Bugün öğrendim ki: 1 gram aktif kömürün 3.000 m²'den fazla yüzey alanına sahip olduğu.
Son derece geniş yüzey alanına sahip karbon formu
"Kömür filtresi" buraya yönlendirir. Japon rock grubu için bkz. Charcoal Filter.
Aktif karbon, diğer adıyla aktif kömür, su ve havadaki kirleticileri filtrelemek başta olmak üzere pek çok farklı alanda yaygın olarak kullanılan bir karbon formudur. Adsorpsiyon veya kimyasal reaksiyonlar için mevcut olan yüzey alanını büyük ölçüde artıran küçük, düşük hacimli gözeneklere sahip olacak şekilde işlenir (aktive edilir).[1][2] (Absorpsiyon ile karıştırılmaması gereken adsorpsiyon, atomların veya moleküllerin bir yüzeye tutunması sürecidir.) Gözenekler, mikroskobik bir "sünger" yapısı olarak düşünülebilir. Aktivasyon, mısır tanelerinden patlamış mısır yapmaya benzer: Patlamış mısır hafif, kabarıktır ve taneleri yüksek bir yüzey alanı/hacim oranına sahiptir. "Aktive edilmiş" terimi bazen sadece "aktif" olarak da kullanılır.
Mikroskobik düzeyde çok gözenekli olduğu için aktif karbon, gaz adsorpsiyonu ile belirlendiği üzere gram başına 3.000 metrekareyi (ons başına 920.000 fit kare) aşan bir yüzey alanına sahiptir[1][2][4] ve gözenekliliği, arıtılmış su açısından gram başına günde 10 ML'ye kadar çıkabilir. Cornell Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, 4.800 m²/g (1.500.000 fit kare/ons) BET yüzey alanına sahip ultra yüksek yüzey alanlı bir aktif karbon sentezlediler.[1] Bu BET yüzey alanı değeri, aktif karbon için literatürde rapor edilen en yüksek değerdir. Kömür için aktivasyon öncesindeki eşdeğer rakam gram başına yaklaşık 2–5 metrekare (610–1.530 fit kare/ons) civarındadır.[5][6] Faydalı bir aktivasyon seviyesi sadece yüksek yüzey alanından elde edilebilir. İleri kimyasal işlemler genellikle adsorpsiyon özelliklerini geliştirir.
Aktif karbon genellikle hindistan cevizi kabukları gibi atık ürünlerin yanı sıra zeytin çekirdekleri, pirinç kabukları ve fındık kabukları gibi diğer tarımsal atıklardan elde edilir; bunlar aktif karbona dönüştürülerek ham madde tedariki çeşitlendirilir. Kağıt fabrikalarından çıkan atıklar, olası bir aktif karbon kaynağı olarak araştırılmıştır.[7] Bu dökme kaynaklar, aktive edilmeden önce kömüre dönüştürülür. Atık akışlarının kullanılması sadece çöp depolama yükünü azaltmakla kalmaz, aynı zamanda daha önce atılan atıklar yeniden değerlendirildiği için genel karbon ayak izini düşürmeye de yardımcı olur. Kömürden elde edildiğinde[1][2] aktif taş kömürü olarak adlandırılır. Aktif kok, kok kömüründen elde edilir. Aktif kok üretiminde ham kok (en yaygın olarak petrol koku) öğütülür veya peletlenir, ardından gözenekli bir ağ oluşturmak için fiziksel (yüksek sıcaklıkta buhar veya CO2) veya kimyasal (örneğin KOH veya H3PO4) yöntemlerle "aktive" edilir ve sonuçta aktif kömür olarak adlandırılan yüksek yüzey alanlı bir adsorbent elde edilir.
Kullanım Alanları
[değiştir]
Aktif karbon; metan ve hidrojen depolama,[1][2] hava temizleme,[8] kapasitif deiyonizasyon, süperkapasitif salınımlı adsorpsiyon, solvent geri kazanımı, kafeinsizleştirme, altın saflaştırma, metal ekstraksiyonu, su arıtma, tıp, kanalizasyon arıtma, solunum cihazlarındaki hava filtreleri, basınçlı hava filtreleri, diş beyazlatma, hidrojen klorür üretimi, yenilebilir elektronikler[9] ve diğer birçok uygulamada kullanılır. Bu çok amaçlı uygulamalar, onu birçok endüstride günlük olarak kullanılan çok yönlü bir karbon formu haline getirir.
Endüstriyel
[değiştir]
Aktif karbonun metal ekstraksiyonu, su arıtma, kanalizasyon arıtma, metal kaplama ve daha fazlası gibi alanlarda birçok endüstriyel uygulaması vardır. Örneğin, metal kaplama tesislerinde kullanılan parlak nikel banyolarından organik safsızlıkların giderilmesi için ana saflaştırma tekniğidir. Elektrokaplamayı daha da detaylandırırsak, kaplama çözeltilerine birikinti kalitelerini iyileştirmek ve parlaklık, pürüzsüzlük, süneklik vb. özellikleri geliştirmek için çeşitli organik kimyasallar eklenebilir. Doğru akımın geçişi ve anodik oksidasyon ile katodik redüksiyonun elektrolitik reaksiyonları nedeniyle, organik katkı maddeleri çözeltide istenmeyen bozulma ürünleri oluşturur. Bunların çözeltilerde aşırı birikmesi, filtrelerle arıtılmazsa kaplama kalitesini ve biriken metalin fiziksel özelliklerini olumsuz etkileyebilir. Aktif karbon arıtımı bu tür safsızlıkları giderir ve kaplama performansını istenen seviyeye geri getirir. Kurulum maliyetleri, işlemesi gereken suyun hacmine göre değişebilir, ancak ortalama maliyet 1-2 milyon ABD doları civarında olabilir. Ayrıca, bu filtrelerin zamanla (kullanıma bağlı olarak genellikle 6-12 ayda bir) değiştirilmesi gerekir. GAC filtre formundaki karbonu değiştirmenin maliyeti, tesiste arıtılan metreküp su başına yaklaşık 0,05 - 0,1 ABD dolarıdır.
