تولید کربن فعال از ضایعات کشاورزی به دلایل مختلف از جمله منبع تجدید پذیر، ارزان بودن، در دسترس و سازگار با محیط زیست که می تواند مشکل دفع پسماندهای کشاورزی را حل کند بسیار مورد توجه قرار گرفته است. علاوه بر این، محصول نهایی حاصل از ضایعات کشاورزی با ارزش افزوده بالاتر تولید می شود. کیفیت کربن‌های فعال از ضایعات کشاورزی بر اساس پارامترهای مختلف از جمله زمان، دما، نسبت مواد شیمیایی می تواند متفاوت باشد. اما به صورت کلی، محصولات جانبی کشاورزی به عنوان یک منبع عالی برای تولید کربن فعال با سطح بالا و ظرفیت جذب خوب می تواند موثر باشد.
انواع ضایعات کشاورزی برای کربن فعال
برخی از مواد آلی طبیعی یا مواد زائد کشاورزی که پتاسیل تبدیل شدن به کربن فعال را دارند عبارتند از: پوسته برنج، ذرت و کاه گندم، پوست پسته، پوست گردو، هسته خرما،پوست بادام زمینی، پوست نارگیل است. قسمت های مختلف هر گیاه مانند ریشه، ساقه، پوست و گل، برگ، پوست میوه، پوسته و هسته می توانند به عنوان پیش ماده برای سنتز کربن فعال استفاده شوند. به صورت کلی، مواد زائد کشاورزی را می توان به منابع چوبی و غیر چوبی طبقه بندی کرد. بر اساس تحقیقات انجام شده مشخص شد که ضایعات کشاورزی غیر چوبی ویژگی های ساختارهای منفذی بهتری نسبت به ضایعات کشاورزی چوبی دارند. اغلب مواد زائد کشاورزی برای تهیه کربن فعال خوراکی مناسب هستند.
نحوه تولید کربن فعال از ضایعات کشاورزی
تولید کربن فعال از ضایعات کشاورزی ابتدا نیازمند کربنیزاسیون و تجزیه حرارتی است. در این مرحله مواد غیر کربنی و فرار از مواد خام جداسازی می شوند. طی این فرایند مواد فرار از کربن فعال خارج شده و محتویات لیگنو سلولزی تجزیه می شود که منجر به حذف عناصر غیر کربنی به ویژه نیتروژن، اکسیژن و هیدروژن می شود و در نهایت ماده ای با محتوای کربن بالا بدست می آید. فرآیند کربنیزاسیون را می توان بسته به دمای آن در 4 مرحله تقسیم بندی کرد.
- مرحله اول: کمتر از 200 که باعث خشک شدن اولیه مواد خام می شود.
- مرحله دوم: دمای 170 تا 300 که فاز پیش کربنیزاسیون است و مقدار کمی از مواد پیرولین تولید می شود.
- مرحله سوم: دمای 250 تا 300 که حذف نسبت زیادی از مایعات و قطران پیرولین تولید شده در فاز دو انجام می شود.
- مرحله چهارم: بیش از 300 درجه به منظور افزایش محتوای کربن زغال چوب
بیشتر بخوانید: تولید کربن فعال از پوست پرتقال
فعال سازی محصولات جانبی کشاورزی
یکی از روش های فعال سازی کربن های فعال روش فعال سازی شیمیایی است که ابتدا مواد خام آبگیری شدید (کربنیزاسیون) می شوند و سپس با عوامل اکسید کننده مانند H3PO4، ZnCl2، KOH و NaOH تحت اتمسفر نیتروژن قرار می گیرند. برای فعال سازی فیزیکی معمولاً از کربنیزاسیون مواد خام به تنهایی و در غیاب اکسیژن با گازهای بی اثر و به دنبال آن فعال شدن با استفاده از عامل اکسید کننده مانند بخار، هوا، دی اکسید کربن و بخار آب استفاده می شود.
7 مزیت انتخاب مواد زائد کشاورزی
- دارای کربن بالا
- محتوای معدنی کم که در نهایت منجر به تولید خاکستر کمتر خواهد شد
- چگالی بالا و محتوای مواد فرار
- در دسترس بودن و فراوانی با قیمت ارزان
- فعال سازی بالقوه مناسب
- نرخ تخریب پایین در زمان ذخیره سازی
- امکان تولید کربن فعال با درصد بازده بالا
بیشتر بخوانید: فواید و مضرات کربن فعال خوراکی
عوامل موثر بر کیفیت کربن فعال از ضایعات کشاورزی
کیفیت کربن های فعال پایه ضایعات کشاورزی بر اساس فاکتورهای متعدد از جمله نوع ماده خام، دما و عامل فعال‌کننده می تواند متفاوت باشد. همچنین، زمان فعال سازی هم می تواند بر اندازه منافذ کربن (ریز منافذ، مزوپورها و درشت منافذ) تأثیر بگذارند.
