با توجه به افزایش تقاضا و ضرورت حفظ محیط زیست تولید کربن اکتیو از ضایعات کشاورزی اهمیت زیادی پیدا کرده است . کربن اکتیو با توجه به ساختار متخلخلی که دارد به عنوان یک ماده ی مهم در جذب آلاینده ها در صنایع مختلفی نظیر تصفیه آب ،تصفیه هوا ،صنایع دارویی و غذایی بسیار به شمار می آید . با توجه به در دسترس بودن وهمین طور مقرون به صرفه بودن استفاده از ضایعات کشاورزی در تولید کربن بسیار رواج پیدا کرده است . استفاده از ضایعات کشاورزی در تولید کربن باعث کاهش زباله ها و ضایعات در محیط زیست می شود که به حفظ محیط زیست کمک بسزایی می کند.
انواع ضایعات کشاورزی برای کربن فعال
استفاده از ضایعات کشاورزی برای تولید کربن از روش های مقرون به صرفه و سازگار با محیط زیست می باشد. نوع ماده ی اولیه ای که برای تولید کربن استفاده می شود به میزان زیادی به نوع کاربرد کربن بستگی دارد برای مثال کربن اکتیوی که در صنعت تصفیه آب مورد استفاده قرار گیرد با ویژگی های متفاوت تر از کربن فعالی است که در بازیافت فلزات استفاده می شود.البته زغال فعال ایرانی وخارجی هم درقیمت ،سطح جذب و فناوری های که تولید می شوند باهم متفاوت است و هر کدام از برندهای ایرانی وخارجی کاربرد مختص خود را دارند.از ضایعات کشاورزی که برای تولید کربن استفاده می شود می توان به موارد زیر اشاره کرد.
- پوسته نارگیل :پوسته نارگیل از بهترین منابع طبیعی که دارای تخلخل زیاد و سطح ویژه بالاست دارای خاکستر کم و مقاومت مکانیکی بالا است
- هسته خرما:بیشتر استفاده از آن در مناطق گرم وخشک می باشد و کربن حاصل از آن دارای تخلخل میکرونی زیاد است.
- پوسته گردو و بادام :کربن حاصل توانایی بالایی در جذب آلاینده های مختلف دارد. می توان به عنوان یک منبع غنی از کربن با ساختار سخت و متراکم از آن نام برد.
- ساقه وپوسته برنج: در کشورهای آسیایی استفاده از آن رواج زیادی دارد و در فرآیند تولید نیاز است که سیلیس را از آن حذف کنیم.
- چوب وخاک اره :برای تولید کربن از درختانی نرم یا سخت مانند چوب درخت صنوبر یا بلوط استفاده می کنیم .دسترسی به این ماده برای تولید کربن آسان ودارای ساختار فیبری مناسبی است.
- سبوس گندم یا جو: این ماده دارای کربن آلی ومواد سلولوزی زیادی است. کرن حاصل دارای سطح جذب در حد متوسط می باشد.
- باقی مانده و تفاله های نیشکر :بعد از استخراج آب نیشکر از باقی مانده های آن برای تولید کربن اکتیو استفاده می کنند.این مواد در تولیدکربن بسیار مقرون به صرفه هستند اما نیازمند پیش فرآوری با دقت بالایی است.
- هسته زیتون: بیشتر در مناطق مدیترانه ای برای تولید کربن فعال مورد استفاده می باشد.ساختار هسته زیتون باعث شده که از هر دو روش شیمیایی و فیزیکی برای تولید کربن استفاده کنند.
نحوه تولید کربن فعال از ضایعات کشاورزی
مراحل تولید کربن فعال را از ضایعات کشاورزی در ادامه به صورت گام به گام توضیح می دهم .مراحل تولید کربن شامل چند مرحله مختلف است که ممکن است بسته به نوع ماده و روش فعال سازی که شیمیایی یا فیزیکی کمی متفاوت باشد.
گام اول: مواد اولیه شامل پوسته نارگیل ،هسته خرما ،پوست برنج و… را جمع آوری و آماده سازی می کنیم این مرحله شامل تمیزکردن مواد خام و ازبین بردن گرد وغبار و ناخالصی ها از ماده اولیه می باشد. برای پایین آوردن رطوبت ماده اولیه را خشک می کنیم.
گام دوم:کربونیزاسیون مرحله ای که در آن ماده را تحت دمای 300-600 درجه سانتی گراد حرارت می دهیم محیط ممکن است بدون اکسیژن یا با اکسیژن محدود باشند.در این مرحله بیشترین تمرکز به حذف رطوبت و فراریت ها و تبدیل ماده خام اولیه به زغال (کربن اولیه) می باشد.
گام سوم:در مرحله فعال سازی دو روش فیزیکی و شیمیایی وجود دارد :در فعالسازی فیزیکی بیشتر از پوست نارگیل یا چوب به عنوان مواد اولیه برای تولید کربن استفاده می شود. در این فرآیند مواد تحت دمای بسیار زیاد 800 الی 1000 درجه سانتی گراد قرار می گیرند که باعث به وجود آمدن تخلخل زیاد می شود ودر فرآیند از گازهایی مانند بخار آب یا دی اکسید کربن استفاده می کنند.
