ایده هاایده های صنعتی

طرح توجیهی تولید کربن فعال

سفارش طرح توجیهی

معرفی کربن فعال

کربن فعال مادهای کریستالی و غیر گرافیتی است که به علت داشتن حفرات درونی زیاد به عنوان جاذب در صنایع مختلفی مانند نفت و ،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 شیمیایی یا فیزیکی تهیه می شوند بعضی از موادی که برای تولید کربن فعال استفاده می شوند عبارتند :از چوب، زغال، ضایعات گیاهی مانند پوست نارگیل ، هسته میوه هایی نظیر: ،هلو گیلاس ، زیتون ، زردآلو و پوسته های سخت (بادام، پسته وگردو ).

مطلب پیشنهادی : درآمد فوق العاده از فروش پوست خشکبار

کربن های فعال در اشکال گرانولی ، پودری ، اکسترودی و فیبری تهیه می شوند. درخواص کربن فعال پارامترهای مختلفی مانند ماده اولیه ، روش فعالسازی، نسبت آغشتگی و نوع ماده آغشته کننده ، دمای فعالسازی ، زمان ماند در دمای نهایی و سرعت افزایش دما دخالت می کنند. علاوه بر شرایط تولید کربن، نوع هماد اولیه در خواص کربن فعال تولیدی موثر می باشد.

به عنوان مثال میزان سلولز موجود در ماده اولیه بر میزان سطح فعال و ساختمان حفره ای کربن فعال موثر می باشد به طوری که مواد اولیه با مقدار سلولز بالاتر و لیگنین پایین تر برای تولید کربن مناسب تر هستند. درصد خاکستر ماده اولیه نیز در میزان خاکستر و ظرفیت جذبی کربن فعال حاصل موثر می باشد. هرچه مقدار خاکستر ماده اولیه کمتر باشد ، کربن فعال با خاکستر کمتر به دست می آید که این امر در بسیاری از مصارف مختلف کربن فعال به ویژه در مصارف غذایی و دارویی مهم است.

دانسیته توده یا مواد اولیه در مقاومت مکانیکی کربن فعال تولیدی موثر می باشد و از خرد شدن ذرات کربن در هنگام استفاده جلوگیری می کند. مواد اولیه با دانسیته توده ای کم برای تولید کربن های پودری مناسب می باشند در حالت کلی انتخاب ماده اولیه به مقدار سلولز ، لیگنین و خاکستر آن بستگی دارد ا. ستفاده از ضایعات گیاهی برای تولید کربن فعال علاوه بر کاهش هزینه تهیه مواد اولیه ، میزان آلودگی ایجاد شده توسط آن ها در محیط زیست را نیز کاهش می یابد.

کربنها را با توجه به نحوه آرایش و قرار گرفتن بلورهای آن در کنار هم به صورت گرافیت و غیرگرافیت تعریف کردهاند. کربنهای گرافیتی دارای بلورهایی با سه بعد یکسان هستند در صورتی که کربنهای غیرگرافیتی فاقد چنین ساختاری هستند . محصولات مرحله کربونیزاسیون دارای ظرفیت جذب بسیار پایینی هستند که این ویژگی میتواند ناشی از کربونیزاسیون در دمای پایین و وجود ماده قیری باقی مانده در منافذ بین بلورها و روی سطح باشد.

بعضی محصولات کربونیزه شده را میتوان با خارج کردن مواد قیری به وسیله حرارت دادن در بخار یا تحت گاز و یا عمل خالص سازی به کمک حلال و همچنین واکنشهای شیمیایی فعال کرد. عمل فعالسازی سبب بزرگ شدن قطر حفره هایی میشود که در حین فرآیند کربونیزاسیون ایجاد شده اند، علاوه بر این در حین این فرآیند حفره های بسیار ریزی نیز ایجاد خواهد شد که در نهایت سبب ایجاد ساختاری حفرهای با مساحت سطح داخلی بالا خواهد شد. منافذ ایجادشده در کربن فعال دارای اندازه و شکل متفاوتی است. در برخی از انواع کربن فعال تولیدشده، شکل منافذ موجود در کربن فعال با توجه به نوع مواد خام مصرفی متفاوت خواهد بود .

