کربن فعال ماده های کریستالی و غیر گرافیتی است که به علت داشتن حفرات درونی زیاد و مساحت سطح داخلی بالا به عنوان جاذب در در صنایع مختلفی مانند نفت، گاز، تصفیه آب و پساب های صنعتی، صنایع دارویی و غذایی و… به کار می رود. کربن های فعال از مواد اولیه کربن دار مختلف به روش های شیمیایی یا فیزیکی تهیه می شوند. در حال حاضر متداول ترین جاذب در حذف مواد رنگ زا کربن فعال است. کربن فعال به صورت پودری و گرانولی تهیه می شود. این ماده دارای ظرفیت بالای جذب و درجه بالایی از واکنش سطحی است ولی کربن فعال ها نسبتا گران و احیای آن مشکلات فراوانی دارد .
کربن فعال شده محصول پیچیدهای است و به تبع طبقه بندی براساس رفتار، مشخصات سطح و روش آماده سازی آن مشکل است، هر چند یکسری طبقه بندی براساس مشخصات فیزیکی آن انجام شده است.
1. کربن فعال پودری (دارای اندازه ای کمتر از 100 نانومتر و میانگین قطری بین 15 تا 25 میکرومتر)
2 . کربن فعال گرانولی (دارای اندازه ای بزرگتر از کربن فعال شده پودری است)
3 . کربن فعال کروی
4 . کربن تزریق شده
5 . کربن روکش شده با پلیمرها
استاندارد جذب برای کربن فعال مورد استفاده این است که بتواند تا حدود 20 % وزنی گاز GB و یا سیانوژن کلراید جذب نماید. اگر کربن فعال تازه باشد و در معرض رطوبت قرار نگرفته باشد خواهد توانست تا 40 % وزنی GB جذب نماید. تعداد زیادی از گازهای سمی را می توان با گذراندن از کربن فعال شده از هوا جدا کرد، این خاصیت برای مواد شیمیایی با وزن مولکولی بالا از قبیل مواد شیمیایی GB مؤثر است، گازهای سبک از قبیل کربن یا سیانوژن کلراید را نمی توان به راحتی سایر گازها جدا نمود، منواکسید کربن یکی از موادی است که به سختی می توان به کمک کربن فعال جذب نمود، ولی می توان با استفاده از تزریق یکسری از موادشیمیایی به کربن فعال، قابلیت جذب اینگونه مواد را در کربن فعال ایجاد نمود و قدرت بازدارندگی کربن فعال را بالا برد. موادی که بدین منظور می توان استفاده نمود نمک ها، نقره، مس و کرم است. مراحل تولید کربن فعال شده از پیرولیز مواد کربنی از قبیل چوب، زغال سنگ و هسته میوه ها یا پلیمرهای مصنوعی از قبیل ریون، پلی اکریلونیتریل یا فنولیک حاصل می گردد و در مراحل بعدی تحت عملیات فعال سازی قرار می گیرد. پیرولیز موادکربنی، بدون حضور هوا، باعث تخریب مولکول های غیرآلی می شود که یک ماده قیری شکل حاوی مواد گازدار خواهد بود و در نهایت یک جامد کربنی از آن ایجاد خواهد شد. ماده تولید شده دارای تعداد زیادی حفره های بزرگ و دارای سطح ویژه ای در حد چندین مترمربع بر گرم است.
مواد اولیه مختلفی را می توان به عنوان ماده خام برای تولید این محصول بکار گرفت که از میان آنها مواد خام کربنی نظیر زغال سنگ، کک نفتی، قیر قطران و مواد خام پلیمری شامل ضایعات انواع لاستیک ها و پلاستیک ها را می توان نام برد. مواد خام از نظر اقتصادی، ترجیحاً موادی با کربن بالا و موادآلی کم برای تولید کربن فعال شده انتخاب می شود، 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 می شود. دانسیته بالا باعث می شود کربن از استحکام و ساختار محکمی برخوردار گردد موادخام مورد استفاده به ترتیب اهمیت آنها از نظر ظرفیت تولید کربن متخلخل، مشخصات نهایی و مقدار مصرف عبارتند از: چوب، زغال سنگ، سیگمنت (نوعی زغال سنگ) و پوست نارگیل. علاوه بر اینها مواد آلی مختلف گیاهی و طبیعی که دارای درصد بالایی کربن هستند، بویژه ضایعات سلولزی در صنایع کاغذ سازی و خاک اره، به عنوان مواد اولیه برای تهیه کربن فعال قابل استفاده هستند. علاوه بر این پوست سخت بادام و فندج، هسته خرما و پوست سخت پسته سرشار از کربن هستند. استفاده از این مواد خام سلولزی برای ساخت کربن فعال در مواقعی که هدف از کاربرد محصول نهایی، استفاده در فرآیندهای صنایع غذایی باشد، به علت وجود ناخالصی کمتر در آن مناسب تر هستند.
