بهينه سازي توليد کربن فعال به روش فعالسازي شيميايي

صادق مرادي محمد تقيزاده عزتxadا... جودکی عبدالرضا مقدّسي

گروه مهندسي شيمي، دانشکدهxadی فنی و مهندسی دانشگاه اراک

چکيده

براي توليد کربن فعال مواد اوليهxadی گوناگوني مورد استفاده ميxadگيرند در اين تحقيق از پوست گردو،خاک اره حاصل از چوبهاي افرا و چنار که مواد کم قيمت و در دسترس هستند،به عنوان مواد اوليه ليگنوسلولوزيک استفاده شد با اعمال فعالxadسازي شيميايي(با اسيد فسفريک) بر اين مواد، کربن فعال توليد شد و سپس خواص جذبي هر يکاز محصولات مورد بررسي قرار گرفت. بدين ترتيب نمونههايي با سطح ويژه بيشاز m 2/gr 1350 و ميزان جذب يد mg/gr 1150 توليد شد. علاوه بر اين اثر هريک از متغييرهاي فرايند نظير نوع ماده اوليه، نسبت آغشتگي، غلظت عامل فعالساز شيميايي دماي تصفيه پايين، زمان اقامت در دماي پايين، دماي فعال سازيو زمان اختلاط بر خواص جذبي و بازده توليد کربن مورد بررسي قرار گرفت و براساس نتايج حاصل شرايط عملياتي بهينه توليد تعيين گرديد. همچنين باتوجه بهنتايج مشخص شد که پوست گردو و خاک اره مواد ارزان قيمت با خواص فيزيکيمناسب براي توليدکربن فعال ميxadباشند.

واژهxadهای کليدی : کربن فعال، فعال سازي شيميايي، سطح ويژه، عدد يد.

مقدمه

باتوجه به نياز فراوان صنايع مختلف نظير نفت وگاز، قندوگلوکز، نشاسته، نوشابه، تصفيه آب و روغن کشي به کربن فعال و عدم توليداين ماده با کيفيت مطلوب در داخل کشور، لزوم توليد کربن فعال با کيفيتبالا و قيمت مناسب ضروری است. فرايندهايي که جهت تبديل ماده اوليه به يکمحصول کربنيزه شده با ميزان خلل و فرج پايين (دراثر حرارت دهي) و يا کربنفعال با ميزان خلل و فرج بالا (در اثر حرارت دهي با اسيد فسفريک) وجوددارند، بر اساس واکنش و بر هم کنش بين بيوپليمرهاي مختلف ميxadباشند. اينبيوپلمرها عموماً سلولز و ليگنين ميxadباشند. اثر فعال سازي با اسيد فسفريکمربوط به کاهش قابل توجه دماي اين واکنشها است. باتوجه به اينکهاسيدفسفريک يک عامل قوي دهيدراسيون است لذا حضور آن ميxadتواند باعث گسستهشدن و سپس انجام واکنشهاي حلقوي شدن با مکانيسم يوني شود.

صادق مرادي محمد تقيزاده عزتxadا... جودکی عبدالرضا مقدّسي

گروه مهندسي شيمي، دانشکدهxadی فنی و مهندسی دانشگاه اراک

چکيده

واژهxadهای کليدی : کربن فعال، فعال سازي شيميايي، سطح ويژه، عدد يد.

مقدمه

تجربی

مواد اوليه

پوست گردوي مورد استفاده براي توليد کربن فعال از باغxadهايشهر ساوه تهيه شد. اين ماده ابتدا خشک و سپس به ترتيب در آسياب گلولهxadاي ونوساني خرد و سپس دانهxadبندي شد. چوبهاي چنار وافرا نيز از الوارشان تهيهشد. اين چوبxadها ابتدا خشک شدند و سپس توسط آسياب گلولهxadاي خرد و پس از آندانهxadبندي شدند. آناليز مواد اوليه مورد استفاده براي توليد کربن فعالدرجدول (1) ارائه شده است.

