بخشی از مقاله
چکیده
کربن فعال، کربنی داراي میکرومنافذ بالا به همراه مساحت سطح داخلی و تخلخل بالاست، و کاربرد زیادي در تصفیه و جذب آلاینده هاي زیستی دارد. در این تحقیق آزمایشات اولیه براي تولید کربن فعال از تنه نخل خرما با تجزیه حرارتی در خلأ انجام شد. کربن فعال با فرایند تجزیه حرارتی در سه دماي 300، 350 و 400ºc تولید و خواص آن بررسی شد. رطوبت اولیه چوب %7/14 بر پایه وزن خشک بود. درصد کربن فعال به ترتیب در دماهاي 300، 350 و 400ºc؛ 18/62، 15/53 و %14/23؛ و چگالی حجمی نمونه هاي حاصله 0/099، 0/082 و 0/074g/ml محاسبه شد. مقدار عدد یدي 187، 202 و 214 و pH نیز به ترتیب و 5/65، 5/88 و 6/11 بدست آمد. پارامترهاي مذکور براي نمونه ذغال خریداري شده نیز، اندازه گیري و داده ها باهم مقایسه شدند. نتایج حاکی از افزایش کیفیت کربن فعال تولیدي، با افزایش دماي تولید بود.
واژههاي کلیدي: کربن فعال، تجزیه حرارتی، تنه نخل خرما، عدد یدي
مقدمه
کربن فعال، کربنی داراي میکرومنافذ بالا به همراه مساحت سطح داخلی و تخلخل بالا است. کربن هاي فعال به عنوان جاذب هاي حیاتی در صنایع شناخته شده اند و کاربرد هاي گسترده اي با توجه به قابلیت جذب گازها و مایعات مزاحم دارند و میتوان از آنها براي تصفیه و پاکسازي و حتی بازیافت موادشیمیایی استفاده نمود. کربن هاي فعال به دلیل ویژگی هاي منحصربه فرد و هم چنین قیمت پائین در مقایسه با جاذب هاي غیرآلی مانند زئولیت از اهمیت ویژهاي برخوردار می باشند. کربن هاي فعال شده به دلیل مساحت گسترده آن ها، ساختار منفذي، ظرفیت جذب بالا و قابلیت فعال سازي مجدد سطح، یک ماده منحصربه فرد میباشند. کاربردهاي عمده کربن اکتیو در صنایع آب براي از بین بردن رنگ، بو و مزه غیردلخواه از آب در تصفیه فاضلاب کارخانه ها و در پالایشگاههاي گاز، براي شیرین سازي گاز و در پتروشیمی ها و پالایشگاههاي نفت ، در خالص سازي داروها و روغن هاي خوراکی و صنعتی، صنایع قند، صنایع دفاع و درتصفیه هوا و گازها به کار می رود. بازیافت حلال ها و مواد شیمیایی نیز از کاربردهاي عمده کربن اکتیو است.
کربن فعال شده از تجزیه حرارتی مواد کربنی از قبیل چوب، ذغال سنگ و هسته میوه ها یا پلیمرهاي مصنوعی از قبیل ریون، پلی اکریلونیتریل یا فنولیک حاصل میگردد و در مراحل بعدي تحت عملیات فعال سازي قرار میگیرد. تجزیه حرارتی - Pyrolysis - موادکربنی، بدون حضور هوا، یکی از راه هاي تولید کربن فعال است، که باعث تخریب مولکول هاي غیرآلی میشود که یک ماده قیري شکل حاوي مواد گازدار خواهد بود و در نهایت یک جسم جامد کربنی از آن ایجاد خواهد شد. جسم تولید شده داراي تعداد زیادي حفره هاي بزرگ و داراي سطح ویژه اي در حد چندین مترمربع برگرم می باشد.
فرایند تجزیه حرارتی را می توان به دو نوع کلی متداول - آرام - و سریع تقسیم بندي نمود. نوع آرام، بیشتر براي تولید ذغال به کار رفته و در آن، چوب یا بیومس مورد نظر را تا 500ºc حرارت می دهند و سرعت خروج گاز از چوب و سرعت حرارت دهی در این نوع، کمتر از نوع سریع است. تجزیه حرارتی سریع، فرایندي با دماي بالاست، که ماده مورد نظر را در غیاب اکسیژن به سرعت حرارت می دهند. در نوع سریع، %60-75 وزنی روغن، %15-25 وزنی ذغال و %10-20 وزنی گاز تشکیل می شود. از انواع دیگر تجزیه حرارتی می توان به کربنیزاسیون، flash-liquid، flash-gas، ultra، خلأ، هیدروپایرولیسیس و متانوپایرولیسیس اشاره کرد - مولن و همکاران، . - 2010
مولن و همکاران - 2010 - ساقه و علوفه ذرت را تحت تجزیه حرارتی قرار دادند. بازده روغن به دست آمده از هر دو ماده، %60 و بازده ذغال ساقه و علوفه به ترتیب %18/9 و %17 بود. هم چنین ذغال به دست آمده از ساقه و علوفه ذرت داراي pH به ترتیب 7/816 و 7/157 بود. نتایج تحقیق نشان داد که نمونه هاي حاصله داراي کربن بالایی بوده و براي بهبود شرایط خاك کارایی بالایی را از خود نشان دادند. پنگ فو وهمکاران - 2009 - ساختار ساقه موز را در حین فرایند تجزیه حرارتی بررسی کردند. ذغال در محدوده دمایی 200 تا 900ºc تهیه شد. نتایج نشان داد که بازده ذغال با افزایش دما تا 400ºc به سرعت کاهش یافته و افت حجمی و چروکیدگی ذغال نیز در دماهاي بالاي 500 درجه سانتی گراد رخ می دهد. هم چنین با افزایش دما، کربن ذغال حاصله افزایش می یابد.