Tıbbi
[değiştir]
Ana madde: Aktif kömür (ilaç)
Aktif karbon, ağız yoluyla alımdan sonra zehirlenmeleri ve aşırı dozları tedavi etmek için kullanılır. Aktif karbon tabletleri veya kapsülleri, birçok ülkede ishal, hazımsızlık ve gaz şikayetlerini tedavi etmek için reçetesiz satılan bir ilaç olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, aktif kömür bağırsak gazı ve ishal üzerinde hiçbir etki göstermez, zehirlenme aşındırıcı maddelerin, borik asidin veya petrol ürünlerinin yutulmasından kaynaklanıyorsa genellikle tıbbi olarak etkisizdir ve özellikle güçlü asit veya bazlar, siyanür, demir, lityum, arsenik, metanol, etanol veya etilen glikol zehirlenmelerine karşı etkisizdir.[10] Aktif karbon, bu kimyasalların insan vücuduna emilmesini engellemez.[11] Dünya Sağlık Örgütü'nün Temel İlaçlar Listesi'nde yer almaktadır.[12]
Yanlış uygulama (örneğin akciğerlere kaçması), acil tıbbi tedavi başlatılmazsa bazen ölümcül olabilen pulmoner aspirasyona yol açar.[13]
Analitik kimya
[değiştir]
Aktif karbon, analitik veya preparatif protokollerde mobil faz olarak etanol çözeltileri (%5–50) kullanılarak karbonhidratların (mono-, di-, tri-sakkaritler) düşük basınçlı kromatografik ayrımında durağan faz olarak %50 a/a oranında celite ile kombinasyon halinde kullanılır.
Aktif karbon, dabigatran, apiksaban, rivaroksaban ve edoksaban gibi doğrudan oral antikoagülanların (DOAK) kan plazması örneklerinden çıkarılması için yararlıdır.[14] Bu amaçla, 1 ml DOAK örneğini işlemek için her biri 5 mg aktif karbon içeren "mini tabletler" haline getirilmiştir. Bu aktif karbonun kan pıhtılaşma faktörleri, heparin veya diğer çoğu antikoagülan üzerinde hiçbir etkisi olmadığından,[15] bu, plazma örneğinin aksi takdirde DOAK'lardan etkilenecek anormallikler açısından analiz edilmesine olanak tanır.
Çevresel
[değiştir]
Karbon adsorpsiyonunun, hem sahada hem de endüstriyel süreçlerde hava veya su akışlarındaki kirleticileri gidermek için çok sayıda uygulaması vardır:
Döküntü temizliği
Yeraltı suyu ıslahı
İçme suyu filtrasyonu[16]
Atık su arıtma[17]
Hava temizleme
Boya, kuru temizleme, benzin dağıtım operasyonları ve diğer süreçlerden uçucu organik bileşiklerin yakalanması
Esnek ambalaj, dönüştürme, kaplama ve diğer süreçlerden uçucu organik bileşiklerin geri kazanımı (SRU, Solvent Geri Kazanım Ünitesi; SRP, Solvent Geri Kazanım Tesisi; SRS, Solvent Geri Kazanım Sistemi).[18]
ABD'deki 1974 Güvenli İçme Suyu Yasası'nın ilk uygulaması sırasında, EPA yetkilileri içme suyu arıtma sistemlerinin granüler aktif karbon kullanmasını zorunlu kılan bir kural geliştirdiler. Yüksek maliyeti nedeniyle, sözde GAC kuralı, Kaliforniya'daki en büyük su hizmetleri de dahil olmak üzere ülke genelindeki su tedarik endüstrisinden güçlü bir muhalefetle karşılaştı. Bu nedenle, ajans kuralı rafa kaldırdı.[19] Aktif karbon filtrasyonu, çok işlevli doğası nedeniyle etkili bir su arıtma yöntemidir. İlgili kirleticilere bağlı olarak belirtilen özel aktif karbon filtrasyon yöntemleri ve ekipmanları vardır.[18]
Atık su arıtımında, granüle aktif karbon filtreleri, ilaç ürünleri[17][20] gibi organik mikro kirleticilerin giderilmesi için ek bir arıtma adımı olarak uygulanır; bunların çoğu geleneksel atık su arıtma süreçlerinde tamamen giderilemez.[21] Kirleticiler aktif karbon granüllerine adsorbe olur ve ardından filtrelerdeki mikroorganizmalar tarafından parçalanır.[22]
Aktif karbon, havadaki radon konsantrasyonunun ölçümü için de kullanılır.
Biyokütle atıklarından elde edilen aktif karbonlar, sudan kafein ve parasetamolün uzaklaştırılması için de başarıyla kullanılmıştır.[23]
Tarımsal
[değiştir]
Aktif karbon (kömür), organik çiftçiler tarafından hem hayvansal üretimde hem de şarap yapımında kullanılan izin verilen bir maddedir. Hayvansal üretimde pestisit, hayvan yemi katkı maddesi, işleme yardımcısı, tarım dışı içerik ve dezenfektan olarak kullanılır.[24] Organik şarap yapımında, aktif karbonun beyaz üzüm konsantrelerinden kahverengi renk pigmentlerini adsorbe etmek için işleme ajanı olarak kullanılmasına izin verilir.[25] Bazen biyochar (biyokömür) olarak da kullanılır.
