تولید کربن فعال از پوست گردو؛ مراحل ساخت، تجهیزات و کاربردها

تولید کربن فعال از پوست گردو، راهی برای تبدیل پوسته سخت گردو به ماده‌ای جاذب برای تصفیه آب، پساب و دیگر کاربردهای صنعتی است. اما این تبدیل چگونه انجام می‌شود و چه چیزی کیفیت محصول را تعیین می‌کند؟ تولید زغال با پوست گردو تنها بخشی از مسیر است؛ برای دستیابی به کربن فعال، باید منافذ آن با روش فیزیکی یا شیمیایی توسعه پیدا کنند.

امکان تأمین پوسته گردو در داخل کشور، آن را به یکی از گزینه‌های تولید کربن فعال ایرانی تبدیل کرده است. البته ارزش این ماده اولیه زمانی روشن‌تر می‌شود که روش تولید، هزینه‌ها و عملکرد محصول را کنار هم بررسی کنیم. در این مقاله، فرآیند تولید کربن از پوست گردو را توضیح می‌دهیم و آن را با کربن‌های پایه نارگیل، چوب و زغال‌سنگ مقایسه می‌کنیم.

چرا پوست گردو برای تولید کربن فعال مناسب است؟

پوسته سختی که بعد از شکستن گردو باقی می‌ماند، می‌تواند ماده اولیه تولید کربن فعال باشد. این پوسته شامل ترکیبات گیاهی مانند سلولز و لیگنین است که با حرارت‌دهی در شرایط کنترل‌شده، به ماده‌ای غنی از کربن تبدیل می‌شوند. بعد از آن با فعال‌سازی، منافذ آن توسعه پیدا می‌کنند و امکان جذب برخی ترکیبات فراهم می‌شود. در اینجا منظور از پوست گردو، همان پوسته چوبی دور مغز است.

پوست گردو به دلیل در دسترس بودن و هزینه تأمین نسبتاً مناسب، گزینه‌ای برای ساخت کربن فعال است. همچنین استفاده از پوست گردو به بازیافت پسماندهای کشاورزی کمک می‌کند و با کاهش دورریز یا سوزاندن این ضایعات، می‌تواند بخشی از آلودگی‌های زیست‌محیطی را کاهش دهد.

مراحل تولید کربن فعال از پوست گردو

تولید کربن فعال از پوست گردو با آماده‌سازی پوسته‌ها شروع می‌شود. پس از آن، مسیر تولید به روش فعال‌سازی بستگی دارد: در روش فیزیکی معمولاً ابتدا ماده کربنی تولید و سپس فعال می‌شود. در روش شیمیایی، ماده فعال‌کننده می‌تواند پیش از حرارت‌دهی به پوسته اضافه شود.

۱. آماده‌سازی پوست گردو

در مرحله اول خاک، سنگ‌ریزه، باقی‌مانده و بقیه مواد ناخالص از پوسته ‌ها جدا می‌ شوند. در صورت نیاز، پوسته‌ها شسته و خشک می‌شوند تا رطوبت آن‌ها برای مراحل بعد کمتر شود.

در ادامه، پوسته سخت گردو خرد و الک می‌شود تا پوسته ها به ذراتی با اندازه مشخص تبدیل شوند.

۲. تولید کربن فعال به روش فیزیکی

در مسیر متداول فعال‌سازی فیزیکی، پوسته‌های آماده‌شده اول در کوره و در محیطی با اکسیژن کنترل‌شده حرارت می‌بینند. به این مرحله کربنیزاسیون یا کربن‌سازی میگویند. بخشی از ترکیبات پوسته تجزیه و خارج می‌شود و ماده‌ای غنی از کربن باقی می‌ماند.

سپس ماده کربنی در دمای بالا با بخار آب یا دی‌اکسید کربن واکنش می‌دهد. این واکنش بخشی از کربن را مصرف می‌کند و باعث گسترش منافذ داخلی می‌شود، همین منافذ سطح لازم برای جذب ترکیبات را ایجاد میکنند.

برای نمونه، در یک پژوهش صنعتی منتشرشده در نشریه فرآیند نو، پوسته گردو در دمای ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد کربنیزه و سپس در دمای ۸۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه با بخار آب و دی‌اکسید کربن فعال شده است. این اعداد دستور ثابت همه خطوط تولید محسوب نمی‌شوند.

