การแนะนำคาร์บอนกัมมันต์

คาร์บอนกัมมันต์ (AC) หมายถึงวัสดุที่มีคาร์บอนสูง มีความพรุนและความสามารถในการดูดซับสูง ซึ่งผลิตจากไม้ กะลามะพร้าว ถ่านหิน และกรวย ฯลฯ AC เป็นหนึ่งในสารดูดซับที่นิยมใช้กันในอุตสาหกรรมต่างๆ เพื่อกำจัดสารมลพิษจำนวนมากออกจากแหล่งน้ำและอากาศ เนื่องจาก AC สังเคราะห์จากผลผลิตทางการเกษตรและของเสีย จึงได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นทางเลือกที่ดีเยี่ยมแทนแหล่งพลังงานที่ไม่หมุนเวียนและมีราคาแพงที่ใช้กันทั่วไป สำหรับการเตรียม AC มีกระบวนการพื้นฐานสองอย่าง คือ การคาร์บอไนเซชันและการกระตุ้น ในกระบวนการแรก สารตั้งต้นจะถูกนำไปผ่านความร้อนสูงระหว่าง 400 ถึง 850 องศาเซลเซียส เพื่อกำจัดองค์ประกอบที่ระเหยได้ทั้งหมดออกไป อุณหภูมิที่สูงจะกำจัดองค์ประกอบที่ไม่ใช่คาร์บอนทั้งหมดออกจากสารตั้งต้น เช่น ไฮโดรเจน ออกซิเจน และไนโตรเจน ในรูปของก๊าซและทาร์ กระบวนการนี้ผลิตถ่านที่มีปริมาณคาร์บอนสูง แต่มีพื้นที่ผิวและความพรุนต่ำ อย่างไรก็ตาม ขั้นตอนที่สองเกี่ยวข้องกับการกระตุ้นถ่านที่สังเคราะห์ไว้ก่อนหน้านี้ การเพิ่มขนาดรูพรุนในระหว่างกระบวนการกระตุ้นสามารถแบ่งออกเป็น 3 ประเภท ได้แก่ การเปิดรูพรุนที่ก่อนหน้านี้ไม่สามารถเข้าถึงได้ การพัฒนารูพรุนใหม่โดยการกระตุ้นแบบเลือก และการขยายรูพรุนที่มีอยู่
โดยทั่วไปแล้ว จะใช้สองวิธี คือ ทางกายภาพและทางเคมี ในการกระตุ้นเพื่อให้ได้พื้นที่ผิวและความพรุนตามต้องการ การกระตุ้นทางกายภาพเกี่ยวข้องกับการกระตุ้นถ่านที่ถูกเผาไหม้โดยใช้ก๊าซออกซิไดซ์ เช่น อากาศ คาร์บอนไดออกไซด์ และไอน้ำ ที่อุณหภูมิสูง (ระหว่าง 650 ถึง 900°C) โดยทั่วไปแล้ว คาร์บอนไดออกไซด์เป็นที่นิยมมากกว่าเนื่องจากมีคุณสมบัติบริสุทธิ์ ใช้งานง่าย และกระบวนการกระตุ้นที่ควบคุมได้ที่อุณหภูมิประมาณ 800°C การกระตุ้นด้วยคาร์บอนไดออกไซด์สามารถทำให้ได้ความสม่ำเสมอของรูพรุนสูงเมื่อเทียบกับไอน้ำ อย่างไรก็ตาม สำหรับการกระตุ้นทางกายภาพ ไอน้ำเป็นที่นิยมมากกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ เนื่องจากสามารถผลิต AC ที่มีพื้นที่ผิวค่อนข้างสูงได้ เนื่องจากน้ำมีขนาดโมเลกุลเล็กกว่า การแพร่ของน้ำภายในโครงสร้างของถ่านจึงเกิดขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ พบว่าการกระตุ้นด้วยไอน้ำนั้นสูงกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณสองถึงสามเท่าในระดับการเปลี่ยนแปลงที่เท่ากัน
อย่างไรก็ตาม วิธีการทางเคมีเกี่ยวข้องกับการผสมสารตั้งต้นกับสารกระตุ้น (NaOH, KOH และ FeCl3 เป็นต้น) สารกระตุ้นเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นทั้งสารออกซิไดซ์และสารขจัดน้ำ ในวิธีการนี้ การคาร์บอไนเซชันและการกระตุ้นจะดำเนินการพร้อมกันที่อุณหภูมิต่ำกว่า 300-500°C เมื่อเทียบกับวิธีการทางกายภาพ ส่งผลให้การสลายตัวแบบไพโรไลซิส ส่งผลให้โครงสร้างรูพรุนดีขึ้นและปริมาณคาร์บอนสูง ประโยชน์หลักของวิธีการทางเคมีเมื่อเทียบกับวิธีการทางกายภาพคือ ความต้องการอุณหภูมิต่ำ โครงสร้างรูพรุนขนาดเล็กสูง พื้นที่ผิวขนาดใหญ่ และระยะเวลาในการทำปฏิกิริยาเสร็จสิ้นที่สั้นลง
ความเหนือกว่าของวิธีการกระตุ้นทางเคมีสามารถอธิบายได้จากแบบจำลองที่เสนอโดยคิมและเพื่อนร่วมงาน [1] ซึ่งพบว่าไมโครโดเมนทรงกลมต่างๆ ที่ทำหน้าที่ในการก่อตัวของไมโครพอร์นั้นพบใน AC ในทางกลับกัน มีโซพอร์เกิดขึ้นในบริเวณอินเตอร์ไมโครโดเมน จากการทดลอง พบว่าคาร์บอนกัมมันต์จากเรซินที่มีฟีนอลก่อตัวขึ้นโดยการกระตุ้นทางเคมี (โดยใช้ KOH) และการกระตุ้นทางกายภาพ (โดยใช้ไอน้ำ) (รูปที่ 1) ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า AC ที่สังเคราะห์โดยการกระตุ้นด้วย KOH มีพื้นที่ผิวสูงถึง 2878 ตารางเมตร/กรัม เมื่อเทียบกับ 2213 ตารางเมตร/กรัม โดยการกระตุ้นด้วยไอน้ำ นอกจากนี้ ปัจจัยอื่นๆ เช่น ขนาดรูพรุน พื้นที่ผิว ปริมาตรไมโครพอร์ และความกว้างรูพรุนโดยเฉลี่ย ล้วนพบว่ามีประสิทธิภาพดีกว่าในสภาวะที่กระตุ้นด้วย KOH เมื่อเทียบกับสภาวะที่กระตุ้นด้วยไอน้ำ