Distile alkollü içecek saflaştırma
[değiştir]
Ayrıca bakınız: Lincoln County İşlemi
Aktif karbon filtreleri (AC filtreleri), votka ve viskiyi renk, tat ve kokuyu etkileyebilecek organik safsızlıklardan filtrelemek için kullanılabilir. Organik olarak saf olmayan bir votkayı uygun akış hızında bir aktif karbon filtreden geçirmek, aynı alkol içeriğine sahip ve koku ve tat açısından değerlendirildiğinde organik saflığı önemli ölçüde artmış bir votka ile sonuçlanacaktır.[26]
Yakıt depolama
[değiştir]
Çeşitli aktif karbonların doğal gazı[1][2] ve hidrojen gazını[1][2] depolama yeteneğini test eden araştırmalar yapılmaktadır. Gözenekli malzeme, farklı gaz türleri için bir sünger gibi davranır. Gaz, Van der Waals kuvvetleri aracılığıyla karbon malzemeye çekilir. Bazı karbonlar mol başına 5–10 kJ bağlanma enerjilerine ulaşabilmiştir.[27] Gaz daha sonra daha yüksek sıcaklıklara maruz bırakıldığında desorbe edilebilir ve iş yapmak için yakılabilir veya hidrojen gazı durumunda hidrojen yakıt hücresinde kullanılmak üzere ekstrakte edilebilir. Aktif karbonlarda gaz depolama, gazın araçlardaki hantal yerleşik basınç tanklarından çok daha uygulanabilir olacak düşük basınçlı, düşük kütleli, düşük hacimli bir ortamda depolanabilmesi nedeniyle çekici bir gaz depolama yöntemidir. Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı, nano-gözenekli karbon malzemeleri araştırma ve geliştirme alanında ulaşılması gereken belirli hedefler belirlemiştir.[28] Hedeflerin tümü henüz karşılanmamıştır ancak ALL-CRAFT programı[1][2] da dahil olmak üzere birçok kurum bu alanda çalışmalarını sürdürmektedir.
Gaz saflaştırma
[değiştir]
Aktif karbon içeren filtreler, basınçlı hava ve gaz saflaştırmasında yağ buharlarını, kokuyu ve diğer hidrokarbonları havadan uzaklaştırmak için genellikle kullanılır. En yaygın tasarımlar, aktif karbonun filtre ortamının içine gömülü olduğu 1 aşamalı veya 2 aşamalı filtrasyon prensibini kullanır.
Aktif karbon filtreleri, nükleer kaynar sulu reaktör türbin kondenserinden vakumlanan havadaki radyoaktif gazları tutmak için kullanılır. Büyük kömür yatakları bu gazları adsorbe eder ve radyoaktif olmayan katı türlere hızla bozunurken onları tutar. Katılar kömür parçacıklarında hapsolurken, filtrelenmiş hava geçer.
Kimyasal saflaştırma
[değiştir]
Aktif karbon, laboratuvar ölçeğinde istenmeyen renkli organik safsızlıklar içeren organik molekül çözeltilerini saflaştırmak için yaygın olarak kullanılır.
Aktif karbon üzerinden filtrasyon, aynı amaçla büyük ölçekli ince kimyasal ve farmasötik süreçlerde kullanılır. Karbon ya çözelti ile karıştırılır ve ardından süzülür ya da bir filtreye sabitlenir.[29][30]
Cıva giderme
[değiştir]
Genellikle kükürt[31] veya iyot ile aşılanmış aktif karbon, kömür yakıtlı elektrik santrallerinden, tıbbi yakma fırınlarından ve kuyu başındaki doğal gazdan kaynaklanan cıva emisyonlarını hapsetmek için yaygın olarak kullanılır. Ancak, etkinliğine rağmen, aktif karbon kullanımı pahalıdır.[32]
Genellikle geri dönüştürülmediği için, cıva yüklü aktif karbon bir bertaraf ikilemi oluşturur.[33] Aktif karbon 260 ppm'den az cıva içeriyorsa, ABD federal düzenlemeleri bunun depolama için stabilize edilmesine (örneğin betona hapsedilmesine) izin verir.[atıf gerekli] Ancak, 260 ppm'den fazla atık içeren maddeler yüksek cıvalı alt kategori olarak kabul edilir ve depolanması yasaktır (Arazi Yasağı Kuralı).[atıf gerekli] Bu malzeme artık depoları doldurmakta ve terk edilmiş derin madenlerde yılda yaklaşık 100 ton oranında birikmektedir.[atıf gerekli]
Cıva yüklü aktif karbonun bertarafı sorunu sadece Amerika Birleşik Devletleri'ne özgü değildir. Hollanda'da bu cıva büyük ölçüde geri kazanılmakta[atıf gerekli] ve aktif karbon, karbondioksit (CO2) oluşturacak şekilde tamamen yakılarak bertaraf edilmektedir.
Gıda katkı maddesi
[değiştir]
Aktif, gıda sınıfı kömür 2016 yılında bir gıda trendi haline geldi; sosisli sandviç, dondurma, pizza tabanları ve simit gibi ürünlere "hafif dumanlı" bir tat ve koyu bir renk vermek için katkı maddesi olarak kullanıldı.[34] Doğum kontrol hapları ve antidepresanlar[35] dahil olmak üzere ilaç kullanan kişilerin, ilacı etkisiz hale getirebileceğinden aktif kömür renklendiricisi kullanan yeni yiyecek veya içeceklerden kaçınmaları önerilir.[36]
Sigara filtrasyonu
[değiştir]
Aktif kömür, sigara filtrelerinde[37] yanma sonucu oluşan dumanda bulunan katran içeriğini ve diğer kimyasalları azaltmanın bir yolu olarak kullanılır; burada tütün dumanındaki toksik maddeleri, özellikle serbest radikalleri azalttığı bulunmuştur.[37]
Aktif karbonun yapısı
[değiştir]
Aktif karbonun yapısı uzun zamandır bir tartışma konusudur. 2006 yılında yayınlanan bir kitapta,[38] Harry Marsh ve Francisco Rodríguez-Reinoso, hangisinin doğru olduğu konusunda kesin bir sonuca varmadan yapısı için 15'ten fazla modeli değerlendirdiler. Sapma düzeltmeli transmisyon elektron mikroskobu kullanan son çalışmalar, aktif karbonların pentagonal ve heptagonal karbon halkaları ile fullerene benzer bir yapıya sahip olabileceğini öne sürmüştür.[39][40]
Üretim
[değiştir]
Aktif karbon, bambu, hindistan cevizi kabuğu, söğüt turba, odun, hindistan cevizi lifi, linyit, kömür ve petrol zifti gibi karbonlu ham maddelerden üretilen karbondur. Aşağıdaki işlemlerden biri ile üretilebilir (aktive edilebilir):
Fiziksel aktivasyon: Kaynak malzeme, sıcak gazlar kullanılarak aktif karbon haline getirilir. Hava daha sonra gazları yakmak için verilir, bu da derecelendirilmiş, elenmiş ve tozdan arındırılmış bir aktif karbon formu oluşturur. Bu genellikle aşağıdaki işlemlerden bir veya daha fazlası kullanılarak yapılır:
Karbonizasyon: Karbon içeriğine sahip malzeme, genellikle argon veya azot gibi gazlarla inert bir atmosferde 600–900 °C sıcaklık aralığında pirolize edilir.