جدول (1) - آناليز مواد اوليه مورد استفاده براي توليد کربن فعال

ماده اوليه	سلولز (%)	همي سلولز(%)	ليگنين (%)	مواد قابل استخراج(%)	خاکستر(%)	رطوبت(%)
پوست گرد و چوب افرا و چنار	9/36	179	8/24	8/8	6/2	9
	45	22	23	5/1	1/5	7
	8/42	20	6/26	5/4	1/1	5

فعال سازي با اسيد فسفريک

براي توليد کربن فعال از ذرات پوست گردو و چوبهاي چناروافرا با اندازه 100 - 45 استفاده شد. طي آزمايشxadهاي مختلف، مواد اوليه بانسبت آغشتگي 9/0-0 بااسيد فسفريک صنعتي با غلظتxadهاي30، 50 ،80 درصد وزنيدر دماي محيط به مدت 90ـ15 دقيقه بهم زده شدند تا اسيد امکان نفوذ به درونساختار اوليه را پيدا کند. پس از آن مقدار 200-100 گرم نمونه درداخل کورهبه حجم 3 m 03/0 قرار داده شد و گاز نيتروژن بافشار يک اتمسفر ودبي حجمي m3/hr 01/0 از داخل کوره عبور داده شد .

به منظور کربنيزه شدن وتخريب ساختار مولکولي نمونه تا دمايتصفيه پايين در محدوده C 0 250-150، ماده اوليه حرارت داده شد و به مدت4-2/1 ساعت دراين دما نگهداري گرديد. پس ا زآن دما افزايش داده شد تا بهدماي فعال سازي مورد نظر رسيد اين دما در محدوده C 0 750-350 ميxadباشد.نمونه به مدت hr 3 در اين دما نگهداري شد و پس از آن تا دماي محيط خنکگرديد. پس از فعال سازي با اسيد، محصول جامد چندين بار توسط آب مقطر درحالجوش مورد شستشو قرار گرفت تا محلول حاصل از فيلتراسيون تقريبا خنثي شود(5/5< PH ). همچنين مقدار کمي از آب شستشو (تقريبا Ml 50) با محلول M1/0 نيترات سرب { Pb(NO 3)xad 2 } به منظور بررسي وجود ترکيبات باقيمانده وپيوندهاي آزاد و يا در حال گسسته شدن فسفات مورد آناليز قرارگرفت. ازآنجاکه هنگام کاربرد، درصورت وجود فسفات در کربن فعال، اين ماده با فلزاتموجود در محلول واکنش ميxadدهد و فسفاتهاي نامحلول توليد ميxadکند، حذف آنبسيار مهم است درهنگام آزمايش نيز اگر رسوب فسفات سرب { Pb 3(POxad 4) 2 }سفيد رنگ ظاهر ميxadشد، نمونه به مدت بيشتري مورد شستشو قرار ميxadگرفت تازمانيxadکه ديگر رسوبي مشاهده نميxadگرديد. پس از شستشو نمونه دريک آون دردمايC 0 110 به مدت 3 ساعت خشک شد و سپس بازده توليد محاسبه گرديد.

آزمايشهاي کنترل کيفي

ميزان جذب يد کليه نمونههاي سنتز شده از يک محلول استاندارديد مطابق روش ASTM D4607 اندازهxadگيري شد. بنا به تعريف ميزان جذب يد(برحسب ميلي گرم) از محلول استاندارد به ازاي هر گرم کربن فعال در شرايطيکه غلظت محلول يد باقيxadمانده N 2/0 باشد، را عدد يد ميxadنامند. سطح ويژهتعدادي از نمونهها نيز به روش جذب BET يعني سطحي تک لايه اتمهاي نيتروژندر دماي نيتروژن مايع ( C 0 196-) به دست آمد.

با افزايش نسبت آغشتگي عدد يد نمونههاي توليدي افزايش يافتهو به يک حداکثر رسيده و پس از آن افزايش نسبت آغشتگي تاثيري بر خواص جذبينمونههاي توليد شده نخواهد داشت. از لحاظ تئوري و با در نظر گرفتنملاحظات اقتصادي فرايند و شرايط عملياتي، حداقل نسبت آغشتگي که در آن عدديد نمونههاي توليد شده به حداکثر ميxadرسد، مناسب ترين نسبت آغشتگيميxadباشد. اين حداقل نسبت آغشتگي در مورد چوب افرا، پوست گردو و چوب چناربه ترتيب 45/0، 71/0 و 48/0 به دست آمد.

