الفحم المنشط Activated Carbon
يعرف الفحم المنشط بأنه مادة مسامية كاربونية تمتلك سعة امتزاز عالية للغازات والمواد الكيميائية في الطور السائل وذلك لانها تتميز بثبات كيميائي عالٍ ومساحة داخلية متطورة وتنوع في الخواص السطحية والبنيوية (52) .ويمثل الكاربون المنشط واحداً من صور الكاربون غير المنتظم ويحضر عادة من المعاملة الكيميائية والحرارية للمواد العضوية والكاربونية بكونها مواد أولية وتعتمد الخواص الفيزيوكيميائية للفحم المنشط بشكل كبير على عمليات التنشيط وطبيعة المادة الأولية (53) .
ويختلف الكاربون المنشط عن باقي المواد المسامية المستخدمة في الصناعة وفي دراسات الأمتزاز مثل هلام السيليكا Silica Gel (SiO2) والألومينا Alumina (Al2O3) ، حيث يتميز باحتوائه على مسامات متباينة الحجوم ، وتبدأ من الحجوم الكبيرة التي يمكن ملاحظتها بسهولة بوساطة المجهر إلى المسامات الصغيرة التي تقارب حجومها حجوم الدقائق الممتزة المقاربة للحجوم الجزيئية ، كذلك يتميز الفحم المنشط بصفته غير القطبية وارتباط صفات الأمتزاز له بشكل صميمي من تراكيب المسامات ، وتقوم المسامات الدقيقة للفحم المنشط بدور أساسي في عملية الأمتزاز(54) .
ويتواجد نوعان من الكاربون المنشط هما الكاربون المنشط الحبيبي Granular Activated Carbon والذي يستخدم لامتزاز المواد الغازية والابخرة وينتج على شكل حبيبي ليسهل عملية مرور أو نفاذ الغازات خلال طبقاته(55). أما النوع الثاني فيدعى الكاربون المنشط بشكل مسحوق Powdered Carbon فيستخدم كمزيل للألوان (Decolornat) ، كما في إزالة الألوان في صناعة السكر وفي مجال تنقية المياه (56).
لأجل دراسة التركيب الجزيئي والبلوري للكاربون المنشط يجب دراسة كيمياء السطح لهذه المادة، إذ إنّه يشبه إلى حد كبير أسود الكاربون ، والفرق الوحيد بينهما صغر المساحة السطحية الداخلية للثاني . إن التركيب الأساسي لوحدة الكاربون المنشط وأسود الكاربون مشابه تقريباً لتركيب الكرافيت النقي من حيث عدد الطبقات وكل طبقة بحد ذاتها مكونة من حلقات سداسية مندمجة مع بعضها والمسافة بين طبقة وأخرى تساوي (3.35)°A والآصرة بين ذرات الكاربون تساوي (1.415) °A ، ويمكن ملاحظة هذا التركيب بوساطة حيود الأشعة السينية (X-Ray) لنماذج معدة لهذا الغرض (57) (58) . إن التركيب الكيميائي للكاربون المنشط يوضح عدم انتظامه وفقدانه لهيئته البلورية وقد يعزى ذلك إلى أن المجاميع المرتبطة بأواصر الكاربون_كاربون على سطح البلورة تُزال خلال عملية التنشيط منتجة مادة فعالة تحوي على تراكيب مسامية متنوعة وتعتمد حجم المسامات ومساحتها على ظروف عملية الكربنة والتنشيط (59) .
يحتوي الفحم المنشط كيميائياً بالإضافة إلى ذرات الكاربون في تركيبه على عناصر أخرى تكون مترابطة مع الكاربون مثل الهيدروجين والأوكسجين والكبريت ، وأصل هذه العناصر من المادة الأولية وتكون ناتجاً لعملية الكربنة غير المتكاملة أو قد ترتبط كيميائياً مع السطح خلال عملية التنشيط،كما أن لتواجد الهيدروجين والأوكسجين تأثيراً كبيراً على صفات الفحم المنشط (60) (61) .