Aktivasyon/oksidasyon: Ham malzeme veya karbonize edilmiş malzeme, genellikle 600–1200 °C sıcaklık aralığında, 250 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda oksitleyici atmosferlere (oksijen veya buhar) maruz bırakılır. Aktivasyon, numunenin hava varlığında bir muf fırınında 450 °C'de 1 saat ısıtılmasıyla gerçekleştirilir.[32]
Kimyasal aktivasyon: Karbon malzeme belirli kimyasallarla emprenye edilir. Kimyasal genellikle bir asit, güçlü baz[1][2] veya bir tuzdur[41] (fosforik asit %25, potasyum hidroksit %5, sodyum hidroksit %5, potasyum karbonat %5,[42] kalsiyum klorür %25 ve çinko klorür %25). Karbon daha sonra yüksek sıcaklıklara (250–600 °C) maruz bırakılır. Sıcaklığın, malzemeyi açılmaya zorlayarak daha fazla mikroskobik gözenek oluşturmasıyla karbonu bu aşamada aktive ettiğine inanılmaktadır. Kimyasal aktivasyon, daha düşük sıcaklıklar, daha iyi kalite tutarlılığı ve malzemeyi aktive etmek için gereken daha kısa süre nedeniyle fiziksel aktivasyona tercih edilir.[43]
Hollandalı şirket Norit NV, dünyanın en büyük aktif karbon üreticilerinden biridir. Sri Lankalı hindistan cevizi kabuğu bazlı bir şirket olan Haycarb, küresel pazar payının %16'sını kontrol etmektedir.[44]
Yenilenme ve Sürdürülebilirlik
Adsorpsiyondan sonra, harcanan granüler aktif karbon genellikle atılmak yerine yenilenebilir. Termal reaktivasyon (inert veya buhar atmosferinde 800–900 °C'de ısıtma), gözenek yapısının çoğunu geri kazandırır ancak önemli miktarda enerji tüketir; kimyasal yenileme (örneğin seyreltik asitler veya bazlarla) ise daha ılımlı koşullarda kirlenmeye neden olan bileşikleri seçici olarak giderebilir. Mikrodalga destekli reaktivasyon ve mantar veya bakteri kullanan biyo-yenileme gibi gelişmekte olan yöntemler, daha düşük karbon ayak izleri için umut vadetmektedir. Optimum yenileme rotasını seçmek, karbon ömrü, enerji kullanımı ve arıtma maliyetlerini dengeler ve çöp sahasına gönderilen tehlikeli atık hacmini en aza indirmeye yardımcı olur.
Sınıflandırma
[değiştir]
Aktif karbonlar, davranışları, yüzey özellikleri ve diğer temel kriterlere göre sınıflandırılması zor olan karmaşık ürünlerdir. Bununla birlikte, boyutlarına, hazırlama yöntemlerine ve endüstriyel uygulamalarına göre genel amaçlar için bazı geniş sınıflandırmalar yapılmıştır.
Toz aktif karbon (PAC)
[değiştir]
Ayrıca bakınız: Toz aktif karbon arıtımı
Normalde, aktif karbonlar (R 1), 1,0 mm'den küçük, ortalama çapı 0,15 ile 0,25 mm arasında olan tozlar veya ince granüller şeklinde partikül formunda yapılır. Bu nedenle, küçük bir difüzyon mesafesi ile geniş bir yüzey-hacim oranı sunarlar. Aktif karbon (R 1), 50 mesh'lik bir elek (0,297 mm) üzerinde tutulan aktif karbon partikülleri olarak tanımlanır.
Toz aktif karbon (PAC) malzemesi daha ince bir malzemedir. PAC, %95–100'ü belirlenmiş bir mesh eleğinden geçecek şekilde ezilmiş veya öğütülmüş karbon parçacıklarından oluşur. ASTM, 80 mesh'lik bir elekten (0,177 mm) geçen ve daha küçük parçacıkları PAC olarak sınıflandırır. Oluşabilecek yüksek basınç kaybı nedeniyle PAC'yi özel bir kapta kullanmak yaygın değildir. Bunun yerine, PAC genellikle ham su girişleri, hızlı karıştırma havuzları, durultucular ve yerçekimi filtreleri gibi diğer proses ünitelerine doğrudan eklenir.
Granüler aktif karbon (GAC)
[değiştir]
Granüler aktif karbon (GAC), toz aktif karbona kıyasla nispeten daha büyük bir partikül boyutuna sahiptir ve sonuç olarak daha küçük bir dış yüzey sunar. Bu nedenle adsorbatın difüzyonu önemli bir faktördür. Bu karbonlar, gazların, buharların ve sıvıların adsorpsiyonu için uygundur çünkü bu maddeler filtreler boyunca hızla yayılır. Granüle karbonlar hava filtrasyonu ve su arıtımının yanı sıra genel koku giderme ve akış sistemlerinde ve hızlı karıştırma havuzlarında bileşenlerin ayrılması için kullanılır. GAC, granüler veya ekstrüde formda elde edilebilir. GAC, sıvı faz uygulamaları için 8×20, 20×40 veya 8×30 ve buhar fazı uygulamaları için 4×6, 4×8 veya 4×10 gibi boyutlarla belirtilir. Bir 20×40 karbon, U.S. Standard Mesh Size No. 20 eleğinden (0,84 mm) geçen (%85 geçiş olarak belirtilir) ancak U.S. Standard Mesh Size No. 40 eleğinde (0,42 mm) tutulan (%95 tutulma olarak belirtilir) parçacıklardan oluşur. AWWA (1992) B604, minimum GAC boyutu olarak 50-mesh'lik eleği (0,297 mm) kullanır. En popüler sulu faz karbonları 12×40 ve 8×30 boyutlarıdır çünkü boyut, yüzey alanı ve basınç kaybı özellikleri açısından iyi bir dengeye sahiptirler.
