การแนะนำการใช้คาร์บอนกัมมันต์

คาร์บอนกัมมันต์ (AC) หมายถึงวัสดุที่มีคาร์บอนสูงซึ่งมีรูพรุนและความสามารถในการดูดซับสูงที่ผลิตจากไม้ กะลามะพร้าว ถ่านหิน และกรวย เป็นต้น AC เป็นสารดูดซับที่ใช้บ่อยชนิดหนึ่งในอุตสาหกรรมต่างๆ เพื่อกำจัดสารมลพิษจำนวนมากออกจากแหล่งน้ำและอากาศ เนื่องจาก AC สังเคราะห์จากผลิตภัณฑ์ทางการเกษตรและของเสีย จึงพิสูจน์แล้วว่าเป็นทางเลือกที่ดีเยี่ยมแทนแหล่งที่ไม่หมุนเวียนและมีราคาแพงแบบเดิมที่ใช้กันทั่วไป ในการเตรียม AC จะใช้กระบวนการพื้นฐานสองอย่าง คือ การคาร์บอไนเซชันและการกระตุ้น ในกระบวนการแรก สารตั้งต้นจะถูกทำให้ร้อนระหว่าง 400 ถึง 850°C เพื่อขับไล่ส่วนประกอบระเหยทั้งหมดออกไป อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะกำจัดส่วนประกอบที่ไม่ใช่คาร์บอนทั้งหมดออกจากสารตั้งต้น เช่น ไฮโดรเจน ออกซิเจน และไนโตรเจน ในรูปแบบของก๊าซและทาร์ กระบวนการนี้ผลิตถ่านที่มีปริมาณคาร์บอนสูงแต่มีพื้นที่ผิวและรูพรุนต่ำ อย่างไรก็ตาม ขั้นตอนที่สองเกี่ยวข้องกับการกระตุ้นถ่านที่สังเคราะห์ไว้ก่อนหน้านี้ การเพิ่มขนาดรูพรุนในระหว่างกระบวนการกระตุ้นสามารถแบ่งออกเป็น 3 ประเภท ได้แก่ การเปิดรูพรุนที่ไม่สามารถเข้าถึงได้มาก่อน การพัฒนารูพรุนใหม่โดยการกระตุ้นแบบเลือก และการขยายรูพรุนที่มีอยู่
โดยทั่วไป จะใช้สองวิธี คือ ทางกายภาพและทางเคมี ในการกระตุ้นเพื่อให้ได้พื้นที่ผิวและความพรุนที่ต้องการ การกระตุ้นทางกายภาพเกี่ยวข้องกับการกระตุ้นถ่านที่ถูกเผาด้วยก๊าซออกซิไดซ์ เช่น อากาศ คาร์บอนไดออกไซด์ และไอน้ำที่อุณหภูมิสูง (ระหว่าง 650 ถึง 900°C) คาร์บอนไดออกไซด์มักได้รับความนิยมเนื่องจากมีลักษณะบริสุทธิ์ ง่ายต่อการจัดการ และกระบวนการกระตุ้นที่ควบคุมได้ที่อุณหภูมิประมาณ 800°C การกระตุ้นคาร์บอนไดออกไซด์สามารถทำให้มีรูพรุนที่สม่ำเสมอได้เมื่อเปรียบเทียบกับไอน้ำ อย่างไรก็ตาม สำหรับการกระตุ้นทางกายภาพ ไอน้ำได้รับความนิยมมากกว่าคาร์บอนไดออกไซด์มาก เนื่องจากสามารถผลิต AC ที่มีพื้นที่ผิวค่อนข้างมากได้ เนื่องจากโมเลกุลของน้ำมีขนาดเล็กกว่า จึงทำให้การแพร่กระจายภายในโครงสร้างของถ่านเกิดขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ พบว่าการกระตุ้นด้วยไอน้ำจะสูงกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณสองถึงสามเท่าด้วยระดับการแปลงที่เท่ากัน