IUPAC حفره ها را به سه دسته تقسیم بندی می کند که این سه دسته میکرو حفره ها، مزو حفره ها و ماکرو حفره ها هستند. در جدول زیر دسته بندی این حفره ها آورده شده است.
| حفره هایی با اندازه قطر بزرگتر از 0/05 میکرومتر | ماکرو حفره ها |
| حفره هایی با اندازه قطر بزرگتر از 0/05 تا 0/002 میکرومتر | مزو حفره ها |
| حفره هایی با اندازه قطر کوچکتر از 0/002 میکرومتر | میکرو حفره ها |
اغلب گونه های کربن فعال شامل حفره هایی با اندازه و حجم متفاوت هستند. لذا به عنوان جاذب هایی مطرح هستند که کاربردهای فراوانی برای آن ها وجود دارد و روز به روز بر کاربرد این مواد افزوده می شود. کربن فعال مولکول های مختلفی را اعم از فاز گاز وفاز مایع جذب می کند که به توزیع اندازه حفرات و همچنین به هندسه و اندازه مولکول جذب شونده بستگی دارد. در جذب سطحی از مایع اساساً نوع مزو حفره استفاده می شود در حالی که نوع میکروحفره در فاز گاز به کار برده می شود. برای بیان برخی از کاربردهای کربن فعال نوع مزو حفره، می توان به تصفیه آب آشامیدنی، تصفیه فاضلاب، شیرین سازی و رنگ بری در فرایندهای صنایع غذایی و همچنین فرایندهای شیمیایی اشاره کرد. کربن فعال میکروحفره در فرایندهای گوناگونی از جمله بازیافت حلال، کنترل گاز های ناشی از احتراق بنزین و تصفیه گازهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد. کربن فعال به دلیل داشتن سطح موثر بالا 2500-300 مترمربع بر گرم بطور موثری می تواند انواع آلاینده های شیمیایی و فلزات سنگین را از فازهای گاز یا مایع از طریق جذب سطحی حذف کند، لذا به عنوان متداول ترین جاذب برای عملیات تصفیه آب و پساب مورد استفاده قرار می گیرد.
1- فاز مایع:
– تصفیه آب آشامیدنی: در این زمینه جهت حذف میکرو آلاینده ها، حذف سموم، حذف رنگ و مزه استفاده می شود.
– تصفیه پساب صنعتی: جهت حذف میعانات هیدروکربنی، حذف اثرات مواد آلی و … مورد استفاده قرار می گیرد.
– صنایع غذایی: برای حذف روغن از آشامیدنی ها، حذف مواد زائد و بهبود رنگ و همچنین در کافئین زدایی از دانه های قهوه استفاده می شود . همچنین در زمینه پالایش شکر و روغن جهت بهبود رنگ و افزایش سرعت کریستالیزاسیون شکر استفاده می شود.
– پزشکی: برای حذف سموم باکتریایی، حذف سموم غذای سمی مانند قارچ و… استفاده می شود. همچنین در صنایع مختلف جهت حذف گوگرد، فنول، جیوه، کادمیم، سرب، کروم و برخی از سایر آلاینده ها مورد استفاده قرار می گیرد.
2- فاز گاز:
– تصفیه ی گاز: در تصفیه گاز هایی از جمله هیدروژن، گاز طبیعی، کربن دی اکسید و گاز حاصل از بیومس مورد استفاده قرار می گیرد.
– تصفیه ی هوا: جهت کلر زدایی، حذف بخار، بازیابی حلال، حذف آلایند های گازی کارخانه ها، فیلتر ماسک صنعتی و نظامی، هود آشپزخانه و… استفاده می شود.
سایر کاربرد های آن عبارتند از استفاده در صنایع مربوط به پارچه، فیبر آغشته شده، کاغذ و فوم، صنایع تولید کاتالیست. اندازه حفرات نقش بسیار مهمی در کیفیت و عملکرد کربن فعال دارند و معیاری جهت انتخاب آن ها برای کاربردهای خاص هستند.