Ekstrüde aktif karbon (EAC)
[değiştir]
Ekstrüde aktif karbon (EAC), toz aktif karbonu bir bağlayıcı ile birleştirir, bunlar birbirine kaynaştırılır ve 0,8 ila 130 mm çaplarında silindirik şekilli bir aktif karbon bloğu halinde ekstrüde edilir. Bunlar esas olarak düşük basınç düşüşü, yüksek mekanik dayanıklılık ve düşük toz içeriği nedeniyle gaz fazı uygulamaları için kullanılır. Ayrıca CTO filtresi (Klor, Tat, Koku) olarak da satılır.
Boncuk aktif karbon (BAC)
[değiştir]
Boncuk aktif karbon (BAC), petrol ziftinin karbonize edilmesi ve ardından yaklaşık 0,35 ila 0,80 mm çaplarında düzgün küreler haline getirilerek aktive edilmesiyle üretilir. BAC tipik olarak 800–1 200 m²/g aralığında bir yüzey alanı sergiler; bu, birçok granüler karbona eşdeğer veya onlardan fazladır, bu da çözünmüş organik maddeler için kapasitesini artırır. EAC'ye benzer şekilde, düşük basınç düşüşü, yüksek mekanik dayanıklılık ve düşük toz içeriği ile dikkat çeker, ancak daha küçük bir tane boyutuna sahiptir. Küresel şekli, su filtrasyonu gibi akışkan yataklı uygulamalar için tercih edilmesini sağlar.
Emprenye karbon
[değiştir]
İyot ve gümüş gibi çeşitli inorganik emprenye maddeleri içeren gözenekli karbonlar. Alüminyum, manganez, çinko, demir, lityum ve kalsiyum gibi katyonlar da, özellikle müzeler ve galerilerdeki hava kirliliği kontrolünde özel uygulamalar için hazırlanmıştır. Antimikrobiyal ve antiseptik özellikleri nedeniyle, gümüş yüklü aktif karbon evsel suyun saflaştırılması için bir adsorbent olarak kullanılır. Doğal su, bir flokülasyon ajanı olan aktif karbon ve alüminyum hidroksit (Al(OH)3) karışımı ile muamele edilerek doğal sudan içme suyu elde edilebilir. Emprenye karbonlar ayrıca hidrojen sülfür (H2S) ve tiyollerin adsorpsiyonu için kullanılır. H2S için ağırlıkça %50'ye varan adsorpsiyon oranları bildirilmiştir. [atıf gerekli]
Polimer kaplı karbon
[değiştir]
Bu, gözenekli bir karbonun, gözenekleri tıkamadan pürüzsüz ve geçirgen bir kaplama sağlamak için biyouyumlu bir polimer ile kaplanabildiği bir işlemdir. Tipik film kalınlığı 50 ila 200 nm arasında değişir; bu, gözenek erişimini korumak ile malzemedeki mekanik stabiliteyi sağlamak arasında bir denge kurar. Ortaya çıkan karbon hemoperfüzyon için yararlıdır. Hemoperfüzyon, hastanın kanındaki toksik maddeleri uzaklaştırmak için büyük miktarlarda kanın bir adsorbent madde üzerinden geçirildiği bir tedavi tekniğidir. Klinik çalışmalarda, polimer kaplı karbonlar, bilirubin ve bazı ilaç metabolitleri gibi toksinlerin tek bir geçişte %80'inden fazlasını gidermiştir.
Dokuma karbon
[değiştir]
Karbon filtrasyonu için teknik suni ipek elyafını aktif karbon bezine işleme teknolojisi vardır. Aktif bezin adsorpsiyon kapasitesi aktif kömürünkinden daha büyüktür (BET teorisi yüzey alanı: 500–1500 m²/g, gözenek hacmi: 0,3–0,8 cm³/g)[atıf gerekli]. Aktif malzemenin farklı formları sayesinde çok çeşitli uygulamalarda (süperkapasitörler, koku emiciler, KBRN savunma sanayii vb.) kullanılabilir.
Özellikler
[değiştir]
Bir gram aktif karbon, 500 m²'yi (5.400 fit kare) aşan bir yüzey alanına sahip olabilir ve 3.000 m²'ye (32.000 fit kare) kolayca ulaşılabilir.[2][4][45] Karbon aerojelleri daha pahalı olsa da, daha da yüksek yüzey alanlarına sahiptir ve özel uygulamalarda kullanılırlar.
Bir elektron mikroskobu altında, aktif karbonun yüksek yüzey alanlı yapıları ortaya çıkar. Bireysel partiküller yoğun bir şekilde kıvrımlıdır ve çeşitli gözeneklilik türleri sergiler; grafit benzeri malzemenin düz yüzeylerinin birbirine paralel uzandığı, sadece birkaç nanometre ile ayrıldığı birçok alan olabilir.[2] Bu mikro gözenekler, adsorbe olan malzeme birçok yüzeyle aynı anda etkileşime girebileceğinden, adsorpsiyonun gerçekleşmesi için mükemmel koşullar sağlar. Adsorpsiyon davranış testleri genellikle yüksek vakum altında 77 K'de azot gazı ile yapılır, ancak günlük terimlerle aktif karbon, ortamından adsorpsiyon yoluyla, 100 °C'deki (212 °F) ve 1/10.000 atmosfer basıncındaki buhardan sıvı su üretebilecek eşdeğeri üretme kapasitesine sahiptir.