۳. تولید کربن فعال به روش شیمیایی

در این روش، پوسته خردشده با ماده‌ای مثل اسید فسفریک آغشته می‌شود و سپس تحت شرایط کنترل‌شده حرارت می‌بیند. ماده فعال‌کننده بر تجزیه پوسته و شکل‌گیری ساختار متخلخل اثر می‌گذارد.

نسبت ماده فعال‌کننده به پوست گردو، مدت آغشته‌ سازی و شرایط حرارت‌دهی متغیر هستند. پس از حرارت‌دهی و خنک‌شدن، محصول شسته می‌شود تا باقی‌مانده‌ های قابل حذف ماده فعال‌کننده و محصولات جانبی کمتر شوند. در پژوهشی درباره کربن فعال پوست گردو، که متن کامل آن در PubMed Central (PMC)  در دسترس است، آمده است:

“the textural parameters of the carbonaceous adsorbents prepared depended on the type of activating agent used for their production.”

«ویژگی‌های ساختار متخلخل جاذب‌های کربنی تولیدشده، به نوع ماده فعال‌کننده مورد استفاده در تولید آن‌ها بستگی داشت.»

این نتیجه نشان می‌دهد که حتی با ماده اولیه یکسان، انتخاب روش و ماده فعال‌کننده می‌تواند به تولید کربن‌هایی با ساختار منافذ متفاوت منجر شود.

۴. آماده‌سازی و بررسی محصول نهایی

عملیات پایانی با توجه به روش تولید و مصرف محصول تعیین می‌شود. کربن ممکن است به شست‌وشوی تکمیلی نیاز داشته باشد. بعد از آن خشک و برای رسیدن به اندازه موردنظر، آسیاب یا الک می‌شود.

قبل از بسته‌بندی، مشخصاتی مانند رطوبت، خاکستر، عدد یدی و در صورت نیاز، سختی و سطح ویژه بررسی می‌شوند. این آزمون‌ها نشان می‌دهند مشخصات محصول تولیدی به چه صورت است.

مقایسه دو روش فعال‌سازی پوست گردو

جدول زیر، شرایط دو روش بررسی‌شده در یک پژوهش روی پوست گردو را نشان می‌دهد.

منبع: مطالعه مقایسه فعال‌سازی فیزیکی و شیمیایی پوست گردو در PubMed Central 

تجهیزات موردنیاز برای تولید زغال با پوست گردو

تجهیزات این پروسه با توجه به روش تولید و ظرفیت خط انتخاب می‌شوند. تجهیزات فعال‌سازی فیزیکی و شیمیایی تفاوت ‌هایی دارند:

• خردکن و سرند: پوسته ‌های سخت گردو ابتدا با خردکن کوچک می‌شوند. سپس سرند، ذرات با اندازه مناسب را جدا می‌کند تا برای ورود به فرایند آماده شوند.
• خشک‌کن: برای کم شدن رطوبت پوسته‌ها استفاده می‌شود. اگر محصول پس از فعال‌سازی شسته شود، در ادامه نیاز است آن هارا خشک کنیم.
• کوره یا راکتور حرارتی: کربن‌سازی و فعال‌سازی در این بخش انجام می‌شوند. تجهیزات باید امکان تنظیم دما، مدت حرارت‌دهی و کنترل محیط گازی را متناسب با روش تولید فراهم کنند.
• سامانه تأمین بخار یا گاز: در روش فیزیکی، برای رساندن بخار آب یا دی‌اکسید کربن به راکتور و تنظیم جریان آن‌ها استفاده می‌شود.
• مخزن آغشته‌سازی: در روش شیمیایی، پوسته‌ها در این بخش با محلول فعال‌کننده مخلوط می‌شوند. جنس مخزن و اجزای آن باید با ماده شیمیایی مصرفی سازگار باشد.
• تجهیزات شست‌وشو و جداسازی: مخصوصا پس از فعال‌سازی شیمیایی، برای کاهش باقی‌مانده‌های قابل حذف و جداکردن کربن از مایع شست‌وشو کاربرد دارند.
• بخش خنک‌کردن: کربن داغ خروجی از کوره باید در شرایط کنترل‌شده خنک شود تا برای عملیات بعدی آماده باشد.
• آسیاب و سرند نهایی: برای تولید محصول پودری، کربن آسیاب می‌شود؛ برای محصول گرانولی نیز دانه‌ها با سرند در محدوده اندازه موردنظر جدا می‌شوند.

