การแนะนำถ่านกัมมันต์

ถ่านกัมมันต์ (AC) หมายถึงวัสดุที่มีคาร์บอนสูงซึ่งมีความพรุนและความสามารถในการดูดซับสูงที่ผลิตจากไม้ กะลามะพร้าว ถ่านหิน และกรวย เป็นต้น AC เป็นหนึ่งในตัวดูดซับที่ใช้บ่อยในอุตสาหกรรมต่างๆ เพื่อกำจัดมลพิษจำนวนมาก จากแหล่งน้ำและอากาศ เนื่องจาก AC สังเคราะห์จากผลิตภัณฑ์ทางการเกษตรและของเสีย จึงได้พิสูจน์แล้วว่าเป็นทางเลือกที่ดีเยี่ยมแทนแหล่งที่ไม่หมุนเวียนและมีราคาแพงซึ่งใช้กันทั่วไป สำหรับการเตรียม AC จะใช้กระบวนการพื้นฐานสองกระบวนการ ได้แก่ คาร์บอไนเซชันและการกระตุ้น ในกระบวนการแรก สารตั้งต้นจะถูกนำไปผ่านอุณหภูมิสูงระหว่าง 400 ถึง 850°C เพื่อไล่ส่วนประกอบที่ระเหยได้ทั้งหมดออกไป อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะขจัดส่วนประกอบที่ไม่ใช่คาร์บอนทั้งหมดออกจากสารตั้งต้น เช่น ไฮโดรเจน ออกซิเจน และไนโตรเจนในรูปของก๊าซและน้ำมันดิน กระบวนการนี้ทำให้เกิดถ่านที่มีปริมาณคาร์บอนสูงแต่มีพื้นที่ผิวและความพรุนต่ำ อย่างไรก็ตาม ขั้นตอนที่สองเกี่ยวข้องกับการเปิดใช้งานถ่านที่สังเคราะห์ไว้ก่อนหน้านี้ การเพิ่มขนาดรูพรุนในระหว่างกระบวนการกระตุ้นสามารถแบ่งได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ การเปิดรูขุมขนที่ก่อนหน้านี้ไม่สามารถเข้าถึงได้ การพัฒนารูขุมขนใหม่โดยการกระตุ้นแบบเลือกสรร และการขยายรูขุมขนที่มีอยู่
โดยปกติแล้วจะใช้วิธีการสองวิธี ได้แก่ กายภาพและเคมีในการกระตุ้นเพื่อให้ได้พื้นที่ผิวและความพรุนที่ต้องการ การกระตุ้นทางกายภาพเกี่ยวข้องกับการกระตุ้นถ่านคาร์บอนโดยใช้ก๊าซออกซิไดซ์ เช่น อากาศ คาร์บอนไดออกไซด์ และไอน้ำที่อุณหภูมิสูง (ระหว่าง 650 ถึง 900°C) โดยปกติแล้วคาร์บอนไดออกไซด์มักเป็นที่นิยมเนื่องจากมีลักษณะที่บริสุทธิ์ ง่ายต่อการจัดการ และกระบวนการกระตุ้นที่ควบคุมได้ที่อุณหภูมิประมาณ 800°C ความสม่ำเสมอของรูพรุนสูงสามารถเกิดขึ้นได้ด้วยการกระตุ้นคาร์บอนไดออกไซด์เมื่อเปรียบเทียบกับไอน้ำ อย่างไรก็ตาม สำหรับการกระตุ้นทางกายภาพ ไอน้ำเป็นที่ต้องการมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับคาร์บอนไดออกไซด์ เนื่องจากสามารถผลิต AC ที่มีพื้นที่ผิวค่อนข้างสูงได้ เนื่องจากน้ำมีขนาดเล็กลง การแพร่กระจายภายในโครงสร้างของถ่านจึงเกิดขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ การกระตุ้นด้วยไอน้ำพบว่าสูงกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณสองถึงสามเท่าโดยมีระดับการแปลงเท่ากัน
อย่างไรก็ตาม วิธีการทางเคมีเกี่ยวข้องกับการผสมสารตั้งต้นกับสารกระตุ้น (NaOH, KOH และ FeCl3 เป็นต้น) สารกระตุ้นเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นตัวออกซิแดนท์เช่นเดียวกับสารที่ทำให้ขาดน้ำ ในแนวทางนี้ การทำให้เป็นคาร์บอนและการกระตุ้นจะดำเนินการพร้อมกันที่อุณหภูมิต่ำกว่า 300-500°C เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการทางกายภาพ ส่งผลให้เกิดการสลายตัวแบบไพโรไลติก และส่งผลให้เกิดการขยายตัวของโครงสร้างรูพรุนที่ดีขึ้นและให้ผลผลิตคาร์บอนสูง ประโยชน์หลักของสารเคมีเหนือวิธีการทางกายภาพคือความต้องการอุณหภูมิต่ำ โครงสร้างที่มีรูพรุนขนาดเล็กสูง พื้นที่ผิวขนาดใหญ่ และลดเวลาในการทำปฏิกิริยาให้เสร็จสิ้น
ความเหนือกว่าของวิธีการกระตุ้นทางเคมีสามารถอธิบายได้โดยใช้แบบจำลองที่คิมและเพื่อนร่วมงานเสนอ [1] ตามไมโครโดเมนทรงกลมต่างๆ ที่รับผิดชอบในการก่อตัวของไมโครพอร์ที่พบใน AC ในทางกลับกัน mesopores ได้รับการพัฒนาในภูมิภาคระหว่างไมโครโดเมน จากการทดลอง พวกมันสร้างถ่านกัมมันต์จากเรซินที่มีฟีนอลเป็นองค์ประกอบหลักด้วยการกระตุ้นทางเคมี (โดยใช้ KOH) และการกระตุ้นทางกายภาพ (โดยใช้ไอน้ำ) (รูปที่ 1) ผลการศึกษาพบว่า AC สังเคราะห์โดยการกระตุ้น KOH มีพื้นที่ผิวสูงที่ 2878 m2/g เมื่อเปรียบเทียบกับ 2213 m2/g โดยการกระตุ้นด้วยไอน้ำ นอกจากนี้ ปัจจัยอื่นๆ เช่น ขนาดรูพรุน พื้นที่ผิว ปริมาตรไมโครรูพรุน และความกว้างรูพรุนโดยเฉลี่ย ล้วนพบว่าดีกว่าในสภาวะที่กระตุ้นด้วย KOH เมื่อเปรียบเทียบกับการกระตุ้นด้วยไอน้ำ