Dewar (vakum şişesi) adını alan bilim insanı James Dewar, 20. yüzyılın başlarında aktif karbon üzerinde çalışarak çok zaman harcadı ve gazlara ilişkin adsorpsiyon kapasitesi hakkında bir makale yayınladı.[46] Bu makalede, karbonu sıvı azot sıcaklıklarına soğutmanın, diğerlerinin yanı sıra çok sayıda hava gazının önemli miktarlarını adsorbe etmesini sağladığını ve bunların daha sonra karbonun tekrar ısınmasına izin vererek geri toplanabileceğini ve hindistan cevizi bazlı karbonun bu etki için daha üstün olduğunu keşfetti. Örnek olarak oksijeni kullanır; aktif karbon normal koşullar altında atmosferik konsantrasyonu (%21) adsorbe ederken, karbon düşük sıcaklıklara soğutulursa %80'in üzerinde oksijen salardı.
Fiziksel olarak aktif karbon, malzemeleri van der Waals kuvveti[43] veya London dağılım kuvveti ile bağlar.
Aktif karbon, alkoller, dioller, güçlü asitler ve bazlar, metaller ve lityum, sodyum, demir, kurşun, arsenik, flor ve borik asit gibi çoğu inorganik dahil olmak üzere belirli kimyasallara iyi bağlanmaz.
Aktif karbon, iyotu da çok iyi adsorbe edebilir. İyot kapasitesi, mg/g, (ASTM D28 Standart Metot testi) test malzemesinin yüzey alanındaki toplam adsorpsiyonun bir göstergesi olarak kullanılabilir.
Bununla birlikte, karbonmonoksit aktif karbon tarafından çok iyi adsorbe edilmez. Bu, gazın insan duyuları tarafından algılanamadığı, metabolizma için toksik olduğu ve nörotoksik olduğu için solunum cihazları, davlumbazlar veya diğer gaz kontrol sistemleri için filtrelerde bu malzemeyi kullananlar için özel bir endişe kaynağı olmalıdır.
Aktif karbon tarafından adsorbe edilen yaygın endüstriyel ve tarımsal gazların kapsamlı listeleri çevrimiçi olarak bulunabilir.[47]
Aktif karbon, hidrojen sülfür (H2S), amonyak (NH3), formaldehit (HCOH), cıva (Hg) ve radyoaktif iyot-131 (131I) gibi bazı inorganik (ve sorunlu organik) bileşikler için adsorptif kapasiteyi artırmak amacıyla çeşitli kimyasalların uygulanması için bir alt tabaka olarak kullanılabilir. Bu özellik kemisorpsiyon (kimyasal adsorpsiyon) olarak bilinir.
İyot numarası
[değiştir]
Birçok karbon, küçük molekülleri tercihen adsorbe eder. İyot numarası, aktif karbon performansını karakterize etmek için kullanılan en temel parametredir. Aktivasyon seviyesinin bir ölçüsüdür (daha yüksek sayı daha yüksek aktivasyon derecesini gösterir[48]), genellikle mg/g cinsinden rapor edilir (tipik aralık 500–1200 mg/g). Çözeltiden iyot adsorpsiyonu ile aktif karbonun mikro gözenek içeriğinin (0 ila 20 Å veya 2 nm'ye kadar) bir ölçüsüdür.[49] 900 ila 1100 m²/g arasındaki karbon yüzey alanına eşdeğerdir. Sıvı faz uygulamaları için standart ölçüdür.
İyot numarası, artık süzüntüdeki iyot konsantrasyonu 0,02 normal (yani 0,02N) konsantrasyondayken bir gram karbon tarafından adsorbe edilen iyotun miligramı olarak tanımlanır. Temelde iyot numarası, gözeneklerde adsorbe edilen iyotun bir ölçüsüdür ve bu nedenle, ilgilenilen aktif karbonda mevcut olan gözenek hacminin bir göstergesidir. Tipik olarak, su arıtma karbonları 600 ila 1100 arasında değişen iyot numaralarına sahiptir. Bu parametre, kullanımda olan bir karbonun tükenme derecesini belirlemek için sıklıkla kullanılır. Ancak, adsorbat ile kimyasal etkileşimler iyot alımını etkileyerek yanlış sonuçlar verebileceğinden, bu uygulama dikkatle ele alınmalıdır. Bu nedenle, iyot numarasının bir karbon yatağının tükenme derecesinin bir ölçüsü olarak kullanımı, yalnızca adsorbatlarla kimyasal etkileşimlerden arınmış olduğu gösterilmişse ve belirli uygulama için iyot numarası ile tükenme derecesi arasında deneysel bir korelasyon belirlenmişse önerilebilir.
Melas
[değiştir]
Bazı karbonlar büyük molekülleri adsorbe etme konusunda daha yeteneklidir. Melas numarası veya melas verimliliği, çözeltiden melas adsorpsiyonu ile aktif karbonun mezo gözenek içeriğinin (20 Å'den büyük veya 2 nm'den büyük) bir ölçüsüdür. Yüksek bir melas numarası, büyük moleküllerin yüksek adsorpsiyonunu gösterir (aralık 95–600). Karamel dp (renk giderme performansı) melas numarasına benzer. Melas verimliliği yüzde olarak rapor edilir (%40–185 aralığı) ve melas numarasına paraleldir (600 = %185, 425 = %85). Avrupa melas numarası (525–110 aralığı), Kuzey Amerika melas numarası ile ters orantılıdır.
Melas Numarası, seyreltilmiş ve standartlaştırılmış aktif karbona göre standartlaştırılmış standart bir melas çözeltisinin renk giderme derecesinin bir ölçüsüdür. Renk gövdelerinin boyutu nedeniyle, melas numarası, daha büyük adsorbe edici türler için mevcut olan potansiyel gözenek hacmini temsil eder. Belirli bir atık su uygulamasında tüm gözenek hacmi adsorpsiyon için mevcut olmayabileceğinden ve adsorbatın bir kısmı daha küçük gözeneklere girebileceğinden, belirli bir uygulama için belirli bir aktif karbonun değerinin iyi bir ölçüsü değildir. Bu parametre, genellikle bir dizi aktif karbonu adsorpsiyon hızları açısından değerlendirmede yararlıdır. Adsorpsiyon için benzer gözenek hacimlerine sahip iki aktif karbon verildiğinde, daha yüksek melas numarasına sahip olan, genellikle daha büyük besleyici gözeneklere sahip olacak ve bu da adsorbatın adsorpsiyon alanına daha verimli transferiyle sonuçlanacaktır.