در هنگام استفاده از اسيد 30/0 و 50/0 حداقل نسبت آغشتگيبراي رسيدن به حداکثر خاصيت جذبي، درشرايط عملياتي معين تقريبا يکسان استو در هنگام استفاده از اسيد 80/0 اين نسبت کمي بيشتر میxadباشد. بالاتر بودننسبت آغشتگي در اين حالت به علت اختلاط يکنواخت ماده اوليه واسيد است کهدر نتيجه نياز به مقادير بيشتر اسيد نيست.

تغييرات عدد يد با دماي تصفيه پايين به صورت يک منحني درجهدوم با يک ماکزيمم بوده و اين ماکزيمم همان دماي بهينه عمليات دما پاييناست. دراين دما واکنشهاي تجزيه و دهيدراسيون صورت ميxadپذيرند. براي هر سهماده اوليه اين دما خيلي نزديک به 0 C 200 است.اگر دماي تصفيه پايين،ازمقدار معيني بيشتر باشد باعث تشکيل قطران ميxadشود که منجر به انسداد خللو فرج ميxadگردد به نحويکه در حين فعال سازي نيز ميxadتوان آنxadها را از کربنفعال جدا کرد. اگر زمان اقامت ماده اوليه در دماي پايين، کمتر ازمقدارمعيني باشد با توجه به سينتيک واکنشهاي درحال انجام، تعدادي از آنهانميxadتوانندبه مراحل انتهايي خود برسند در نتيجه واکنشگر بطور کامل بهمحصولات تبديل نميxadشود وهمين عامل مانع از تخريب ساختار مولکولي مادهاوليه و کربنيزه شدن کامل آن ميxadشود که در نهايت بر روي خواص جذبي کربنفعال توليد شده اثرميxadگذارد.

همxadچنين اگر زمان فوق الذکر بسيار طولاني باشد نه تنهاواکنشهاي تخريبي بطور کامل صورت ميxadپذيرند، بلکه احتمال وقوع واکنشهايجانبي نيز مطرح بوده که ميxadتواند بر روي ساختار خلل و فرج ماده اوليهتاثير بگذارد. درفعال سازي به روش شيميايي با اسيد فسفريک يک انبساطدرساختار چوب درمحدوده دمايي C 0 450-250 به وقوع ميxadپيوندد که مستقيماًبه ايجاد وتوسعه خلل و فرج در دماهاي فعال سازي بالاتر مربوط است يکانقباض ابعادي ثانويه به موازات کاهش ميزان خلل و فرج در ساختار چوب پديدميxadآيد. به دلايل فوق باافزايش دماي فعال سازي خاصيت جذبي کردن فعالافزايش يافته تا به مقدار ماکزيمم ميxadرسد. پس از آن با افزايش دما خاصيتجذبي کربن فعال کاهش پيدا ميxadکند. دماي فعال سازي بهينه براي چوبهايچنار، افرا و پوست گردو به ترتيب C 0 400 ، C 0 420، C 0 450 است.

بازده به صورت نسبت وزني کربن فعال توليد شده به وزن مادهاوليه تعريف ميxadشود. با افزايش دما، بازده تقريبا به صورت خطي کاهشميxadيابد. در دماي فعال سازي بهينه براي سه ماده اوليه، بازده درحدود 40 تا45 درصد است. نمونههاي فعال شده با اسيد فسفريک در مقايسه با نمونههايتوليد شده به روشهاي ديگر از بازده بالاتري برخوردار بوده که اين به علتگسسته شدن پيوندها دربيوپليمرها دردماهاي پايين توسط اسيد فسفريک است.سپس اين واکنشها بوسيله حلقوي شدن گسترده کامل ميxadشوند که همين عاملميxadتواند باعث بازدههاي بالاي کربن به علت پيوند مواد متفرقه فرار بهمحصول کربن دار گردد. نتايج حاصل از ساير تحقيقات نشان ميxadدهد که افزايشبازده ناشي از باقي ماندن اوليه سلولز و هميxadسلولز در ساختار چوب است، اگرچه ساير بيوپليمرها مانند ليگنين نيز بطور مشابه ميxadتوانند، درساختار خللو فرج شرکت کنند.