3-7-1 تحضير الكاربون المنشط Preparation of Activated Carbon
يحضر الكاربون المنشط بالتفكك الحراري للمواد الكاربونية من مصادر نباتية مثل الخشب وأغلفة الثمار ويمكن تحضيره أيضا من البوليمرات المصنعة او من مصادر نفطية متنوعة , وبصورة عامة تشتمل طرائق إنتاج الكاربون المنشط على اختيار المادة الأولية تليها عمليتا الكربنة وعملية التنشيط , ويشترط عند اختيار المادة الأولية أن تكون رخيصة الثمن وذات محتوى كاربوني عالٍ ومحتواها من الرماد واطىء وتحتوي على كمية كافية من المواد الطيارة ذات الاهمية البالغة لتنتج كاربون منشط ذا مقاومة ميكانيكية عالية اثناء الاستعمال (62) (63) .
ان جميع المعالجات الكيميائية يجب ان تمر بعملية التفحيم ( الكربنة ) حيث تسخن المواد الكاربونية الأولية بمعزل عن الهواء بدرجات حرارية معينة لتخليص الكاربون من بعض المواد الداخلة في تركيبه والتي تتحول بدورها إلى مواد متطايرة وبعد عملية الكربنة تأتي عملية التنشيط التي تعمل على زيادة الكفاءة الامتزازية للفحم المحضر (64) (65) . ويتم تنشيط الناتج إمّا حراريا في جو خامل أو في جو من المواد المنشطة كالأوكسجين وثنائي اوكسيد الكاربون أو باستخدام بخار الماء أو كيميائيا باستخدام كلوريد الالمنيوم او كلوريد الخارصين (62) .
إن الهدف الأساسي لعمليات التنشيط هو زيادة عدد المسامات بالنسبة لوحدة المساحة مما يؤدي إلى زيادة المساحة السطحية النهائية ويمكن تقسيم عمليات التنشيط إلى ثلاث طرائق :
1. التنشيط الكيميائي Chemical Activation
حيث تتم العملية بتشبيع المادة الكاربونية ببعض المواد المحفزة مثل كلوريد الخارصين , الكاربونات القلوية , حامض الكبريتيك , حامض الفسفوريك , هيدروكسيد الليثيوم , هيدروكسيد الصوديوم ومن ثم تعامل المادة الكاربونية معاملة حرارية إذ تؤدي هذه العملية إلى إزالة الماء كما تؤدي إلى إحداث بعض تغيرات في التركيب الكيميائي للكاربون نفسه مؤدية الى تكوين كاربون ذي فاعلية واضحة تجاه بعض أنواع المواد والعوامل الكيميائية المعينة (55) .
2. التنشيط الحراري Thermal Activation
يستخدم في هذا النوع من التنشيط درجات حرارية تتراوح بين 350 –1000 درجة مئوية مع إمرار عدد من الغازات مثل ( Cl2 , CO2 , N2 , HCl ) حيث تؤدي هذه العملية إلى حرق جزء من المادة المتفحمة مع زيادة فعاليتها والتي تتناسب طرديا مع هذه الخسارة في المادة الأصلية (55) .
.3 التنشيط البخاري Steam Activation
يتم في هذا النوع من التنشيط معاملة المادة الأولية المكربنة مع بخار الماء الساخن عند درجة ( 900 – 1000 ) مئوي ويحدث التفاعل بين الكاربون والبخار في هذا المجال الحراري عند السطح الداخلي للكاربون , وبذلك تزداد المساحة السطحية للكاربون (65) .
4-7-1 استعمالات الكاربون المنشط Uses of Activated Carbon
نتيجة لما يمتلكه الكاربون المنشط من مواصفات مهمة مثل المساحة السطحية الكبيرة والصلابة العالية والمسامية العالية ومقاومته للتآكل والتلف والثبوتية العالية تحت ظروف التفاعل وتحمل الضغط وتنوع إنصاف أقطار المسامات فقد استخدم بصورة كبيرة ساندا للعوامل المساعدة (55) , ومن الأمثلة على ذلك استخدامه كساند لحفاز Pt-Sn المستخدم في هدرجة البنزين (66) , وكساند لحفاز النيكل المستخدم في تحويل الميثانول إلى خلات المثيل وحامض الخليك (67) .