کاربردهای کربن فعال تولید شده از پوست گردو

پوست گردو پس از کربن‌سازی و فعال‌سازی، به جاذبی تبدیل می‌شود که می‌تواند بعضی ترکیبات ناخواسته را از مایعات یا جریان‌های گازی جدا کند. مهم‌ترین زمینه‌های استفاده آن عبارت‌اند از:

• تصفیه آب: کربن فعال پایه گردو می‌تواند برای جذب برخی ترکیبات آلی و آلاینده‌های مشخص به کار رود. جذب فلزاتی مانند سرب هم در پژوهش‌ها بررسی شده است.
• تصفیه پساب صنعتی: در بعضی فرایندها، پساب پس از تصفیه اولیه همچنان حاوی رنگ و ترکیبات آلی است. کربن پایه گردو می‌تواند برای کاهش بخشی از این ترکیبات بررسی شود. مطالعات روی این کربن، جذب مواد رنگ‌زا، برخی پلیمرها و مواد فعال سطحی را نشان داده‌اند.
• تصفیه هوا و کنترل بو: استفاده در فیلترهای جذب بخارات و ترکیبات بو‌زا، یکی از زمینه‌های استفاده از کربن فعال پایه گردو است. در این کاربرد، ساختار منافذ و تناسب محصول با گاز هدف اهمیت دارد؛ برای گازهایی مانند آمونیاک یا سولفید هیدروژن، عملکرد گرید انتخاب‌شده باید مشخص باشد.
• رنگ‌زدایی در صنایع غذایی: کربن فعال در بعضی خطوط تولید برای کاهش رنگ و جداسازی ترکیبات ناخواسته استفاده می‌شود. کربن پایه گردو نیز در صورت داشتن مشخصات و مدارک مناسب مصرف غذایی، می‌تواند برای این فرایندها ارزیابی شود.
• صنایع دارویی: کربن فعال در برخی فرایندهای تولید دارو برای رنگ‌زدایی و جذب ناخالصی‌ها استفاده می‌شود. کربن فعال پایه گردو نیز در صورت تأیید خلوص، عملکرد و مشخصات موردنیاز، می‌تواند برای این کاربردها بررسی شود.

مقایسه کربن پوست گردو با سایر پایه‌ها

ماده اولیه بر ویژگی‌های کربن فعال اثر می‌گذارد، اما روش تولید و فعال‌سازی هم تعیین‌کننده است. برای مقایسه کربن پوست گردو با پایه‌های دیگر، باید ساختار منافذ و تناسب محصول با کاربرد موردنظر را در نظر گرفت. در ادامه بعضی از منابع ساخت کربن اکتیو را بیان میکنیم.

کربن فعال پوست نارگیل: کربن پایه نارگیل معمولاً منافذ ریز فراوانی دارد و برای جذب ترکیبات کوچک‌تر گزینه مناسبی است. این ویژگی باعث شده گریدهای مختلف آن در تصفیه آب و دیگر فرایندهای جذب استفاده شوند.

کربن فعال زغال‌سنگ: کربن پایه زغال‌سنگ با توجه به نوع زغال و روش تولید، ویژگی‌های متفاوتی دارد. برخی گریدهای بیتومینه، ساختار منافذ متنوع و دوام مناسبی برای استفاده در بسترهای تصفیه و احیای مجدد دارند.

کربن فعال چوب: در کربن پایه چوب، روش فعال‌سازی می‌تواند به توسعه منافذ متوسط و درشت کمک کند. این ساختار برای جذب بعضی ترکیبات بزرگ‌تر اهمیت دارد و هنگام انتخاب کربن برای رنگ‌زدایی باید بررسی شود.