خرما به عنوان یکی از محصولات مهم صادراتی کشور است. در ایران نیز بیش از 25 میلیون اصله نخل وجود دارد. گیاه خرما صرف نظر از واریته آن، نوعی نخل راست قامت است که ارتفاع آن به 30-36 متر می رسد. از تنه و چوب خرما در کارخانجات نئوپان سازي و کاغذ سازي و همین طور پوشش ساختمان ها و پل ها استفاده می کنند. چوب خرما به دلیل خواص ویژه و سستی آن یکی از مواد اولیه براي تهیه کربن فعال به شمار می رود. خسروانجم و غضنفري - 1388 - بر روي تنه نخل خرما تجزیه حرارتی در دماي 400ºc انجام دادند. در پایان درصد ذغال، روغن گیاهی و بیوگاز را به ترتیب %24/2، %15/3 و %60/5 گزارش دادند.
در این پژوهش سعی بر تعیین شرایط بهینه براي تهیه کربن فعال از تنه نخل خرما می باشد. به این منظور چوب در سه درجه حرارت 300، 350 و 400ºc پایرولیسیس شده و آزمایشات اولیه اي بر روي کربن فعال و یک نوع ذغال مرکبات - به منظور مقایسه خواص کربن فعال و ذغال معمولی - انجام شد. تعیین چگالی حجمی ، pH و عدد یدي از جمله این آزمایشات بودند. پس از آن نتایج به دست آمده از نمونه هاي کربن فعال و ذغال با یکدیگر مقایسه شدند.
مواد و روشها
ابتدا مقداري چوب تنه نخل خرما، به قطعات کوچک مکعبی با ابعاد 2/5×2/5×2/5 سانتی متر خرد شد. سپس وزن مشخصی از قطعه چوب هاي خرد شده پس از وزن شدن - wt - ، به منظور تعیین درصد رطوبت درون آون در دماي 105 درجه سانتی گراد قرار داده شد. پس از گذشت مدت زمان 72 ساعت و تبخیر رطوبت موجود در نمونه چوب، ، نمونه مجدداً وزن شده، - wd - ، و از رابطه زیر درصد رطوبت آن بر مبناي وزن خشک محاسبه شد:
پس از تعیین رطوبت اولیه چوب، مقدار 10 گرم از چوب تنه نخل خرما به صورت قطعاتی مکعبی با ابعاد متوسط 1×1×10 سانتی متر، وزن شده و درون راکتور ساخته شده قرار داده شد. راکتور استفاده شده از جنس چدن و داراي دو سوپاپ می باشد. شکل -1 شماتیکی از راکتور و ترموکوپل دیجیتالی در حال انجام آزمایش در راکتور به طور کامل با طناب نسوز آب بندي شده بود و نمونه در وسط آن طوري قرار گرفته بود، که از هر طرف حرارت یکسانی را دریافت کند. از مجراي یک سوپاپ آن ترموکوپل دیجیتالی ATBIN -AT 800K - - 8952 وارد راکتور شده و از سوپاپ دیگر به گازها اجازه خروج داده شد. دما با سرعت متوسط 15 درجه سانتی گراد بر دقیقه، تا رسیدن به دماي نهایی 350ºc، افزایش یافته و در همان دما ثابت نگه داشته شد. با شروع حرارت دادن، هواي درون راکتور خارج شده و نمونه در شرایط خلأ قرار داشت. در حین آزمایش، داده هاي مربوط به تغییرات وزن نمونه ها به طور منظم توسط ترازوي دیجیتال ، با دقت 0/1 گرم ، اندازه گیري و به طور مداوم یادداشت شد. پس از یک ساعت حرارت دهی قطع شده و نمونه درون راکتور به آرامی سرد شد. پس از سرد شدن، کربن فعال حاصله وزن شده و درصد محصول از رابطه 3 محاسبه شد. این آزمایش در دماهاي 350 و 400ºc نیز، به منظور بررسی اثر دما بر کیفیت کربن فعال تهیه شده تکرار شد.