در فعالسازی شیمیایی از مواد خام اولیه ای مانندپوست برنج ،سبوس گندم و تفاله نیشکر استفاده می کنند. این مواد را در دمای 400-600 درجه سانتی گراد حرارت می دهند. مواد اولیه را با موادی مانند هیدروکسید پتاسیم (پتاس سوزآور) ،کلرید روی و اسید فسفریک ترکیب می کنند.آغشته کردن مواد اولیه با مواد شیمیایی باعث افزایش سطح تخلخل و سطح جذب می شود.
گام چهارم :در مرحله ی شست و شو و خنثی سازی ،اگر فعال سازی شیمیایی انجام شده باشد برای از بین بردن باقی مانده مواد شیمیایی آن را با آب یا اسید رقیق شست وشو می دهند و در آخر کربن فعال تولید شده را خشک می کنند.
گام پنجم :در مرحله ی دانه بندی و غربال گری کربن در دسته بندی های پودری ،گرانولی و یا اکسترود شده قرار می گیرد و براساس اندازه ذرات در صنایع تصفیه آب ،تصفیه هوا یا بازیافت فلزات مورد استفاده قرار می گیرد.
عوامل موثر بر کیفیت کربن فعال از ضایعات کشاورزی
عوامل متعددی بر کیفیت کربن تولید شده از ضایعات کشاورزی تاثیر گذار است . توجه به این عوامل باعث بالا بردن میزان جذب آلاینده ها ،ساختار متخلخل مناسب و سطح ویژه بالا کربن فعال تولید شده می شود.در ادامه این عوامل را ذکر می کنیم :
نوع ماده خام اولیه :نوع ماده ای که در ابتدا برای تولید کربن انتخاب می کنیم بر روی ویژگی های کربن تولید شده تاثیر دارد برای مثال پوسته نارگیل ماده ای است با چگالی بالا و خاکستر کم بنابراین کربن تولید شده دارای ویژگی هایی مانند تخلخل میکرونی وسطح جذب بالا می باشد.عواملی نظیر درصد سلولوز ، لیگنین، خاکستر، و رطوبت اولیه ماده خام می تواند بر زیاد یا کم بودن تخلخل و میزان جذب کربن تاثیر گذار باشد.
روش فعال سازی :روشی که کربن تولید می شود (فیزیکی یا شیمیایی ) در اندازه ی تخلخل تاثیر دارد .در فعالسازی فیزیکی چون مواد تحت تاثیر دمای بالاتری قرار می گیرنداندازه سطح تخلخل درشت تر می باشد. در روش شیمیایی در دمای پایین تری انجام می شود ودارای سطح تخلخل ریز و یکنواخت تری می باشد و کاربرد های متناسب خود را دارد.
دمای کربونیزاسیون :دمایی که در مرحله ی کربونیزاسیون به کربن خام داده می شود ویژگی ها وساختار اولیه کربن را ایجاد می کند. برای مثال دمای بسیار بالا باعث کاهش میزان رطوبت و فراریت وافزایش خاکستر شود که منجر به کاهش بازدهی می شود.دماهای بسیار پایین هم منجر به تولید کربن ناکامل با تخلخل کم می شودپس دما باید مناسب باشد.
نسبت ماده شیمیایی به ماده اولیه :در روش فعال سازی شیمیایی نسبت ماده شیمیایی به ماده اولیه حتما باید مناسب و تنظیم شده باشد. اگر خیلی کم باشد باعث ناقص انجام شدن فعالسازی وکاهش تخلخل می شود و اگر نسبت خیلی زیاد باشد سبب خوردگی زیاد،افزایش هزینه و باقی ماندن ناخالصی شیمیایی شود.
توجه به فرآیند شست و شو و خشک سازی نهایی:اگر بعد از فعالسازی شیمیایی عملیات شست و شو با آب یا اسید رقیق صورت نگیرد باعث کاهش کیفیت کربن تولید شده می شود. همچنین از فواید خشک سازی نهایی می توان به جلوگیری از رشد میکروبی و فساد محصول اشاره کرد.
کاربرد کربن فعال مواد زائد کشاورزی
ویژگی هایی نظیر ساختار متخلخل و سطح جذب بالا باعث شده در صنایع مختلفی برای جذب آلاینده ها و مواد اضافی کاربرد داشته باشند . برخی از این صنایع عبارتند از :تصفیه آب و فاضلاب ،تصفیه هوا،صنایع غذایی و دارویی ،بازیابی فلزات باارزش ،در صنایع کشاورزی و خاک
مزایای زیست‌محیطی استفاده از ضایعات کشاورزی
یکی از روش های مقرون به صرفه برای تولید کربن فعال استفاده از ضایعات کشاورزی است که برای محیط زیست هم بسیار مفید می باشد مزایای آن عبارتند از :کاهش ضایعات کشاورزی ،جلوگیری از سوزاندن ضایعات کشاورزی وتولید گازهای گلخانه ای،جایگزینی منابع غیر تجدید پذیر،صرفه جویی در هزینه ،صرفه جویی در مصرف انرژی ،توسعه اقتصاد چرخشی