Tanen
[değiştir]
Tanenler, büyük ve orta boy moleküllerin bir karışımıdır. Makro gözenekler ve mezo gözeneklerin kombinasyonuna sahip karbonlar tanenleri adsorbe eder. Bir karbonun tanenleri adsorbe etme yeteneği, milyonda bir parça (ppm) konsantrasyonu olarak rapor edilir (200 ppm–362 ppm aralığı).
Metilen mavisi
[değiştir]
Bazı karbonlar, metilen mavisi boyası gibi orta boy molekülleri adsorbe eden bir mezo gözenek (20 Å ila 50 Å veya 2 ila 5 nm) yapısına sahiptir. Metilen mavisi adsorpsiyonu g/100g olarak rapor edilir (11–28 g/100g aralığı).[50]
Klor giderme
[değiştir]
Bazı karbonlar, aktif karbonun klor giderme verimliliğini ölçen klor giderme yarı ömrü uzunluğuna göre değerlendirilir. Klor giderme yarı değer uzunluğu, klor konsantrasyonunu %50 azaltmak için gereken karbon derinliğidir. Daha düşük bir yarı değer uzunluğu, üstün performansı gösterir.[51]
Görünen yoğunluk
[değiştir]
Aktif karbonların katı veya iskelet yoğunluğu tipik olarak 2000 ve 2100 kg/m³ (125–130 lbs./kübik fit) arasında değişecektir. Bununla birlikte, bir aktif karbon numunesinin büyük bir kısmı partiküller arasındaki hava boşluğundan oluşacaktır ve gerçek veya görünen yoğunluk bu nedenle daha düşük olacaktır, tipik olarak 400 ila 500 kg/m³ (25–31 lbs./kübik fit).[52]
Daha yüksek yoğunluk, daha fazla hacimsel aktivite sağlar ve normalde daha kaliteli aktif karbonu gösterir. ASTM D 2854 -09 (2014), aktif karbonun görünen yoğunluğunu belirlemek için kullanılır.
Sertlik/aşınma numarası
[değiştir]
Aktif karbonun aşınmaya karşı direncinin bir ölçüsüdür. Aktif karbonun fiziksel bütünlüğünü koruması ve malzemenin kusurlu olmasına neden olacak sürtünme kuvvetlerine dayanması için önemli bir göstergedir. Üretildiği ham maddeye ve aktivasyon seviyelerine (gözeneklilik) bağlı olarak, aktif karbonların sertliğinde büyük farklılıklar vardır.
Kül içeriği
[değiştir]
Kül, aktif karbonun genel aktivitesini azaltır ve reaktivasyon verimliliğini düşürür. Miktarı sadece aktif karbonu üretmek için kullanılan temel ham maddeye (örneğin hindistan cevizi, odun, kömür vb.) bağlıdır. Metal oksitler (Fe2O3) aktif karbondan sızarak renk bozulmasına neden olabilir. Asitte/suda çözünür kül içeriği, toplam kül içeriğinden daha önemlidir. Çözünür kül içeriği akvaristler için çok önemli olabilir, çünkü ferrik oksit alg büyümelerini teşvik edebilir. Ağır metal zehirlenmesini ve aşırı bitki/alg büyümesini önlemek için deniz, tatlı su balıkları ve resif tankları için düşük çözünür kül içeriğine sahip bir karbon kullanılmalıdır. ASTM (D2866 Standart Metot testi), aktif karbonun kül içeriğini belirlemek için kullanılır.
Karbon tetraklorür aktivitesi
[değiştir]
Doymuş karbon tetraklorür buharının adsorpsiyonu ile bir aktif karbonun gözenekliliğinin ölçümü.
Partikül boyutu dağılımı
[değiştir]
Bir aktif karbonun partikül boyutu ne kadar ince olursa, yüzey alanına erişim o kadar iyi olur ve adsorpsiyon kinetiği hızı o kadar hızlı olur. Buhar fazı sistemlerinde bunun, enerji maliyetini etkileyecek basınç düşüşüne karşı dikkate alınması gerekir. Partikül boyutu dağılımının dikkatli bir şekilde düşünülmesi önemli operasyonel avantajlar sağlayabilir. Ancak, altın gibi minerallerin adsorpsiyonu için aktif karbon kullanılması durumunda, partikül boyutu 3,35–1,4 milimetre (0,132–0,055 inç) aralığında olmalıdır. 1 mm'den küçük partikül boyutuna sahip aktif karbon, elüsyon (mineralin aktif karbondan soyulması) için uygun olmayacaktır. Cornell Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, 4800 m² g⁻¹ BET alanına ve 2,7 cm³ g⁻¹ toplam gözenek hacmine sahip ultra yüksek yüzey alanlı bir aktif karbon sentezlediler.[1] Bu BET yüzey alanı değeri, bugüne kadar aktif karbon için literatürde rapor edilen en yüksek değerdir.
Özelliklerin ve reaktivitenin modifikasyonu
[değiştir]
Asit-baz, oksidasyon-redüksiyon ve spesifik adsorpsiyon özellikleri, yüzey fonksiyonel gruplarının bileşimine güçlü bir şekilde bağlıdır.[53]
Geleneksel aktif karbonun yüzeyi reaktiftir; atmosferik oksijen, oksijen plazması[54][55][56][57][58][59][60][61] buhar,[62][63][64] ve ayrıca karbondioksit[58] ve ozon[65][66][67] ile oksidasyona uğrayabilir.
Sıvı fazdaki oksidasyon, çok çeşitli reaktifler (HNO3, H2O2, KMnO4) tarafından tetiklenir.[68][69][70]
Okside karbonun yüzeyinde çok sayıda bazik ve asidik grubun oluşması yoluyla, sorpsiyon ve diğer özellikler modifiye edilmemiş formlardan önemli ölçüde farklı olabilir.[53]
Aktif karbon, doğal ürünler veya polimerlerle azotlanabilir[71][72] veya karbonun azotlayıcı reaktiflerle işlenmesiyle azotlanabilir.[73][74][75]
Aktif karbon klor,[76][77] brom[78] ve flor[79] ile etkileşime girebilir.