بررسی موارد مصرف و کاربرد کربن فعال

کربن فعال به عنوان یک جاذب دارای کاربردهای مهم و حیاتی میباشد. این ماده از پیرولیز موادگیاهی حاوی کربن تولید میشود و تحت عملیات فعالسازی قرار میگیرد. با توجه به نوع موادخام مصرفی، کربنهای فعال دارای اندازه منفذ و شکلهای متفاوت هستند و از طرفی با توجه به اندازه منفذ و توزیع اندازه دارای کاربردهای گسترده و ویژه ای می باشند.

کربنهای فعال بهعنوان جاذبهای حیاتی در صنایع شناخته شده اند و کاربردهای گستردهای با توجه به قابلیت جذب گازها و مایعات مزاحم دارند و میتوان از آنها برای تصفیه و پاکسازی و حتی بازیافت مواد شیمیائی استفاده نمود. کربنهای فعال به دلیل ویژگیهای منحصر به فرد و همچنین قیمت پائین در مقایسه با جاذبهای غیرآلی مانند زئولیت از اهمیت ویژهای برخوردار میباشند.

کربنهای فعال شده به دلیل مساحت گسترده آنها، ساختار منفذی، ظرفیت جذب بالا و قابلیت فعالسازی مجدد سطح، یک ماده منحصربهفرد میباشند. کاربرد مهم و قابل اهمیت آنها در جداسازی بو، رنگ، مزه های غیر دلخواه از آب در عملیاتهای خانگی و صنعتی، بازیافت حلال، تصفیه هوا بویژه در رستورانها، صنایع غذائی و شیمیائی میباشد، همچنین با مواد غیرآلی به عنوان کاتالیست نیز استفاده میشوند.

در داروسازی نیز برای مبارزه با یک نوع باکتری خاص مورد استفاده قرار میگیرند و بهعنوان جداکننده اسیدهای آروماتیک از حلال در داخل اسید استیک نیز میتوان از کربن فعال استفاده کرد. کربنهای فعال شده محصولات پیچیده ای می باشند و به تبع طبقه بندی آنها براساس رفتار، مشخصات سطح و روش آماده سازی مشکل میباشد.

طبقه بندی کربن فعال براساس مشخصات فیزیکی به شرح ذیل می باشد :

  1. کربن فعال پودری (دارای اندازهای کمتر از 100 نامومتو و میانگین قطری بین 15 تا 25 میکرومتر )
  2. کربن فعال گرانولی (دارای اندازهای بزرگتر از کربن فعال شده پودری میباشد )
  3. کربن فعال کروی
  4. کربن تزریق شده
  5. کربن روکش شده با پلیمرها

کربن فعال در مقایسه با کربن معمولی از مساحت سطح داخلی، تخلخل و قابلیت بیشتری برای جذب گازها و مایعات شیمیایی برخوردار است. این گروه از مواد به عنوان جاذبهای حیاتی در صنایع شناخته شده اند و با توجه به این ا که قابلیت ویژه ی در جذب گازها و مایعات مزاحم دارند، در زمینه های مختلفی مورد استفاده قرار میگیرند و میتوان از آنها برای تصفیه و پاکسازی و حتی بازیافت مواد شیمیایی استفاده کرد.

کربن های فعال شده محصولات پیچیده ای هستند و به همین دلیل طبقه بندی آنها براساس رفتار، مشخصات سطح و روش آماده سازی اغلب مشکل خواهد بود. استاندارد جذب برای کربن فعال مورد استفاده جذب حدود 20 درصد وزنی گاز GB یا سیانوژن کلراید است . اگر کربن فعال تازه و در معرض رطوبت قرار گرفته باشد، میتواند تا 40 درصد وزنی GB را جذب کند. تعداد زیادی از گازهای سمی را میتوان با گذراندن از کربن فعال شده از هوا جدا کرد .

این ویژگی درخصوص مواد شیمیایی با وزن مولکولی بالا مانند GB موثر است، اما گازهای سبک مانند کربن یا سیانوژن کلراید را نمیتوان به راحتی دیگر گازها جدا کرد. برای مثال منواکسید کربن یکی از موادی است که به سختی میتوان آن را به کمک کربن فعال جذب کرد . این در حالی است که میتوان با استفاده از تزریق یک سری از مواد شیمیایی به کربن فعال، قابلیت جذب این گونه مواد را نیز در کربن فعال ایجاد کرده و قدرت بازدارندگی کربن فعال را افزایش داد. برای این کار میتوان از نمک های نقره، مس و کرم استفاده کرد .

