छिद्रयुक्त कार्बन छिद्र संरचना का अनुकूलन-Ⅰ

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यह शोधपत्र सक्रिय कार्बन के वर्तमान बाजार का विश्लेषण करता है, सक्रिय कार्बन के कच्चे माल का गहन विश्लेषण करता है, सक्रिय कार्बन की छिद्र संरचना के लक्षण वर्णन विधियों, उत्पादन विधियों, प्रभावित करने वाले कारकों और अनुप्रयोग की प्रगति का परिचय देता है, और सक्रिय कार्बन छिद्र संरचना अनुकूलन प्रौद्योगिकी के अनुसंधान परिणामों की समीक्षा करता है, जिसका उद्देश्य हरित और कम कार्बन प्रौद्योगिकियों के अनुप्रयोग में सक्रिय कार्बन की भूमिका को बढ़ाना है।

 

सक्रिय कार्बन की तैयारी

सामान्यतः, सक्रिय कार्बन के निर्माण को दो चरणों में विभाजित किया जाता है: कार्बनीकरण और सक्रियण।

 

कार्बनीकरण प्रक्रिया

कार्बनीकरण से तात्पर्य कच्चे कोयले को अक्रिय गैस की सुरक्षा में उच्च तापमान पर गर्म करने की प्रक्रिया से है, जिससे उसके वाष्पशील पदार्थ विघटित होकर मध्यवर्ती कार्बनीकृत उत्पाद प्राप्त होते हैं। प्रक्रिया मापदंडों को समायोजित करके कार्बनीकरण के वांछित लक्ष्य को प्राप्त किया जा सकता है। अध्ययनों से पता चला है कि सक्रियण तापमान कार्बनीकरण गुणों को प्रभावित करने वाला एक प्रमुख प्रक्रिया मापदंड है। जिए कियांग और अन्य ने मफल फर्नेस में सक्रिय कार्बन के प्रदर्शन पर कार्बनीकरण तापन दर के प्रभाव का अध्ययन किया और पाया कि कम दर कार्बनीकृत पदार्थों की उपज बढ़ाने और उच्च गुणवत्ता वाले पदार्थ प्राप्त करने में सहायक होती है।

 

सक्रियण प्रक्रिया

कार्बनीकरण से कच्चे माल में ग्रेफाइट के समान सूक्ष्म क्रिस्टलीय संरचना बन सकती है और प्राथमिक छिद्र संरचना उत्पन्न हो सकती है। हालांकि, ये छिद्र अव्यवस्थित होते हैं या अन्य पदार्थों द्वारा अवरुद्ध और बंद हो जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप विशिष्ट सतह क्षेत्र कम हो जाता है और आगे सक्रियण की आवश्यकता होती है। सक्रियण कार्बनीकृत उत्पाद की छिद्र संरचना को और समृद्ध करने की प्रक्रिया है, जो मुख्य रूप से सक्रियक और कच्चे माल के बीच रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से की जाती है: यह छिद्रयुक्त सूक्ष्म क्रिस्टलीय संरचना के निर्माण को बढ़ावा दे सकती है।

सामग्री के छिद्रों को समृद्ध करने की प्रक्रिया में सक्रियण मुख्य रूप से तीन चरणों से गुजरता है:
(1) मूल बंद छिद्रों को खोलना (छिद्रों के माध्यम से);
(2) मूल छिद्रों को बड़ा करना (छिद्र विस्तार);
(3) नए छिद्रों का निर्माण (छिद्र सृजन);

ये तीनों प्रभाव अकेले नहीं होते, बल्कि एक साथ और सहक्रियात्मक रूप से घटित होते हैं। सामान्यतः, छिद्रों के निर्माण से छिद्रों की संख्या, विशेषकर सूक्ष्म छिद्रों की संख्या में वृद्धि होती है, जो उच्च सरंध्रता और बड़े विशिष्ट सतह क्षेत्र वाले छिद्रयुक्त पदार्थों के निर्माण के लिए लाभकारी है। वहीं, छिद्रों के अत्यधिक विस्तार से वे आपस में जुड़ जाते हैं और सूक्ष्म छिद्र बड़े छिद्रों में परिवर्तित हो जाते हैं। अतः, विकसित छिद्रों और बड़े विशिष्ट सतह क्षेत्र वाले सक्रिय कार्बन पदार्थ प्राप्त करने के लिए, अत्यधिक सक्रियण से बचना आवश्यक है। सक्रिय कार्बन सक्रियण की सामान्यतः प्रयुक्त विधियों में रासायनिक विधि, भौतिक विधि और भौतिक-रासायनिक विधि शामिल हैं।