Aktif karbon yüzeyi, diğer karbon malzemeler gibi, sıvı fazda (per)floropolieter peroksit[80] ile veya CVD yöntemiyle çok çeşitli floroorganik maddelerle floralkillenmiş olabilir.[81] Bu tür malzemeler, yüksek hidrofobikliği ve kimyasal kararlılığı elektriksel ve termal iletkenlik ile birleştirir ve süper kapasitörler için elektrot malzemesi olarak kullanılabilir.[82]
Sülfonik asit fonksiyonel grupları, yağ asitlerinin esterleşmesini seçici olarak katalize etmek için kullanılabilen "starbonlar" oluşturmak üzere aktif karbona bağlanabilir.[83] Halojenli öncüllerden bu tür aktif karbonların oluşumu, kalan halojenlerin kararlılığı artırmasının bir sonucu olduğu düşünülen daha etkili bir katalizör verir.[84] Kimyasal olarak aşılanmış süperasit bölgeleri –CF2SO3H ile aktif karbon sentezi hakkında raporlar mevcuttur.[85]
Aktif karbonun bazı kimyasal özellikleri, yüzey aktif karbon çift bağının varlığına atfedilmiştir.[67][86]
Polyani adsorpsiyon teorisi, çeşitli organik maddelerin yüzeylerine adsorpsiyonunu analiz etmek için popüler bir yöntemdir.
Adsorpsiyon örnekleri
[değiştir]
Heterojen kataliz
[değiştir]
Endüstride en sık karşılaşılan kemisorpsiyon biçimi, katı bir katalizör gaz halindeki bir ham madde olan reaktant/lar ile etkileşime girdiğinde ortaya çıkar. Reaktant/ların katalizör yüzeyine adsorpsiyonu bir kimyasal bağ oluşturur, reaktant molekülü etrafındaki elektron yoğunluğunu değiştirir ve normalde sahip olamayacağı reaksiyonlara girmesine izin verir.
Reaktivasyon ve rejenerasyon
[değiştir]
Aktif karbonların reaktivasyonu veya rejenerasyonu, adsorbe edilen kirleticileri aktif karbon yüzeyinden desorbe ederek doymuş aktif karbonun adsorptif kapasitesini geri kazandırmayı içerir.
Termal reaktivasyon
[değiştir]
Endüstriyel süreçlerde kullanılan en yaygın rejenerasyon tekniği termal reaktivasyondur.[87] Termal rejenerasyon süreci genellikle üç adımı takip eder:[88]
Adsorbentin yaklaşık 105 °C'de (221 °F) kurutulması
İnert bir atmosferde yüksek sıcaklıkta desorpsiyon ve ayrışma (500–900 °C (932–1.652 °F))
Yüksek sıcaklıklarda (800 °C (1.470 °F)) oksitleyici olmayan bir gazla (buhar veya karbondioksit) artık organik gazlaştırma
Isıl işlem aşaması, adsorpsiyonun ekzotermik doğasından yararlanır ve adsorbe edilen organiklerin desorpsiyonu, kısmi çatlaması ve polimerizasyonu ile sonuçlanır. Son adım, önceki aşamada gözenekli yapıda oluşan kömürleşmiş organik kalıntıyı gidermeyi ve gözenekli karbon yapısını yeniden ortaya çıkararak orijinal yüzey özelliklerini yenilemeyi amaçlar. İşlemden sonra adsorpsiyon kolonu yeniden kullanılabilir. Adsorpsiyon-termal rejenerasyon döngüsü başına, karbon yatağının ağırlıkça %5-15'i yanarak adsorptif kapasitede bir kayıpla sonuçlanır.[89] Termal rejenerasyon, gerekli yüksek sıcaklıklar nedeniyle yüksek enerji gerektiren bir süreçtir ve bu da onu hem enerjisel hem de ticari olarak pahalı bir süreç haline getirir.[88] Aktif karbonun termal rejenerasyonuna dayanan tesisler, tesis bünyesinde rejenerasyon tesislerine sahip olmanın ekonomik olarak uygun olması için belirli bir boyutta olmalıdır. Sonuç olarak, daha küçük atık arıtma tesislerinin aktif karbon çekirdeklerini rejenerasyon için uzman tesislere göndermesi yaygındır.[90]
Diğer rejenerasyon teknikleri
[değiştir]
Aktif karbonun termal rejenerasyonunun yüksek enerji/maliyet doğası ile ilgili mevcut endişeler, bu tür süreçlerin çevresel etkisini azaltmak için alternatif rejenerasyon yöntemleri üzerine araştırmaları teşvik etmiştir. Belirtilen rejenerasyon tekniklerinin birçoğu tamamen akademik araştırma alanları olarak kalmış olsa da, termal rejenerasyon sistemlerine bazı alternatifler endüstride kullanılmıştır. Mevcut alternatif rejenerasyon yöntemleri şunlardır:
TSA (termal salınımlı adsorpsiyon) ve/veya PSA (basınç salınımlı adsorpsiyon) süreçleri: buhar,[91] "sıcak" inert gaz (genellikle ısıtılmış azot (150–250 °C (302–482 °F))) veya vakum (TSA ve VSA süreçlerini birleştiren T+VSA veya TVSA) kullanarak konveksiyon (ısı transferi) yoluyla yerinde (in situ) rejenerasyon[93]
MWR (mikrodalga rejenerasyonu)[94]
Kimyasal ve solvent rejenerasyonu[95]
Kimyasal ve termal rejenerasyon[96]
Mikrobiyal rejenerasyon[97]
Elektrokimyasal rejenerasyon[98]
Ultrasonik rejenerasyon[99]
Islak hava oksidasyonu[100]
Ayrıca bakınız
[değiştir]
Tıp portalı
Kimya portalı
Aktif kömür temizliği
Biyochar
Bambu kömürü
Binchōtan
Kemik kömürü
Karbon filtreleme
Karbokataliz
Konjuge mikro gözenekli polimer
Hidrojen depolama
Kværner süreci
Araç içi yakıt ikmali buhar geri kazanımı
Referanslar
[değiştir]