การแนะนำถ่านกัมมันต์

ถ่านกัมมันต์ (Activated carbon หรือ AC) หมายถึงวัสดุที่มีคาร์บอนสูง มีรูพรุนสูง และมีความสามารถในการดูดซับสูง ผลิตจากไม้ กะลามะพร้าว ถ่านหิน และกรวยสน เป็นต้น AC เป็นสารดูดซับที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ เพื่อกำจัดมลพิษจำนวนมากออกจากน้ำและอากาศ เนื่องจาก AC สังเคราะห์จากผลิตภัณฑ์ทางการเกษตรและของเสีย จึงพิสูจน์แล้วว่าเป็นทางเลือกที่ดีเยี่ยมแทนแหล่งพลังงานที่ไม่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้และมีราคาแพงซึ่งใช้กันมาแต่เดิม สำหรับการเตรียม AC นั้น มีกระบวนการพื้นฐานสองกระบวนการ คือ การเผาไหม้และการกระตุ้น ในกระบวนการแรก สารตั้งต้นจะถูกทำให้ร้อนที่อุณหภูมิสูงระหว่าง 400 ถึง 850 องศาเซลเซียส เพื่อขับไล่ส่วนประกอบที่ระเหยได้ทั้งหมดออกไป อุณหภูมิสูงจะกำจัดส่วนประกอบที่ไม่ใช่คาร์บอนทั้งหมดออกจากสารตั้งต้น เช่น ไฮโดรเจน ออกซิเจน และไนโตรเจนในรูปของก๊าซและน้ำมันดิน กระบวนการนี้จะผลิตถ่านที่มีปริมาณคาร์บอนสูง แต่มีพื้นที่ผิวและรูพรุนต่ำ อย่างไรก็ตาม ขั้นตอนที่สองเกี่ยวข้องกับการกระตุ้นถ่านที่สังเคราะห์ไว้ก่อนหน้านี้ การเพิ่มขนาดรูพรุนในระหว่างกระบวนการกระตุ้นสามารถแบ่งออกได้เป็นสามประเภท ได้แก่ การเปิดรูพรุนที่ไม่สามารถเข้าถึงได้ก่อนหน้านี้ การพัฒนารูพรุนใหม่โดยการกระตุ้นแบบเลือก และการขยายรูพรุนที่มีอยู่เดิม
โดยทั่วไปแล้ว การกระตุ้นเพื่อให้ได้พื้นที่ผิวและความพรุนที่ต้องการนั้นมีสองวิธีหลัก คือ วิธีทางกายภาพและวิธีทางเคมี การกระตุ้นทางกายภาพเกี่ยวข้องกับการกระตุ้นถ่านที่ผ่านการคาร์บอนไนซ์โดยใช้ก๊าซออกซิไดซ์ เช่น อากาศ คาร์บอนไดออกไซด์ และไอน้ำ ที่อุณหภูมิสูง (ระหว่าง 650 ถึง 900°C) โดยปกติแล้วจะนิยมใช้คาร์บอนไดออกไซด์เนื่องจากมีความบริสุทธิ์สูง ใช้งานง่าย และกระบวนการกระตุ้นที่ควบคุมได้ที่อุณหภูมิประมาณ 800°C การกระตุ้นด้วยคาร์บอนไดออกไซด์สามารถทำให้ได้ความพรุนที่สม่ำเสมอสูงกว่าเมื่อเทียบกับการกระตุ้นด้วยไอน้ำ อย่างไรก็ตาม สำหรับการกระตุ้นทางกายภาพ ไอน้ำเป็นที่นิยมมากกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ เนื่องจากสามารถผลิตถ่านกัมมันต์ที่มีพื้นที่ผิวค่อนข้างสูงได้ เนื่องจากโมเลกุลของน้ำมีขนาดเล็กกว่า การแพร่กระจายของน้ำเข้าไปในโครงสร้างของถ่านจึงเกิดขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ การกระตุ้นด้วยไอน้ำพบว่ามีประสิทธิภาพสูงกว่าการกระตุ้นด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณสองถึงสามเท่าที่ระดับการแปลงสภาพเดียวกัน
อย่างไรก็ตาม วิธีการทางเคมีเกี่ยวข้องกับการผสมสารตั้งต้นกับสารกระตุ้น (เช่น NaOH, KOH และ FeCl3 เป็นต้น) สารกระตุ้นเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นทั้งสารออกซิไดซ์และสารดูดความชื้น ในวิธีการนี้ การเกิดคาร์บอนและการกระตุ้นจะเกิดขึ้นพร้อมกันที่อุณหภูมิต่ำกว่า คือ 300-500°C เมื่อเทียบกับวิธีการทางกายภาพ ส่งผลให้เกิดการสลายตัวด้วยความร้อน และนำไปสู่การขยายตัวของโครงสร้างรูพรุนที่ดีขึ้นและผลผลิตคาร์บอนสูง ข้อดีหลักของวิธีการทางเคมีเหนือวิธีการทางกายภาพคือ ความต้องการอุณหภูมิต่ำ โครงสร้างที่มีรูพรุนขนาดเล็กสูง พื้นที่ผิวขนาดใหญ่ และเวลาในการทำปฏิกิริยาที่สั้นลง
ความเหนือกว่าของวิธีการกระตุ้นทางเคมีสามารถอธิบายได้บนพื้นฐานของแบบจำลองที่เสนอโดย Kim และเพื่อนร่วมงาน [1] ซึ่งระบุว่าไมโครโดเมนทรงกลมต่างๆ ที่รับผิดชอบในการก่อตัวของไมโครพอรนั้นพบได้ใน AC ในทางกลับกัน เมโซพอรจะพัฒนาขึ้นในบริเวณระหว่างไมโครโดเมน ในทางทดลอง พวกเขาสร้างถ่านกัมมันต์จากเรซินฟีนอลโดยการกระตุ้นทางเคมี (โดยใช้ KOH) และทางกายภาพ (โดยใช้ไอน้ำ) (รูปที่ 1) ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่า AC ที่สังเคราะห์โดยการกระตุ้นด้วย KOH มีพื้นที่ผิวสูงถึง 2878 m2/g เมื่อเทียบกับ 2213 m2/g โดยการกระตุ้นด้วยไอน้ำ นอกจากนี้ ปัจจัยอื่นๆ เช่น ขนาดรูพรุน พื้นที่ผิว ปริมาตรไมโครพอร และความกว้างรูพรุนเฉลี่ย ล้วนพบว่าดีกว่าในสภาวะที่กระตุ้นด้วย KOH เมื่อเทียบกับการกระตุ้นด้วยไอน้ำ

