กระบวนการผลิตคาร์บอนกัมมันต์

กระบวนการแปรรูปถ่านกัมมันต์โดยทั่วไปประกอบด้วยการคาร์บอไนเซชัน ตามด้วยการกระตุ้นวัสดุคาร์บอนจากพืช การคาร์บอไนเซชันคือการให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 400-800°C ซึ่งจะเปลี่ยนวัตถุดิบให้เป็นคาร์บอนโดยการลดปริมาณสารระเหยและเพิ่มปริมาณคาร์บอนในวัสดุ ซึ่งจะช่วยเพิ่มความแข็งแรงของวัสดุและสร้างโครงสร้างรูพรุนเริ่มต้น ซึ่งจำเป็นสำหรับการกระตุ้นคาร์บอน การปรับสภาวะการคาร์บอไนเซชันอาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย อุณหภูมิการคาร์บอไนเซชันที่สูงขึ้นจะเพิ่มปฏิกิริยา แต่ในขณะเดียวกันก็ลดปริมาตรของรูพรุนที่เกิดขึ้น ปริมาตรของรูพรุนที่ลดลงนี้เกิดจากการควบแน่นของวัสดุที่เพิ่มขึ้นที่อุณหภูมิการคาร์บอไนเซชันที่สูงขึ้น ซึ่งทำให้ความแข็งแรงเชิงกลเพิ่มขึ้น ดังนั้น การเลือกอุณหภูมิกระบวนการที่เหมาะสมกับผลิตภัณฑ์คาร์บอไนเซชันที่ต้องการจึงเป็นสิ่งสำคัญ

ออกไซด์เหล่านี้จะแพร่ออกจากคาร์บอน ส่งผลให้เกิดกระบวนการแก๊สซิฟิเคชันบางส่วน ซึ่งจะเปิดรูพรุนที่ปิดไว้ก่อนหน้านี้ และพัฒนาโครงสร้างรูพรุนภายในของคาร์บอนต่อไป ในการกระตุ้นทางเคมี คาร์บอนจะทำปฏิกิริยากับสารขจัดน้ำที่อุณหภูมิสูง ซึ่งจะกำจัดไฮโดรเจนและออกซิเจนส่วนใหญ่ออกจากโครงสร้างคาร์บอน การกระตุ้นทางเคมีมักจะรวมขั้นตอนการคาร์บอไนเซชันและการกระตุ้นเข้าด้วยกัน แต่ทั้งสองขั้นตอนนี้อาจยังเกิดขึ้นแยกกัน ขึ้นอยู่กับกระบวนการ พบว่ามีพื้นที่ผิวสูงเกิน 3,000 ตารางเมตร/กรัม เมื่อใช้ KOH เป็นสารกระตุ้นทางเคมี

คาร์บอนกัมมันต์จากวัตถุดิบที่แตกต่างกัน

นอกจากจะเป็นสารดูดซับที่ใช้งานได้หลากหลายวัตถุประสงค์แล้ว ถ่านกัมมันต์ยังสามารถผลิตได้จากวัตถุดิบหลากหลายชนิด ทำให้เป็นผลิตภัณฑ์อเนกประสงค์ที่สามารถผลิตได้ในหลายพื้นที่ ขึ้นอยู่กับวัตถุดิบที่มีอยู่ วัสดุเหล่านี้ได้แก่ เปลือกพืช เมล็ดผลไม้ วัสดุไม้ ยางมะตอย คาร์ไบด์โลหะ คาร์บอนแบล็ก เศษวัสดุเหลือใช้จากน้ำเสีย และเศษพอลิเมอร์ ถ่านหินชนิดต่างๆ ซึ่งมีโครงสร้างรูพรุน 5 ชั้นอยู่แล้ว สามารถนำไปผ่านกระบวนการเพิ่มเติมเพื่อสร้างถ่านกัมมันต์ได้ แม้ว่าถ่านกัมมันต์สามารถผลิตได้จากวัตถุดิบเกือบทุกชนิด แต่การผลิตถ่านกัมมันต์จากวัสดุเหลือใช้นั้นคุ้มค่าและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากที่สุด ถ่านกัมมันต์ที่ผลิตจากกะลามะพร้าวมีรูพรุนขนาดเล็ก (micropore) จำนวนมาก ทำให้เป็นวัตถุดิบที่นิยมใช้มากที่สุดสำหรับการใช้งานที่ต้องการความสามารถในการดูดซับสูง ขี้เลื่อยและเศษไม้อื่นๆ ยังมีโครงสร้างรูพรุนขนาดเล็ก (microporous) ที่พัฒนาขึ้นอย่างแข็งแกร่ง ซึ่งเหมาะสำหรับการดูดซับจากสถานะก๊าซ การผลิตถ่านกัมมันต์จากเมล็ดมะกอก พลัม แอปริคอต และพีช ให้สารดูดซับที่เป็นเนื้อเดียวกันสูง มีความแข็งสูง ทนทานต่อการขัดถู และมีปริมาตรไมโครพอร์สูง เศษพีวีซีสามารถถูกกระตุ้นได้หากกำจัดกรดไฮโดรคลอริกออกก่อน และทำให้ได้ถ่านกัมมันต์ซึ่งเป็นสารดูดซับเมทิลีนบลูที่ดี แม้แต่ถ่านกัมมันต์ก็ถูกผลิตขึ้นจากเศษยางรถยนต์ เพื่อที่จะแยกแยะสารตั้งต้นที่เป็นไปได้หลากหลายชนิด จำเป็นต้องประเมินคุณสมบัติทางกายภาพที่เกิดขึ้นหลังจากการกระตุ้น เมื่อเลือกสารตั้งต้น คุณสมบัติต่อไปนี้มีความสำคัญ: พื้นที่ผิวจำเพาะของรูพรุน ปริมาตรรูพรุนและการกระจายปริมาตรรูพรุน องค์ประกอบและขนาดของเม็ด และโครงสร้าง/ลักษณะทางเคมีของพื้นผิวคาร์บอน

การเลือกสารตั้งต้นที่ถูกต้องสำหรับการใช้งานที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากความหลากหลายของสารตั้งต้นช่วยให้สามารถควบคุมโครงสร้างรูพรุนของคาร์บอนได้ สารตั้งต้นแต่ละชนิดจะมีมาโครพอร์ (> 50 นาโนเมตร) ในปริมาณที่แตกต่างกัน ซึ่ง 6 เป็นตัวกำหนดปฏิกิริยาของสารตั้งต้นเหล่านั้น แมโครพอร์เหล่านี้ไม่มีประสิทธิภาพในการดูดซับ แต่การมีมาโครพอร์เหล่านี้ทำให้มีช่องทางในการสร้างไมโครพอร์ในระหว่างการกระตุ้นมากขึ้น นอกจากนี้ มาโครพอร์ยังช่วยให้โมเลกุลของสารดูดซับสามารถไปถึงไมโครพอร์ในระหว่างการดูดซับได้มากขึ้น