ความแตกต่างระหว่าง AC ที่เตรียมจากการกระตุ้นด้วยไอน้ำ (C6S9) และการเปิดใช้งาน KOH (C6K9) ตามลำดับ อธิบายไว้ในแง่ของแบบจำลองโครงสร้างจุลภาค

ขึ้นอยู่กับขนาดอนุภาคและวิธีการเตรียม สามารถแบ่งได้เป็นสามประเภท: AC แบบใช้ไฟฟ้า, AC แบบเม็ด และ AC แบบเม็ดบีด ไฟฟ้ากระแสสลับเกิดจากเม็ดละเอียดขนาด 1 มม. โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 0.15-0.25 มม. AC แบบเม็ดมีขนาดค่อนข้างใหญ่กว่าและพื้นที่ผิวภายนอกน้อยกว่า AC แบบเม็ดใช้สำหรับการใช้งานในเฟสของเหลวและเฟสก๊าซต่างๆ ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนขนาด ชั้นที่สาม: ลูกปัด AC โดยทั่วไปจะสังเคราะห์จากสนามปิโตรเลียมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 0.35 ถึง 0.8 มม. มีชื่อเสียงในด้านความแข็งแรงเชิงกลสูงและมีปริมาณฝุ่นต่ำ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานฟลูอิไดซ์เบด เช่น การกรองน้ำ เนื่องจากมีโครงสร้างเป็นทรงกลม