه میلیمتری می تواند آلاینده ها را در غلظت هایی که در محدوده شناسایی آزمایشگاهی نباشند حذف کرده و در قیاس با پودر، فقط نیاز به یک چهارم مقدار کربن بین ورودی و خروجی دارد.
هر چند، یک کارخانه نیاز به زیر ساخت مناسب دارد تا کربن تازه را کارگذاری کرده و کربن فعال دانه ای مصرفی را جهت فعالسازی مجدد کوره حذف نماید. کربن فعال احیا شده تقریبا نصف قیمت کربن فعال تازه یا استفاده نشده را دارد. استفاده از کربن فعال دانه ای، یک فرآیند مستمر است و بر پایه فعالسازی مجدد حرارتی، یک محصول با استفاده چند گانه است. فعالسازی مجدد حرارتی، کربن را قادر می سازد به عنوان "شیمی سبز" طبقه بندی شود.
جایی که آلودگی صنعتی محتمل نسبتا بالاست، کربن فعال بیشتری باید براحتی در دسترس باشد تا جوابگوی اضطرارهای محتمل باشد. آن می تواند در ظروف ثابت بین ورودی و خروجی نگهداری شود و به همان صورت، کربن پودری بیشتری مورد نیاز است.
در نهایت، حب ها، یا دانه های کربنی خیلی بزرگ، برای کنترل هیدروژن سولفوره و دیگر بوهای فاز گازی فاضلاب شهری مورد استفاده قرار می گیرند. این اشکال نسبتاً بزرگ کربن فعال، جریان های گاز را قادر می سازد تا از طریق بسترهای کربنی، بدون مهار، جریان پیدا کنند. این امر، استفاده از فن ها و انرژی مورد نیاز را برای دمیدن به جریانات گازی، جهت عبور از بسترهای سفت و محکم، کاهش می دهد. کربن های معمولی و کاتالیزوری برای کنترل بوی سولفید هیدروژن استفاده می شوند.
با استفاده از کربن معمولی، سولفید هیدروژن متحرک به گوگرد بی حرکت اکسید می شود که بر روی سطح کربن تجمع می کند. استفاده از ساختار گوگرد عنصری بر روی کربن در حال کار مشخص کرده است که کربن چه زمانی نیاز به جایگزینی با کربن تازه در آزمایشگاه ها دارد. کربن های کاتالیزوری، سولفید هیدروژن را با اکسیداسیون به سولفوریک اسید تبدیل می کنند. اسید سولفوریک این کربن کاتالیزوری می تواند با آب از کربن استفاده شده شسته شود و چندین بار در مکان مورد استفاده قرار گیرد.

تصویر 2- یک شمای بستر افقی، شبیه این به نظر می رسد؛ در حالی که بسترهای عمودی، مزیت جریان ثقلی را دارند.
منطقه انتقال جرم
کاربردهای فاز گازی و مایع در حالی یک منطقه انتقال جرم در حال حرکت آلاینده را توسعه می دهند که آب یا گاز آلوده تر از میان بستر عبور می کند. بسترهای کربن معمولا 3 تا 10 فوت عمق دارند و از کربن طبقه بندی شده تشکیل شده اند. ذرات کوچکتر یک بستر کربنی در حال کار در بالا هستند و ذرات با بزرگترین سایز در کف هستند.
کربن استفاده شده و استفاده نشده را در فرآیند مخلوط نکنید. منطقه انتقال جرم تصویر 2 یک بستر به شکل افقی است، در حالی که بسترها عموما عمودی هستند تا مزیت جریان ثقلی را داشته باشند. بعد از شستشوی معکوس، طبقه بندی بستر باید نگهداری شود، تا جامدات تجمع یافته در بالای بستر بتوانند حذف شوند.
کربن فعال، مواد آلی محلول آب را حذف می کند و با پس شویی همین کار را با جامدات حاصل از آب صورت می دهد. این منطقه انتقال جرم، 3 منطقه کاری دارد:
1- منطقه 1(بین A و B) این بخش کل طول بستر کربن است و کاملا مورد استفاده قرار می گیرد و آلاینده های محلول در آب را بیشتر حذف نمی کند.
2- منطقه 2(بین B و C) مقادیر متنوعی از آلاینده ها را حذف می کند. شکل این منحنی، پروفیل غلظت آلاینده های موجود بستر کربنی در "رخنه" یا "شکاف" را نشان می دهد. کاربردهای آبی عموما فاصله منطقه انتقال جرم بین B و C بسیار بزرگتری از کاربردهای فاز گازی دارند، که عموما مناطق انتقال جرم خیلی کوچکتری دارند. وابسته به قدرت کربنی جذب شده ها، شکل منطقه انتقال جرم ممکن است تیز یا پهن باشد.
