הכנסת פחם פעיל

פחם פעיל (AC) מתייחס לחומרים עתירי פחמן, בעלי נקבוביות ויכולת ספיחה גבוהות, המופקים מעץ, קליפות קוקוס, פחם ואצטרובלים ועוד. פחם פעיל הוא אחד מחומרי הספיחה הנפוצים ביותר בתעשיות שונות להסרת מזהמים רבים מגופי מים ואוויר. מאחר שפחם פעיל המסונתז מתוצרי חקלאות ופסולת, הוא הוכח כחלופה מצוינת למקורות היקרים והבלתי מתחדשים המשמשים באופן מסורתי. להכנת פחם פעיל, נעשה שימוש בשני תהליכים בסיסיים, פחמון ואקטיבציה. בתהליך הראשון, החומרים המקדימים עוברים טמפרטורות גבוהות, בין 400 ל-850 מעלות צלזיוס, כדי לסלק את כל הרכיבים הנדיפים. טמפרטורה גבוהה מסירה את כל הרכיבים שאינם פחמן מהחומר המקדים, כגון מימן, חמצן וחנקן, בצורת גזים וזפת. תהליך זה מייצר פחם בעל תכולת פחמן גבוהה אך שטח פנים ונקבוביות נמוכים. עם זאת, השלב השני כרוך באקטיבציה של פחם מסונתז קודם לכן. ניתן לסווג את הגדלת גודל הנקבוביות במהלך תהליך ההפעלה לשלושה חלקים: פתיחת נקבוביות שלא היו נגישות בעבר, התפתחות נקבוביות חדשות על ידי הפעלה סלקטיבית והרחבת נקבוביות קיימות.
בדרך כלל, שתי גישות, פיזיקליות וכימיות, משמשות להפעלה כדי לקבל את שטח הפנים והנקבוביות הרצויים. הפעלה פיזיקלית כוללת הפעלה של פחמן מפוחם באמצעות גזים מחמצנים כגון אוויר, פחמן דו-חמצני וקיטור בטמפרטורות גבוהות (בין 650 ל-900 מעלות צלזיוס). פחמן דו-חמצני עדיף בדרך כלל בשל טבעו הטהור, הטיפול הקל שלו ותהליך ההפעלה הניתן לשליטה בסביבות 800 מעלות צלזיוס. ניתן להשיג אחידות נקבוביות גבוהה באמצעות הפעלת פחמן דו-חמצני בהשוואה לקיטור. עם זאת, עבור הפעלה פיזיקלית, קיטור עדיף בהרבה בהשוואה לפחמן דו-חמצני מכיוון שניתן לייצר AC עם שטח פנים גדול יחסית. בשל גודל המולקולה הקטן יותר של מים, הדיפוזיה שלו בתוך מבנה הפחם מתרחשת ביעילות. נמצא כי ההפעלה באמצעות קיטור גבוהה פי שניים עד שלושה מפחמן דו-חמצני עם אותה דרגת המרה.
עם זאת, הגישה הכימית כרוכה בערבוב של חומר מקדם עם חומרי הפעלה (NaOH, KOH, ו-FeCl3, וכו'). חומרי הפעלה אלה פועלים כמחמצנים וגם כחומרי ייבוש. בגישה זו, הפחמן וההפעלה מתבצעים בו זמנית בטמפרטורה נמוכה יחסית של 300-500 מעלות צלזיוס בהשוואה לגישה הפיזיקלית. כתוצאה מכך, הדבר משפיע על הפירוק הפירוליטי, וכתוצאה מכך, מביא להתרחבות של מבנה נקבובי משופר ותפוקת פחמן גבוהה. היתרונות העיקריים של הגישה הכימית על פני הגישה הפיזיקלית הם דרישת טמפרטורה נמוכה, מבנים בעלי מיקרופורוזיה גבוהה, שטח פנים גדול וזמן השלמת תגובה ממוזער.
ניתן להסביר את עליונות שיטת ההפעלה הכימית על סמך מודל שהוצע על ידי קים ועמיתיו [1] לפיו נמצאים מיקרו-דומיינים כדוריים שונים האחראים להיווצרות מיקרו-נקבוביות ב-AC. מצד שני, מזו-נקבוביות מתפתחות באזורים הבין-מיקרו-דומיינים. בניסוי, הם יצרו פחמן פעיל משרף מבוסס פנול על ידי הפעלה כימית (באמצעות KOH) ופיזית (באמצעות קיטור) (איור 1). התוצאות הראו כי פחם פעיל שסונתז על ידי הפעלת KOH היה בעל שטח פנים גבוה של 2878 מ"ר/גרם בהשוואה ל-2213 מ"ר/גרם על ידי הפעלת קיטור. בנוסף, גורמים אחרים כגון גודל הנקבוביות, שטח פנים, נפח המיקרו-נקבוביות ורוחב הנקבוביות הממוצע נמצאו כולם טובים יותר בתנאים המופעלים על ידי KOH בהשוואה להפעלת קיטור.

ההבדלים בין AC המוכן מאקטיבציה של קיטור (C6S9) לאקטיבציה של KOH (C6K9), בהתאמה, מוסברים במונחים של מודל מיקרו-מבנה.

בהתאם לגודל החלקיקים ולשיטת ההכנה, ניתן לסווג אותו לשלושה סוגים: מזגן מופעל, מזגן גרגירי ומזגן חרוזים. מזגן מופעל נוצר מגרגירים עדינים בגודל 1 מ"מ עם טווח קוטר ממוצע של 0.15-0.25 מ"מ. למזגן גרגירי גודל גדול יותר יחסית ושטח פנים חיצוני קטן יותר. מזגנים גרגיריים משמשים ליישומים שונים בשלב נוזלי וגזי בהתאם ליחסי הממדים שלהם. סוג שלישי: מזגן חרוזים מסונתז בדרך כלל מזפת נפט בקוטר הנע בין 0.35 ל-0.8 מ"מ. הוא ידוע בחוזקו המכני הגבוה ובתכולת האבק הנמוכה שלו. הוא נמצא בשימוש נרחב ביישומי מצע מרחף כגון סינון מים בשל המבנה הכדורי שלו.