همچنین فیلترهای کربن فعال خاصیت جذب مواد آلی و بعضی از فلزات سنگین محلول در آب را دارند و رنگ، بو، کلر و ترکیبات کلر را از آب جذب میکنند. از آنجا که بستر کربن فعال نیز مانند فیلترهای رزین، محیط مناسبی را برای تغذیه و بستر باکتری ها به وجود خواهد آورد، گندزدایی و تصفیه میکروبی از مراحل بعدی ضروری در تصفیه آب خواهد بود .

بطور خلاصه زغال فعال شده دارای کاربردهای به شرح ذیل است :

  • تصفیه آبها ( آب شرب, آب آکواریومها, آبهای صنعتی , ) از نظر رنگ و بو و طعم
  • رنگزدایی از قند و شکر
  • بازیافت فلزات
  • به سازی رنگ و طعم در نوشیدنی ها و آب میوه ها
  • استفاده در دستگاه هایی مثل: تصفیه کننده های هوا, خوش بو کننده ها, تصفیه کننده های صنعتی
  • ساختار منافذ کربن
    منافذ در کربنهای فعال شده دارای اندازه و شکلهای متفاوتی میباشند. منافذ براساس اندازه آنها به سه دسته تقسیم بندی میشوند :

    1. ماکرومنافذ: دارای میانگین قطری بیشتر از 50 نانومتر میباشند .
    2. مزومنافذ: دارای قطری برابر با 2 الی 50 نانومتر میباشند .
    3. میکرومنافذ: دارای قطری کمتر از 2 نانومتر میباشند که خود نیز به سوپر و آلترامیکرو تقسیم میشوند .
  • جذب بهوسیله کربن فعال شده
    جذب عبارت است از قرارگیری لایهای مولکولهای گاز یا مایع از یک فاز در حال حرکت بر روی سطح یک جسم جامد به کمک نیروی جاذبه مولکولی واندروالس. اتمهای سطحی جسم جامد کربن فعال در مقایسه با اتمهای داخلی دارای انرژی موازنه نشدهای میباشند و مولکولهای خارجی سعی بر موازنه کردن این انرژی دارند و بر سطح جذب میشوند، این مولکولها لایه تکی روی سطح جسم جامد را تشکیل میدهند .
  • کربنهای فعال پیشرفته
    علاوه بر کاربردهای عمومی کربنهای فعال، کربنهای فعال پیشرفتهای با کنترل مخصوص بر روی ساختار منافذ در چند دهه اخیر برای کاربردهای خاص، ایجاد شده اند :

    1. غربال کننده های مولکولی کربنی (CMS)
      غربالهای کربنی یک کلاس ویژه از کربنهای فعال میباشند که دارای منفد با اندازه کوچک و با یک محدوده توزیع کوچک در حدود میکرومنافذ میباشند . این کربنها برای جداسازی و جذب گاز و مایع در محیطهائی با غلظت های خیلی کم مورد استفاده قرار میگیرند. مشابه جذب گاز اتیلن برای تازه نگهداشتن میوه و سبزیجات، اغلب کاربرد کربنهای CMS در سیستمهای جداسازی گاز میباشد. اندازه منفذ در کربنهای CMS با اندازه مولکولهای جذب شونده نیتروژن و هیدروژن قابل مقایسه میباشد. دمای جذب نیز سرعت جذب یک گاز را تحت تأثیر خود قرار میدهد، در دمای بالا سرعت جذب نیز بالاتر میباشند. کربنهای CMS برای جداسازی نیتروژن و اکسیژن مورد استفاده قرار میگیرند .
    2. الیاف کربن فعال
      تکنولوژی تولید الیاف کربن فعال شده ترکیبی از تولید الیاف کربن بعلاوه مراحل فعالسازی آن میباشد. تا هنگامی که خصوصیات مکانیکی بالا مورد نیاز نباشد ترجیح داده میشود که الیاف کربن با ساختار آمورف تولید شود. بنابراین فرآیند تولید الیاف کربن فعال شده شامل توسعه الیاف کربن آمورف در دمائی در حدود 1000 درجه سانتیگراد صورت میگیرد. در الیاف کربن حاصل از قیر میتوان بالاترین مساحت ویژهای در حدود 250متر مربع بر گرم و بیشترین حجم میکرو منافذ در حدود 61.1 میلیگرم بر لیتر را به دست آورد .

