يشير الكربون المنشط (AC) إلى المواد عالية الكربون ذات المسامية العالية وقدرة الامتصاص العالية، والتي تُنتج من الخشب وقشور جوز الهند والفحم والمخاريط وغيرها. يُعد الكربون المنشط أحد المواد الماصة الشائعة الاستخدام في مختلف الصناعات لإزالة العديد من الملوثات من الماء والهواء. ولأنه يُصنع من المنتجات الزراعية والنفايات، فقد أثبت أنه بديل ممتاز للمصادر التقليدية غير المتجددة والمكلفة. لتحضير الكربون المنشط، تُستخدم عمليتان أساسيتان، هما الكربنة والتنشيط. في العملية الأولى، تُعرَّض المواد الأولية لدرجات حرارة عالية، تتراوح بين 400 و850 درجة مئوية، لطرد جميع المكونات المتطايرة. تُزيل درجات الحرارة العالية جميع المكونات غير الكربونية من المادة الأولية، مثل الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين، على شكل غازات وقطران. تُنتج هذه العملية فحمًا عالي الكربون، ولكنه منخفض المساحة السطحية والمسامية. أما الخطوة الثانية، فتتضمن تنشيط الفحم المُصنّع سابقًا. يمكن تصنيف تعزيز حجم المسام أثناء عملية التنشيط إلى ثلاثة: فتح المسام التي لم يكن من الممكن الوصول إليها سابقًا، وتطوير مسام جديدة عن طريق التنشيط الانتقائي، وتوسيع المسام الموجودة.
عادةً ما تُستخدم طريقتان، فيزيائية وكيميائية، للتنشيط للحصول على مساحة السطح والمسامية المطلوبة. يتضمن التنشيط الفيزيائي تنشيط الفحم المكربن باستخدام غازات مؤكسدة مثل الهواء وثاني أكسيد الكربون والبخار عند درجات حرارة عالية (بين 650 و900 درجة مئوية). يُفضل ثاني أكسيد الكربون عادةً نظرًا لطبيعته النقية وسهولة التعامل معه وعملية التنشيط التي يمكن التحكم فيها عند حوالي 800 درجة مئوية. يمكن الحصول على تجانس مسام عالي باستخدام تنشيط ثاني أكسيد الكربون مقارنةً بالبخار. ومع ذلك، بالنسبة للتنشيط الفيزيائي، يُفضل البخار كثيرًا مقارنةً بثاني أكسيد الكربون نظرًا لأنه يمكن إنتاج تيار متردد بمساحة سطح عالية نسبيًا. ونظرًا لصغر حجم جزيء الماء، يحدث انتشاره داخل بنية الفحم بكفاءة. وقد وُجد أن التنشيط بالبخار أعلى بحوالي مرتين إلى ثلاث مرات من ثاني أكسيد الكربون بنفس درجة التحويل.
مع ذلك، تتضمن الطريقة الكيميائية خلط المادة الأولية مع عوامل التنشيط (هيدروكسيد الصوديوم، وهيدروكسيد البوتاسيوم، وكلوريد الحديد الثلاثي، إلخ). تعمل هذه العوامل كعوامل مؤكسدة ومجففة في آنٍ واحد. في هذه الطريقة، تُجرى الكربنة والتنشيط في آنٍ واحد عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا (300-500 درجة مئوية) مقارنةً بالطريقة الفيزيائية. ونتيجةً لذلك، تُؤثر على التحلل الحراري، ومن ثم تُؤدي إلى توسع في البنية المسامية المُحسّنة وزيادة إنتاج الكربون. من أهم مزايا الطريقة الكيميائية مقارنةً بالطريقة الفيزيائية انخفاض متطلبات درجة الحرارة، وارتفاع المسامية الدقيقة، ومساحة السطح الكبيرة، وتقليل وقت إتمام التفاعل.
يمكن تفسير تفوق طريقة التنشيط الكيميائي على أساس نموذج اقترحه كيم وزملاؤه [1] والذي ينص على وجود مجالات كروية دقيقة مختلفة مسؤولة عن تكوين المسام الدقيقة في AC. من ناحية أخرى، يتم تطوير المسام المتوسطة في مناطق بين المجالات الدقيقة. تجريبياً، قاموا بتكوين الكربون المنشط من الراتنج القائم على الفينول عن طريق التنشيط الكيميائي (باستخدام KOH) والفيزيائي (باستخدام البخار) (الشكل 1). أظهرت النتائج أن AC الذي تم تصنيعه عن طريق تنشيط KOH يمتلك مساحة سطح عالية تبلغ 2878 م 2 / جم مقارنة بـ 2213 م 2 / جم عن طريق تنشيط البخار. بالإضافة إلى ذلك، وجد أن عوامل أخرى مثل حجم المسام ومساحة السطح وحجم المسام الدقيقة ومتوسط عرض المسام كانت أفضل في ظروف تنشيط KOH مقارنة بالتنشيط بالبخار.
تم توضيح الفروق بين التيار المتردد المحضر من تنشيط البخار (C6S9) وتنشيط KOH (C6K9)، على التوالي، من حيث نموذج البنية الدقيقة.
اعتمادًا على حجم الجسيمات وطريقة التحضير، يمكن تصنيفها إلى ثلاثة أنواع: تيار متردد مُزود، تيار متردد حبيبي، و تيار متردد خرزي. يتكون تيار المتردد المُزود من حبيبات دقيقة بحجم 1 مم، ومتوسط قطر يتراوح بين 0.15 و0.25 مم. يتميز تيار المتردد الحبيبي بحجم أكبر نسبيًا ومساحة سطح خارجية أقل. يُستخدم تيار المتردد الحبيبي في تطبيقات مختلفة في الطورين السائل والغازي، وذلك وفقًا لنسب أبعاده. أما النوع الثالث: تيار متردد خرزي، فيُصنع عادةً من قار البترول، بقطر يتراوح بين 0.35 و0.8 مم. يتميز هذا النوع بمتانته الميكانيكية العالية وقلة غباره. ويُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات الطبقة المميعة، مثل ترشيح المياه، نظرًا لبنيته الكروية.
وقت النشر: ١٨ يونيو ٢٠٢٢