تحسين بنية مسام الكربون المسامي - الجزء الأول

مرحباً بكم في موقعنا الإلكتروني للاطلاع على معلومات المنتجات والاستشارات.

موقعنا الإلكتروني:https://www.vet-china.com/

 

تحلل هذه الورقة سوق الكربون المنشط الحالي، وتجري تحليلاً متعمقاً للمواد الخام للكربون المنشط، وتقدم طرق توصيف بنية المسام، وطرق الإنتاج، والعوامل المؤثرة، والتقدم المحرز في تطبيق الكربون المنشط، وتستعرض نتائج البحث في تكنولوجيا تحسين بنية مسام الكربون المنشط، بهدف تعزيز دور الكربون المنشط في تطبيق التقنيات الخضراء والمنخفضة الكربون.

 

تحضير الكربون المنشط

بشكل عام، ينقسم تحضير الكربون المنشط إلى مرحلتين: التفحيم والتنشيط

 

عملية التفحيم

تشير عملية التفحيم إلى تسخين الفحم الخام عند درجة حرارة عالية تحت غطاء من الغاز الخامل لتحليل المواد المتطايرة فيه والحصول على منتجات كربونية وسيطة. ويمكن تحقيق الهدف المرجو من التفحيم عن طريق ضبط معايير العملية. وقد أظهرت الدراسات أن درجة حرارة التنشيط تُعدّ معيارًا رئيسيًا يؤثر على خصائص التفحيم. درس جي تشيانغ وزملاؤه تأثير معدل تسخين التفحيم على أداء الكربون المنشط في فرن ذي غطاء، ووجدوا أن انخفاض المعدل يُسهم في تحسين إنتاجية المواد الكربونية وإنتاج مواد عالية الجودة.

 

عملية التفعيل

يمكن أن تُحوّل عملية التفحيم المواد الخام إلى بنية بلورية دقيقة تُشبه بنية الجرافيت، وتُنتج بنية مسامية أولية. إلا أن هذه المسام تكون غير منتظمة أو مسدودة ومغلقة بمواد أخرى، مما يؤدي إلى صغر مساحة السطح النوعية، ويتطلب ذلك مزيدًا من التنشيط. التنشيط هو عملية إثراء بنية المسام في المنتج المُفحّم، ويتم ذلك بشكل أساسي من خلال التفاعل الكيميائي بين المُنشّط والمادة الخام، حيث يُعزز تكوين بنية بلورية دقيقة مسامية.

تتم عملية التنشيط بشكل أساسي عبر ثلاث مراحل في عملية إثراء مسام المادة:
(1) فتح المسام المغلقة الأصلية (من خلال المسام)؛
(2) توسيع المسام الأصلية (توسيع المسام)؛
(3) تكوين مسام جديدة (إنشاء المسام)؛

لا تحدث هذه التأثيرات الثلاثة بشكل منفصل، بل تتزامن وتتضافر. عمومًا، يُسهم كلٌ من المسامات المتنامية وتكوين المسامات في زيادة عددها، لا سيما المسامات الدقيقة، مما يُفيد في تحضير مواد مسامية ذات مسامية عالية ومساحة سطحية كبيرة. في المقابل، يؤدي التوسع المفرط للمسامات إلى اندماجها وترابطها، مُحوّلاً المسامات الدقيقة إلى مسامات أكبر. لذا، وللحصول على مواد كربون مُنشط ذات مسام متطورة ومساحة سطحية كبيرة، من الضروري تجنب التنشيط المفرط. تشمل طرق تنشيط الكربون المُنشط الشائعة الطريقة الكيميائية، والطريقة الفيزيائية، والطريقة الفيزيائية الكيميائية.

 

طريقة التنشيط الكيميائي

تُشير طريقة التنشيط الكيميائي إلى إضافة مواد كيميائية إلى المواد الخام، ثم تسخينها بتمرير غازات واقية مثل النيتروجين والأرجون في فرن تسخين لتفحيمها وتنشيطها في آنٍ واحد. ومن المُنشطات الشائعة الاستخدام هيدروكسيد الصوديوم، وهيدروكسيد البوتاسيوم، وحمض الفوسفوريك. تتميز طريقة التنشيط الكيميائي بانخفاض درجة حرارة التنشيط وارتفاع الإنتاجية، ولكنها تُعاني من مشاكل مثل التآكل الشديد، وصعوبة إزالة المواد الكيميائية السطحية، والتلوث البيئي الخطير.

 

طريقة التنشيط البدني

تعتمد طريقة التنشيط الفيزيائي على تفحيم المواد الخام مباشرةً في الفرن، ثم تفاعلها مع غازات مثل ثاني أكسيد الكربون والماء عند درجة حرارة عالية لزيادة المسام وتوسيعها. إلا أن هذه الطريقة تفتقر إلى التحكم الدقيق في بنية المسام. يُستخدم ثاني أكسيد الكربون على نطاق واسع في تحضير الكربون المنشط نظرًا لنظافته وسهولة الحصول عليه وانخفاض تكلفته. استُخدمت قشور جوز الهند المتفحمة كمادة خام، ونُشّطت بثاني أكسيد الكربون لتحضير كربون منشط ذي مسام دقيقة متطورة، بمساحة سطحية نوعية تبلغ 1653 م²/غ وحجم مسام إجمالي يبلغ 0.1045 سم³/غ. وقد حقق هذا الأداء معايير استخدام الكربون المنشط في المكثفات ثنائية الطبقة.

تم تنشيط نواة فاكهة اللوز الهندي بثاني أكسيد الكربون لتحضير كربون فائق التنشيط. بعد التنشيط عند درجة حرارة 1100 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة، بلغت مساحة السطح النوعية وحجم المسام الكلي 3500 متر مربع/غرام و1.84 سنتيمتر مكعب/غرام على التوالي. استُخدم ثاني أكسيد الكربون لإجراء تنشيط ثانوي على الكربون المنشط التجاري المُستخلص من قشور جوز الهند. بعد التنشيط، ضاق حجم المسام الدقيقة للمنتج النهائي، وزاد حجم المسام الدقيقة من 0.21 سنتيمتر مكعب/غرام إلى 0.27 سنتيمتر مكعب/غرام، وزادت مساحة السطح النوعية من 627.22 متر مربع/غرام إلى 822.71 متر مربع/غرام، وزادت قدرة امتصاص الفينول بنسبة 23.77%.

درس باحثون آخرون العوامل الرئيسية المؤثرة في عملية تنشيط ثاني أكسيد الكربون. ووجد محمد وآخرون [21] أن درجة الحرارة هي العامل المؤثر الرئيسي عند استخدام ثاني أكسيد الكربون لتنشيط نشارة خشب المطاط. إذ تزداد مساحة السطح النوعية وحجم المسام والمسامية الدقيقة للمنتج النهائي أولًا ثم تنخفض مع ارتفاع درجة الحرارة. واستخدم تشنغ سونغ وآخرون [22] منهجية سطح الاستجابة لتحليل عملية تنشيط قشور جوز المكاديميا بثاني أكسيد الكربون. وأظهرت النتائج أن درجة حرارة التنشيط ومدة التنشيط لهما التأثير الأكبر على تكوين المسام الدقيقة للكربون المنشط.