بررسی کالاهای جایگزین کربن فعال

مصرف انواع کربن فعال در دنیای روز به روز در حال افزایش است. همچنین با نگاهی اجمالی به کشورهای تولید کننده متوجه افزایش تولید آن در سالهای گذشته می شویم . بنابراین مجموع این عوامل به همراه گستره کاربرد این محصول غیر قابل جایگزین بودن این ماده را آشکار می سازد . سایر جاذب های موجود (مانند زئولیت) اولا هزینه تهیه بالایی را دارند و ثانیا مانند کربن فعال تنوع کاربرد ندارند

کشورهای عمده تولید کننده و مصرف کننده

عمده کشورهای تولید کننده کربن فعال
ردیفنام کشورنوع تولیدات
1آمریکاعمدتا دانه ای- پودری
2چینعمدتا دانه ای- پودری
3ژاپنعمدتا دانه ای- پودری

 

کشورهای عمده مصرف کننده کربن فعال
ردیفنام کشورعنوان محصول
1آمریکافعال کربن
2ژاپنفعال کربن
3اروپای غربیفعال کربن
4چینفعال کربن
5آمریکای مرکزی و جنوبیفعال کربن

 

برخی مصرف کنندگان عمده کربن فعال در ایران
ردیفنوع کارخانهنوع تولیداتمحل کارخانه
1واحدهای تولید طلایشمش طلااصفهان- آذربایجان
2واحدهای تصفیه کنندهصنایع غذایی، پتروشیمی و ….سراسر کشور

 

بررسی اجمالی تکنولوژی و روش های تولید کربن فعال

کربن فعال شده از پیرولیز مواد کربنی از قبیل چوب، زغالسنگ، پوسته مواد آجیلی و هسته میوه ها یا پلیمرهای مصنوعی از قبیل ریون، پلیاکریلونیتریل یا فنولیک حاصل میگردد و در مراحل بعدی تحت عملیات فعالسازی قرار میگیرد. پیرولیز موادکربنی، بدون حضور هوا، باعث تخریب مولکولهای غیرآلی میشود که یک ماده قیری شکل حاوی مواد گازدار خواهد بود و در نهایت یک جسم جامد کربنی از آن ایجاد خواهد شد. جسم تولیدشده دارای تعداد زیادی حفرههای بزرگ و دارای سطح ویژهای در حد چندین مترمربع برگرم میباشد.

1 موادخام
از نظر اقتصادی، ترجیحاً موادی با کربن بالا و مواد آلی کم برای تولید کربن فعال انتخاب میشود، 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 میشود. دانسیته بالا باعث میشود کربن از استحکام و ساختار محکمی برخوردار گردد

2 کربونیزاسیون
در حین کربونیزاسیون اجزاء غیرکربنی از قبیل هیدروژن و اکسیژن به صورت گاز از مواد اولیه خارج میشوند و کربنهای آزاد نیز به صورت گروهی، بلورهای گرافیت تشکیل میدهند به. دلیل وجود منافذ در بین بلورها آرایشیافتگی بلورها از دو طرف بهصورت نامنظم میباشد. این فرآیند معمولاً در درجه حرارتی زیر 800 درجه سانتیگراد در یک محیط حاوی یک جریان ورودی از اتمسفر صورت میگیرد،
پارامترهای مهم تعیین کننده کیفیت محصول تولید شده عبارتند از :

  1. نرخ حرارت دادن
  2. دمای نهائی
  3. مدت زمان خیساندن

ساختار ریز منافذ کربن در دمایی در حدود 500 درجه سانتیگراد شکل میگیرد. بعضی از این منافذ به وسیله ماده قیری آزاد شده در حین فرآیند پیرولیز مسدود میشود که میتوان با حرارت دادن مجدد در 800 درجه سانتیگراد دوباره این منافذ را ایجاد کرد. افزایش دما تا 100 درجه سانتیگراد و بیش از آن باعث سخت شدن ساختار کربن و کاهش درجه تخلخل میشود .

3 فعال سازی
کرینها را با توجه به آرایش یافتگی بلورهای آن به صورت گرافیت یا غیر گرافیت تعریف کرده اند. کرینهای گرافیتی دارای بلورهائی با سه بعد یکسان می باشند. در حین کربونیزاسیون سه فضای خالی در کربن ایجاد می شود که در حین کربونیزاسیون به وسیله کربن های غیر آرایش یافته (آمورف مسدود می شود.