อย่างไรก็ตาม แนวทางทางเคมีเกี่ยวข้องกับการผสมสารตั้งต้นกับสารกระตุ้น (NaOH, KOH และ FeCl3 เป็นต้น) สารกระตุ้นเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นทั้งตัวออกซิไดเซอร์และตัวขจัดน้ำ ในแนวทางนี้ คาร์บอนไนเซชันและการกระตุ้นจะดำเนินการพร้อมกันที่อุณหภูมิต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับแนวทางทางกายภาพ คือ 300-500°C ส่งผลให้การสลายตัวด้วยความร้อนเพิ่มขึ้น และส่งผลให้โครงสร้างที่มีรูพรุนดีขึ้นและผลผลิตคาร์บอนสูง ประโยชน์หลักของแนวทางทางเคมีเมื่อเทียบกับแนวทางทางกายภาพคือ ความต้องการอุณหภูมิต่ำ โครงสร้างที่มีรูพรุนขนาดเล็กสูง พื้นที่ผิวขนาดใหญ่ และเวลาในการทำปฏิกิริยาเสร็จสิ้นที่ลดลง
ความเหนือกว่าของวิธีการกระตุ้นด้วยเคมีสามารถอธิบายได้จากแบบจำลองที่เสนอโดยคิมและเพื่อนร่วมงานของเขา [1] ซึ่งพบว่าไมโครโดเมนทรงกลมต่างๆ ที่รับผิดชอบต่อการก่อตัวของไมโครพอร์นั้นพบได้ใน AC ในทางกลับกัน ไมโครพอร์นั้นพัฒนาขึ้นในบริเวณอินเตอร์ไมโครโดเมน จากการทดลอง ไมโครพอร์นั้นสร้างคาร์บอนที่ถูกกระตุ้นจากเรซินที่มีฐานเป็นฟีนอลโดยการกระตุ้นทางเคมี (โดยใช้ KOH) และการกระตุ้นทางกายภาพ (โดยใช้ไอน้ำ) (รูปที่ 1) ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า AC ที่สังเคราะห์โดยการกระตุ้นด้วย KOH มีพื้นที่ผิวสูงถึง 2,878 ตร.ม./ก. เมื่อเทียบกับ 2,213 ตร.ม./ก. โดยการกระตุ้นด้วยไอน้ำ นอกจากนี้ ยังพบว่าปัจจัยอื่นๆ เช่น ขนาดรูพรุน พื้นที่ผิว ปริมาตรไมโครพอร์ และความกว้างของรูพรุนโดยเฉลี่ยนั้นดีกว่าในสภาวะที่กระตุ้นด้วย KOH เมื่อเทียบกับการกระตุ้นด้วยไอน้ำ

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

ขึ้นอยู่กับขนาดอนุภาคและวิธีการเตรียม สามารถแบ่งได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ AC แบบมีกำลัง AC แบบเม็ด และ AC แบบเม็ด AC แบบมีกำลังนั้นทำจากเม็ดละเอียดที่มีขนาด 1 มม. โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 0.15-0.25 มม. AC แบบเม็ดมีขนาดใหญ่กว่าเมื่อเปรียบเทียบกันและพื้นที่ผิวภายนอกน้อยกว่า AC แบบเม็ดใช้สำหรับเฟสของเหลวและเฟสก๊าซต่างๆ ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนมิติของ AC ประเภทที่สาม: AC แบบเม็ดโดยทั่วไปสังเคราะห์จากน้ำมันดินที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 0.35 ถึง 0.8 มม. AC แบบเม็ดเป็นที่รู้จักในเรื่องความแข็งแรงเชิงกลสูงและปริมาณฝุ่นต่ำ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในแอพพลิเคชั่นฟลูอิไดซ์เบด เช่น การกรองน้ำ เนื่องจากมีโครงสร้างทรงกลม