- نوع فعال سازی
در فعال سازی فیزیکی، عوامل موثر بر روی کیفیت کربن فعال عبارتند از بخار و هوا که از نظر زمان، واکنش عوامل فعال کننده تعین کننده هستند. به عنوان مثال، واکنش بخار و هوا با کربن به ترتیب 8 برابر و 10 برابر سریعتر از واکنش CO2 با کربن است. البته عنصر هوا به عنوان یک واکنش تهاجمی با کربن، منجر به فرسودگی در داخل ساختارهای منافذ و کمتر شدن بازدهی آن می شود. این در حالی است که CO2 سرعت واکنش آهسته تری دارد و قابل کنترل است که همین موضوع می تواند کیفیت کربن را بالاتر ببرد.
اما در فعال سازی شیمیایی، اگر بخواهیم مقایسه ای بین مواد H3PO4 و ZnCl2، H3PO4 داشته باشیم کربن های فعال سازی شده با ZnCl2 بازدهی بیشتری داشته اند. طبق تحقیقات انجام شده کربن‌ها با استفاده از دو ماده H3PO4 و ZnCl2 فعال سازی شدند. نتایج بدست آمده نشان داد درصد بازده کربن فعال با ماده شیمیایی H3PO4 چیزی حدود 90 تا 44 درصد است و بازده کربن فعال ZnCl2 چیزی حدود 94 تا 31 است. طبق مشاهدات راندمان جذب کربن های فعال با ماده ZnCl2 بیشتر بود. همچنین، میزان مزوپوروزیت کربن و توسعه برای جذب ملکول های بزرگ در صورت فعال سازی با ماده ZnCl2 نسبت به کربن فعال با ماده H3PO4 بالاتر است.
- نسبت اشباع
اشباع گام مهمی در تولید کربن فعال با عملیات شیمیایی است. به بیان ساده تر، منظور از اشباع یعنی نسبت وزن عامل فعال کننده نسبت به ماده خام است. نسبت اشباع تاثیر زیادی بر رشد منافذ دارد. طبق تحقیقات انجام شده نسبت اشباع بالاتر منجر به تشکیل مزوپور می شود این در حالی که نسبت اشباع کمتر منجر به تشکیل ریز منافذ می شود. هر چقدر اشباع بالاتر باشد مواد و محتویات فرار بیشتر آزاد خواهند شد و در نهایت منافذ گسترده تری خواهیم داشت. به همین دلیل، نسبت اشباع می تواند بر بازده کربن فعال تاثیر بگذارد.
- اثر دما بر روی کربن
دمای کربنیزاسیون به طور قابل توجهی بر روی ساختار منافذ کربن فعال تولید شده تاثیر می گذارد. کربنیزاسیون می تواند کربن ها را از نظر مساحت سطح و حجم منافذ متفاوت کند. به صورت کلی، دمای بالاتر کربنیزاسیون می تواند رطوبت و مواد فرار را کاهش داده و خاکستر آن را بیشتر کند و در نهایت باعث کاهش بازدهی شود.
کاربرد کربن فعال مواد زائد کشاورزی در صنایع دارویی
طبق مطالعات مختلف مشخص شد که کربن های فعال تولید شده از پسماندهای و مواد زائد کشاورزی می توانند در صنایع داروسازی به خوبی عمل کنند. این کربن ها به عنوان جاذب در تولید استامینوفن، تتراسایکلین، نورفلوکساسین، کافئین و پنی سیلین عملکرد خوبی دارند و می توانند آلاینده های دارویی را جذب کنند. استفاده از کربن های پایه ضایعات کشاورزی در صنایع دارویی نسبت به روش های دیگر مانند تصفیه بیولوژیکی، اکسیداسیون شیمیایی و فیلتراسیون غشایی بهتر عمل می کنند.
نتیجه گیری:
تولید کربن فعال از مواد زاید کشاورزی به دلایل مختلف از جمله تجدید پذیری، مواد اولیه ارزان، دسترسی راحت و سازگار با محیط زیست مورد توجه قرار گرفته است تا جایی که محققان زیادی بر روی محصولات زائد مختلف کشاورزی به منظور تهیه کربن فعال و بررسی کیفیت آن آزمایش انجام داده اند. به صورت کلی کربن فعال به دو روش مهم شیمیایی و فیزیکی فعال سازی می شوند و هر کدام از این روش ها می توانند بر روی کیفیت کربن فعال تاثیر بگذارند. علاوه بر این، دما و نسبت اشباع هم از پارامترهای مهم کیفیت کربن فعال هستند. یکی از کاربردهای مهم کربن های پایه ضایعات کشاورزی استفاده در صنایع داروسازی به منظور حذف مواد آلاینده است. این روش نسبت به سایر روش ها عملکرد بهتری دارد.