آناليزهاي عنصري نشان ميxadدهد که بين 2/0 تا 9/0 درصد وزنيفسفر، پس از فعالسازي وعمليات گسترده ليچينگ در محصول باقي مي ماند. فسفرباقيمانده بطور فيزيکي پيوند برقرار ميxadکند و يا به طريقه شيمياييدرساختار کربن وارد ميxadشود. زمان فعال سازي يکي از پارامترهاي فرايندبوده که تاثير قابل ملاحظهxadاي بر خواص جذبي نمونههاي توليد شده دارد.قرار گرفتن نمونه کربنيزه شده به مدت طولاني در دماي فعال سازي باعثانسداد مسيرهاي ورودي به خلل و فرج شده و منجر به کوچکتر شدن ابعاد خلل وفرج میxadشود لذا حجم خلل و فرج به ازاي واحد جرم کربن فعال کاهش ميxadيابد.

در مورد پوست گردو، با افزايش زمان فعال سازي عدد يد افزايشيافته و به يک ماکزيمم میxadرسد، سپس کاهش پيدا کرده و تقريباً ثابت ميxadشود.اما در مورد چوب افرا و چنار دو مورد ماکزيمم مشاهده میxadشود که ماکزيممبزرگتر را بايد به عنوان زمان فرايند درنظر گرفت. زمان فعال سازي بهينهبراي پوست گردو در70 دقيقه و براي چوبهاي چنار و افرا نيز دو ساعت است.

باکاهش ابعاد مواد اوليه زمان لازم براي نفوذ عامل فعال سازکمتر شده و در نتيجه زمان لازم براي اختلاط نيز کاهش ميxadيابد. زمان اختلاطمناسب زماني است که پس از آن مخلوطي يکواخت حاصل گردد بطوريکه آغشته سازيماده شيميايي درماده اوليه کافي باشد. با افزايش زمان اختلاط خواص جذبينمونههاي توليد شده بهبود يافته و پس از رسيدن به يک ماکزيمم پس از آنافزايش زمان اختلاط تاثيري برخواص جذبي کربن فعال توليد شده ندارد.

نتيجهxadگيري

نتايج حاصل از انجام اين پژوهش به طور خلاصه عبارتست از:

1ـ پوست گردو و چوبهاي چنار و افرا مواد اوليه ارزان قيمت، در دسترس و بسيار مناسب براي توليد کربن فعال گرانول و پودري هستند.

2ـ کربن فعال حاصل از مواد فوق داراي کيفيت بسيار بالاييبوده و از خواص جذبي مناسبي نيز برخوردارند به طوريxadکه امکان توليد کربنفعال با سطح ويژه بيش از m 2g/r 1350 و عدد يد 1150 امکانxadپذير است.

3ـ اسيد فسفريک 50 درصد وزني مناسبxadترين عامل فعال سازي شيميايي است.

4ـ نسبت آغشتگي، دماي فعال سازي و زمان فعال سازي نسبت بهساير متغيرها از اهميت بيشتري برخوردار بوده و بر روي خواص نمونههايتوليد شده به شدت تاثير گذار است.

5ـ دراين روش بازده توليد کربن فعال در حدود 40 تا 45 درصد تغيير ميxadکند و با دماي فعال سازي و زمان فعال سازي نسبت عکس دارد.

مراجع

M.S Solum ,R .J Pugmire M.Jagtoyen F Derbyshire, Carbon, Vol 33. 1247-1254, 1995.
John J.Mcketta , Inorganic Chemicals Handbook ,Marcel Dekker, New York , USA, 1993.
ASTM Standard for Activated Carbon , ASTM D4607, 1990.
ASTM Standard forf Activated carbon ASTM D819, 1977.
M.Jagtoyen and F.J. Deebyshire , Carbon , Vol31,1185-1191,1414,1997.
C.A.Toles ,W, E Marshall ,M.M. Johns , Carbon Vol35,1407,1414,1997.
C.E Byme and D.C Nagle Carbon Vol35, 259-266,1997.
W.T.Tsai C.Y.Chang , S.Lee ,Vol35, 1198-1200,1997

برچسب: نویسنده: امیرحسین ستوده بیدختی تاريخ: پنجشنبه 11 13 ساعت: 7:35

درباره سایت

آخرین مطالب

امکانات وب

بهينه سازي توليد کربن فعال به روش فعالسازي شيميايي

صفحه بندی

آرشیو مطالب

پيوندهای روزانه

لینک دوستان

خبرنامه