 

रासायनिक सक्रियण विधि

रासायनिक सक्रियण विधि से तात्पर्य कच्चे माल में रासायनिक अभिकर्मकों को मिलाकर, फिर नाइट्रोजन (N2) और आर्गन (Ar) जैसी सुरक्षात्मक गैसों को प्रवाहित करते हुए, उन्हें एक ताप भट्टी में गर्म करके कार्बनीकरण और सक्रियण करने की विधि से है। आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले सक्रियक NaOH, KOH और H3PO4 होते हैं। रासायनिक सक्रियण विधि के लाभ हैं कम सक्रियण तापमान और उच्च उपज, लेकिन इसमें संक्षारण, सतह पर मौजूद अभिकर्मकों को हटाने में कठिनाई और गंभीर पर्यावरणीय प्रदूषण जैसी समस्याएं भी हैं।

 

भौतिक सक्रियण विधि

भौतिक सक्रियण विधि में कच्चे माल को भट्टी में सीधे कार्बनीकृत किया जाता है, और फिर उच्च तापमान पर CO2 और H2O जैसी गैसों के साथ अभिक्रिया कराई जाती है ताकि छिद्रों की संख्या बढ़ाई जा सके और उनका विस्तार किया जा सके। हालांकि, इस विधि में छिद्र संरचना पर नियंत्रण की क्षमता कम होती है। CO2 का उपयोग सक्रिय कार्बन के निर्माण में व्यापक रूप से किया जाता है क्योंकि यह स्वच्छ, आसानी से उपलब्ध और कम लागत वाली गैस है। कार्बनीकृत नारियल के खोल को कच्चे माल के रूप में उपयोग करके और CO2 से सक्रिय करके विकसित सूक्ष्म छिद्रों वाला सक्रिय कार्बन तैयार किया गया है, जिसका विशिष्ट पृष्ठीय क्षेत्रफल और कुल छिद्र आयतन क्रमशः 1653 वर्ग मीटर² प्रति ग्राम और 0.1045 वर्ग सेंटीमीटर प्रति ग्राम है। इसका प्रदर्शन दोहरी परत संधारित्रों के लिए सक्रिय कार्बन के उपयोग मानक के अनुरूप है।

लोक्वाट के बीज को CO2 से सक्रिय करके सुपर सक्रिय कार्बन तैयार किया गया। 1100℃ पर 30 मिनट तक सक्रिय करने के बाद, इसका विशिष्ट सतही क्षेत्रफल और कुल छिद्र आयतन क्रमशः 3500 वर्ग मीटर·ग्राम⁻¹ और 1.84 वर्ग मीटर·ग्राम⁻¹ तक पहुँच गया। व्यावसायिक नारियल के खोल से बने सक्रिय कार्बन पर CO2 का उपयोग करके द्वितीयक सक्रियण किया गया। सक्रियण के बाद, तैयार उत्पाद के सूक्ष्म छिद्र संकरे हो गए, सूक्ष्म छिद्रों का आयतन 0.21 वर्ग मीटर·ग्राम⁻¹ से बढ़कर 0.27 वर्ग मीटर·ग्राम⁻¹ हो गया, विशिष्ट सतही क्षेत्रफल 627.22 वर्ग मीटर·ग्राम⁻¹ से बढ़कर 822.71 वर्ग मीटर·ग्राम⁻¹ हो गया और फिनोल की अधिशोषण क्षमता में 23.77% की वृद्धि हुई।

अन्य विद्वानों ने CO2 सक्रियण प्रक्रिया के प्रमुख नियंत्रण कारकों का अध्ययन किया है। मोहम्मद एट अल. [21] ने पाया कि रबर के बुरादे को सक्रिय करने के लिए CO2 का उपयोग करते समय तापमान मुख्य प्रभावकारी कारक है। तैयार उत्पाद का विशिष्ट सतही क्षेत्रफल, छिद्र आयतन और सूक्ष्म छिद्रता तापमान बढ़ने के साथ पहले बढ़ती है और फिर घटती है। चेंग सोंग एट अल. [22] ने मैकाडामिया नट के छिलकों की CO2 सक्रियण प्रक्रिया का विश्लेषण करने के लिए प्रतिक्रिया सतही पद्धति का उपयोग किया। परिणामों से पता चला कि सक्रियण तापमान और सक्रियण समय का सक्रिय कार्बन सूक्ष्म छिद्रों के विकास पर सबसे अधिक प्रभाव पड़ता है।