آزمایش شماره 13 : از مواد طبیعی کربن فعال بساز!

نانو حفره­ها که تا قطر حدود 50 نانومتر را دارا می­باشند و حدود 95٪ از کل سطح کربن فعال را تشکیل می­دهند. مزوحفره­ها با قطر بین 50 تا 100 نانومتر و ماکرو حفره­ها با قطر بیشتر از 100 نانومتر.
 

۱. هدف : سنتز کربن فعال

۲. تئوری آزمایش :

کربن فعال ماده ای متخلخل است. ماده متخلخل به موادی گفته می شود که متشکل از منافذ و حفرات است. منافذ موجود در کربن­های فعال به سه گروه تقسیم می­شوند. نانو حفره­ها که تا قطر حدود 50 نانومتر را دارا می­باشند و حدود 95٪ از کل سطح کربن فعال را تشکیل می­دهند. مزوحفره­ها با قطر بین 50 تا 100 نانومتر و ماکرو حفره­ها با قطر بیشتر از 100 نانومتر.

شکل۱: کربن فعال

ساختار متخلخل این ماده آن را به یکی از جاذب ها تبدیل کرده است. شبکه ای حفره ای در ساختار شبکه ای کربن فعال با مکانیزمی مانند جذب سطحی امکان از بین بردن ناخالصی ها را از مواد گازی و مایع دارد. این ماده به عنوان از بین برنده رنگ، بو و طعم، بهسازی رنگ و طعم در نوشیدنی ها و آب میوه ها, تصفیه فاضلاب, تصفیه کننده های صنعتی, تصفیه کننده های هوا شناخته می شود. همچنین از زغال فعال در تهیه خمیردندان، برای پاکسازی دندان و پوست و تولید انواع ماسک زغال (ذغال) استفاده می شود.

شکل۲: شبکه حفره ای کربن فعال

کربن فعال در اشکال گوناگون کربن فعال گرانولی، پودری و دیگر اشکال وجود دارند. این ماده از مواد آلی که دارای محتوای کربن زیاد است تشکیل می شود. از این مواد می توان به ذغال سنگ، چوب، نارگیل، فندق، بادام و پوست گردو و پوست پسته اشاره کرد؛ که لازم به ذکر است هر کدام از این مواد تاثیر زیادی بر کارکرد و خصوصیات کربن فعال دارد. 

          شکل۳: اشکال گوناگون کربن فعال

فرایند تولید کربن فعال شامل دو مرحله کربونیزاسیون و فعال سازی می­باشد. کربونیزاسیون تبدیل مواد خام اولیه به کربن خالص و خارج کردن اجزا غیر کربنی از قبیل هیدروژن و اکسیژن به صورت گاز از مواد اولیه است. اما فعال سازی به منظور تهیه کربن فعال یا حفره­دار متخلخل به دو روش فیزیکی و شیمیایی صورت می­گیرد. 

در روش فیزیکی از بخار آب همراه با بازپخت در دمای بالا و در روش شیمیایی از عوامل فعال­سازی همچونNaOH، KOH، H3PO4 و ZnCl2 در دمای بالا استفاده می­شود. خارج شدن گاز­های اکسیژن و هیدروژن منجر به کمتر شدن فاصله بین لایه­ها می­شود و آزادسازی گاز­های فرار، منافذ نانویی را در ساختار ایجاد می­کند. 

۳. روش کار آزمایش 

۱-۳- تجهیزات مورد نیاز 

·        پوست آسیاب شده گردو یا پسته 20 گرم 

·        پتاسیم هیدروکسید (KOH)

·        آب مقطر

۲-۳- روش انجام آزمایش :

  سنتز کربن فعال توسط عامل فعال ساز پتاسیم هیدروکسید (KOH)به شرح زیر است: 

مرحله اول: کربنیزاسیون

ابتدا مقدار مورد نیازی از پودر اولیه خرد شده داخل یک بشر می‌ریزیم. آب مقط به پودر خرد شده اضافه کرده و خوب هم‌زده تا یک خمیر نسبتاً یکنواختی حاصل شود سپس ماده بدست آمده را درون ظرف‌های مخصوص ریخته و داخل کوره قرار می‌دهیم. در این مرحله، باید دقت کرد که کوره کاملاً بسته و راهی برای ورود هوا وجود نداشته باشد.  همچنین بهتر است ظرف حاوی مواد به خوبی پوشانده شود تا حداقل هوا به مواد داخل ظرف برسد. کوره را روشن کرده و دمای آن را روی 100 درجه تنظیم کردیم. صبرکردیم تا به این دما برسد سپس به مدت زمان 1 ساعت و 30 دقیقه دمای آن را به 600 درجه میرسانیم. دقت شود که دما از این مقدار بالاتر نرود تا مواد شما خاکستر نشود. پودر حاصل را با آب مقطر شست و شو داده و آن را در دمای محیط یا آون خشک می‌کنیم. 

مرحله دوم: فعالسازی

به منظور فعال کردن کربن در ماده جامد باقی مانده، باید آن را به یک ماده فعال کننده آغشته کرد. در اینجا از پتاسیم هیدروکسید (KOH) که طبق تحقیقات انجام شده به عنوان بهترین فعال کننده شناخته شده است، استفاده می‌کنیم. ماده مرحله قبل را به مدت 30 دقیقه در محلول پتاسیم هیدروکسید 1 مولار شست و شو داده و بعد از خشک کردن ماده‌ی فعال شده، مجددا محصول را در بوته با درپوش مناسب قرار می‌دهیم و به مدت  1ساعت در دمای 600 درجه سانتی گراد در کوره مافلی گذاشته شد تا کربن فعال حاصل شود.

در آخرین مرحله کربن فعال شده حاصله با آّب مقطر چندین بار به منظور تلخیص و رسیدن به pH خنثی شست و شو داده می‌شود.

۴. پرسش

یک آب و رنگ خوراکی را مخلوط کرده و خواص جذب کربن فعال ساخته شده را بررسی نمایید.
در مورد کاربرد کربن فعال در صنایع تحقیق نمایید.
به نظر شما از کربن فعال چه استفاده هایی می‌توان کرد؟