ความแตกต่างระหว่าง AC ที่เตรียมจากการกระตุ้นด้วยไอน้ำ (C6S9) และการกระตุ้นด้วย KOH (C6K9) ตามลำดับ อธิบายโดยใช้แบบจำลองโครงสร้างจุลภาค

ขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาคและวิธีการเตรียม สามารถแบ่งได้เป็นสามประเภท ได้แก่ AC แบบมีกำลัง (powered AC), AC แบบเม็ด (granular AC) และ AC แบบเม็ด (bead AC) AC แบบมีกำลัง (powered AC) ผลิตจากเม็ดละเอียดขนาด 1 มิลลิเมตร โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 0.15-0.25 มิลลิเมตร AC แบบเม็ดมีขนาดใหญ่กว่าและมีพื้นที่ผิวภายนอกน้อยกว่า AC แบบเม็ดถูกนำมาใช้สำหรับการใช้งานในเฟสของเหลวและเฟสก๊าซต่างๆ ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนมิติ AC แบบเม็ดประเภทที่สาม: AC แบบเม็ดโดยทั่วไปสังเคราะห์จากน้ำมันปิโตรเลียม (petrolein pitch) ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 0.35 ถึง 0.8 มิลลิเมตร AC แบบเม็ดมีความแข็งแรงเชิงกลสูงและปริมาณฝุ่นต่ำ เนื่องจากมีโครงสร้างทรงกลม จึงถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในงานฟลูอิไดซ์เบด เช่น การกรองน้ำ