ความแตกต่างระหว่างถ่านกัมมันต์ที่เตรียมจากกระบวนการกระตุ้นด้วยไอน้ำ (C6S9) และกระบวนการกระตุ้นด้วย KOH (C6K9) อธิบายได้ในแง่ของแบบจำลองโครงสร้างจุลภาค

ขึ้นอยู่กับขนาดอนุภาคและวิธีการเตรียม ถ่านกัมมันต์สามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ ถ่านกัมมันต์แบบผง ถ่านกัมมันต์แบบเม็ด และถ่านกัมมันต์แบบลูกปัด ถ่านกัมมันต์แบบผงทำจากเม็ดละเอียดขนาด 1 มม. โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยอยู่ในช่วง 0.15-0.25 มม. ถ่านกัมมันต์แบบเม็ดมีขนาดใหญ่กว่าและมีพื้นที่ผิวภายนอกน้อยกว่า ถ่านกัมมันต์แบบเม็ดใช้ในงานต่างๆ ทั้งในเฟสของเหลวและเฟสของก๊าซ ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนขนาดของมัน ประเภทที่สามคือ ถ่านกัมมันต์แบบลูกปัด โดยทั่วไปสังเคราะห์จากน้ำมันดินปิโตรเลียม มีเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 0.35 ถึง 0.8 มม. เป็นที่รู้จักกันดีในด้านความแข็งแรงเชิงกลสูงและมีปริมาณฝุ่นต่ำ มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในงานเตาเผาแบบฟลูอิไดซ์เบด เช่น การกรองน้ำ เนื่องจากมีโครงสร้างทรงกลม