3- منطقه 3(بین C و D) کربن فعال استفاده نشده است. با افزایش زمان سرویس بستر و مجاورت با آلاینده ها، فاصله بین A و B افزایش می یابد و بین C و D کم می شود. فاصله منطقه انتقال جرم بین B و C ثابت است.
به حداکثر رساندن اجرا
برای بهبود اجرا و ملاحظات اقتصادی، پیکربندی معمولی در بهره برداری از بسترهای متعدد کربن فعال یک سری پی در پی است. بستر چندگانه در یک سری، بستر کربن کامل را قادر به استفاده از طریق "نفوذ" می کند، در حالی که ورودی و خروجی در غلظت های آلاینده معادل هستند. این به خاطر این است که بهره برداری هر کدام از بسترهای رزرو باقیمانده در سری ها بر حسب نیاز شروع به منطقه انتقال جرم دیگری می کند.
این شکل بستر راهبری و تاخیر، به تصفیه توانایی می دهد تا قبل از اینکه کربن مصرفی باید با تازه جایگزین شود، حداکثر گالن های آب را در ازای هر پوند کربن فعال مورد عمل قرار دهد.
هدف کار، استحصال آب آشامیدنی کیفیت بالا با حداقل هزینه است. بسترهای نهایی کربن فعال در سری های متوالی، جلادهی را کامل می کنند تا آلاینده های نادر را حذف کنند و آب آشامیدنی با کیفیت و ایمن را فراهم نمایند. با عوض کردن بسترهای کربن جلوتر کاملا مصرف شده با کربن تازه( وقتی که غلظت های ورودی و خروجی بستر کاملا معادل هستند)، عملکرد بسترهای بعدی به عنوان زلالساز و جلا دهنده نهایی طولانیتر بوده و یک حاشیه ایمنی فراهم می کند.
وقتی نمونه ها جهت پروفیل یک بستر کربنی اخذ می شوند، آن ها باید از بالا، پایین و وسط گرفته شوند. این نوع نمونه برداری، اجازه تخمین صحیح تر در تعیین موقعیت منطقه انتقال جرم و زمان سرویس باقیمانده برای بستر کربن را می دهد.
کربن فعال مصرفی
کربن فعال، ماندگاری همیشگی ندارد. آن نیاز به تغییر دوره ای با کربن دست نخورده یا مجددا فعال شده دارد. فضاهای جذب سطحی فیزیکی یا خلل و فرج ها، که احجام نانومتری بین گرده های گرافیتی هستند، در نهایت پر می شوند و به مدت بیشتر قادر به حذف مواد جذب شده نمی باشند. خلل و فرج های کربنی ناهمگن هستند و انرژی جذب سطحی آن ها از قوی به ضعیف متغیر است. به فضای گرده ای گرافیتی ترسیم شده در تصویر 1 نگاه کنید. گرده های گرافیتی کربن که به هم نزدیکتر هستند، انرژی های بالقوه جذب سطحی بالا فراهم می کنند؛ در حالی که فضاهای گرده ای پهناور، انرژی های جذب سطحی نسبتا پایین ایجاد می کنند.
تصفیه خانه های آب آشامیدنی دو اختیار برای تغییر دارند: خرید کربن استفاده نشده یا خالص و یا استفاده از کربن احیا شده. متعاقب چندین چرخه فعالسازی مجدد، بازدهی کربن فعال شده کم می شود و باید با کربن فعال اصل تازه جایگزین شود.
بعضی وقت ها، توزیع اندازه خلل و فرج با فعالسازی مجدد مفید است، به ویژه برای ملکول های بزرگتر و مواد جذب شونده با وزن ملکولی بالاتر. هرچند، ترکیبات با وزن ملکولی کم و محلول در آب با غلظت های نادر از قبیل تری هالومتان ها، ممکن است در هنگامی که با کربن فعال شده به همراه توزیع خلل و فرج گسترده تر استفاده شوند، بخوبی جذب نشوند و بتوانند یک منطقه انتقال جرم بزرگتر را توسعه بدهند.
تشریح بیشتر این مبحث؛ برای کمک به پرسنل تصفیه خانه آب، که بهترین کربن فعال را برای کاربرد داده شده انتخاب کنند و بازدهی و چرخه عمر را از طریق دفع نهایی پایش کنند، روش های آزمایشگاهی را تحت پوشش قرار خواهد داد.