محصولات مرحله کربونیزاسیون دارای ظرفیت جذب خیلی کمی می باشند و احتمالا این مسئله به دلیل کربونیزاسیون در دمای پائین و وجود ماده قیری باقیمانده در منافذ بین بلورها و روی سطح آنها می باشد. بعضی از محصولات کربونیزه شده را می توان با خارج ساختن مواد قیری به وسیله حرارت دادن در بخار یا تحت گاز و یا عمل خالص سازی به کمک حلال و یا واکنش های شیمیائی فعال کرد.

عمل فعال سازی باعث بزرگ شدن قطر حفره هایی می شود که در حین فرآیند کربونیزاسیون ایجاد شده اند و همچنین باعث ایجاد یک سری حفره ریز نیز خواهد شد و بدین گونه می توان به یک ساختار حفره ای با مساحت سطح داخلی بالا دست یافت. پدیده فعال سازی به دو روش انجام می شود :

  1. فعال سازی شیمیائی: در ابتدا ماده خام با یک محلول غلیظ از مواد فعال کننده اشباع می شود و با این عمل مواد سلولزی از بین می روند و تحت عملیات حرارتی در دمای بین ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد قرار می گیرند، مواد پیرولیز شده سرد می شوند و به منظور خارج ساختن مواد فعال کننده، تحت عملیات شستشو قرار می گیرند. مواد فعال کننده عبارتند از: اسید فسفریک، کلرید روی، اسید سولفوریک و یدید پتاسیم .
  2. فعال سازی فیزیکی (با بخار): در این فرآیند به کمک محصولات کربونیزه شده، ابعاد و ساختار مولکولی منافذ گسترش می یابد و مساحت سطحی آنها افزایش می یابد. این عملیات در دمائی بین ۸۰۰ إلى ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد با حضور مواد گازی اکسید کننده مناسب مانند دی اکسید کربن و هوا انجام می گیرد.

فرآیند تولید صنعتی کربن فعال بدینصورت است که ابتدا عملیات کربناسیون روی مواد اولیه صورت گرفته و سپس مواد با سنگ شکن چکشی خرد شده و با کمک سرند طبقه بندی می گردند. مواد خرد شده سپس وارد کوره های فعالسازی می شوند و در درجه حرارت بالا کربن فعال تشکیل می گردد. در ادامه مواد وارد خنک کن می شوند و سپس عملیات شستشو با آب و اسید روی آنها صورت می گیرد. در نهایت مواد آبگیری و خشک می گردند و جهت فروش بسته بندی می شوند.

تجزیه و تحلیل و ارائه جمع بندی و پیشنهاد نهایی

بطور کلی موارد قابل ذکر در طرح احداث کارخانه تولید کربن فعال به شرح ذیل می باشد .

  • طرح مذکور جزء طرحهای کوچک مقیاس و زود بازده بوده و بدین جهت از حمایتهای خاص دولتی و تسهیلات مناسب برخوردار است.
  • مواد اولیه طرح از داخل کشور قابل تامین است و گستردگی و تنوع تامین آن در داخل کشور وجود دارد ، بنابراین می توان در نقاط مختلف کشور طرح را اجرا نمود.
  • تامین تجهیزات طرح در داخل کشور قابل انجام است، که این امر مدت زمان احداث را کاهش داده و همچنین هزینه های خرید خارجی و هزینه های حمل را کاهش می دهد .
  • محصولات طرح از نیازهای کشور است و مشکلات تامین آن از خارج و واردات را کاهش می دهد.
  • به جهت مشکلات اشتغال در کشور این طرح می تواند بصورت مستقیم و غیر مستقیم بخشی از مشکلات موجود را تعدیل کند.

با توجه به نیاز کشور به محصولات کربن فعال و واردات آن، طرحهای بسیاری از این نوع در مناطق مختلف کشور می توان احداث نمود .

User Rating: Be the first one !
به این مطلب امتیاز دهید:
3 رای3/5
گرد آورنده
ایـ توجیهی
برچسب ها
دانلود رایگان طرح توجیهی

نوشته های مشابه

2 دیدگاه

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا
بستن
بستن