مزایای تولید کربن اکتیو از پوست گردو

مزیت پوست گردو فقط در دسترس بودن آن نیست. این پوسته می‌تواند به‌جای دورریز شدن، ماده اولیه تولید یک جاذب صنعتی باشد. مهم‌ترین مزایای استفاده از آن:

• مقرون به صرفه بودن و کاهش هزینه ماده اولیه: در نزدیکی مراکز فرآوری گردو، جمع‌آوری پوسته می‌تواند از نظر هزینه تأمین و حمل‌ونقل به‌صرفه باشد. همچنین پوست گردو در مقایسه با منابع تولیدی دیگر مثل پوست نارگیل گزینه ای در دسترس و کم هزینه تر است.
• ایجاد ارزش افزوده از ضایعات: تبدیل پوسته گردو به کربن فعال، امکان استفاده صنعتی از یک محصول به عنوان ضایعات کشاورزی را فراهم می‌ کند.
• استفاده از منبع تجدیدپذیر: پوسته گردو همراه با برداشت و فرآوری محصول کشاورزی تأمین می‌شود و می‌تواند بخشی از نیاز به مواد اولیه فسیلی مانند زغال‌سنگ را جایگزین کند.
• امکان تنظیم ویژگی‌های جذب: با تغییر ماده فعال‌کننده و شرایط حرارت‌دهی، می‌توان ساختار منافذ و عملکرد جذب کربن پوست گردو را تغییر داد. این امکان به تولیدکننده کمک می‌کند محصول را برای کاربرد مشخصی توسعه دهد و نتیجه را با آزمون بررسی کند.

جمع‌بندی

پوست گردو فراتر از یک ضایعات کشاورزی، ماده اولیه‌ای ارزشمند برای تولید کربن فعال است. ساختار سخت و میزان کربن بالای این ماده، امکان تولید جاذبی متخلخل را فراهم می‌کند که با انتخاب روش فعال‌سازی مناسب و کنترل شرایط تولید، می‌تواند در صنایع مختلف استفاده شود.

استفاده از پوست گردو و سایر مواد اولیه گیاهی، علاوه بر ایجاد ارزش افزوده برای پسماندهای کشاورزی، فرصت مناسبی برای توسعه تولید داخلی کربن فعال فراهم می‌کند. 

کربن فعال پارس به‌عنوان تولیدکننده کربن فعال با پایه گیاهی، با بهره‌گیری از مواد اولیه‌ای مانند پوست گردو و هسته میوه‌ها، در زمینه تولید و تأمین انواع کربن فعال برای کاربردهای صنعتی فعالیت می‌کند. این مجموعه با تمرکز بر تولید کربن فعال متناسب با نیاز صنایع مختلف، تلاش دارد بخشی از نیاز بازار داخلی به جاذب‌های کربنی را تأمین کند.

سؤالات متداول

کربن فعال پوست گردو چه کاربردهایی دارد؟

کربن فعال پایه گردو می‌تواند برای جذب برخی آلاینده‌ها در تصفیه آب و فاضلاب و کاربردهای رنگ‌بری استفاده شود. نوع مصرف به ویژگی‌های محصول بستگی دارد؛ استفاده در صنایع غذایی و دارویی نیز به گرید مناسب و تأیید مشخصات محصول نیاز دارد.

آیا تولید کربن اکتیو از پوست گردو صرفه اقتصادی دارد؟

از انجایی که پوسته گردو در مقایسه با سایر منابع گزینه ای در دسترس تر است  هزینه مواد اولیه کمتر است و همین موضوع باعث مقرن به صرفه بودن آن میشود. چ

برای فعال‌سازی پوست گردو از چه موادی استفاده می‌شود؟

در روش فیزیکی از بخار آب یا دی‌اکسید کربن استفاده می‌شود. در روش شیمیایی، موادی مانند اسید فسفریک به کار می‌روند؛ انتخاب فعال‌کننده به فرایند تولید و ویژگی‌های موردنظر محصول بستگی دارد.

تولید کربن فعال از پوست گردو چه تأثیری بر محیط‌زیست دارد؟

این کار به استفاده دوباره از پسماند کشاورزی کمک می‌کند و می‌تواند دورریز یا سوزاندن پوسته‌ها را کاهش دهد. البته خود فرایند تولید هم مصرف انرژی و گازهای خروجی دارد و در صورت شست‌وشو، پساب هم ایجاد می‌کند. اما در مقایسه با موادی مثل زغال سنگ، با محیط زیست سازگار تر است.