توزیع اندازه ذرات کربن فعال

توزیع اندازه ذرات: کربن های فعال در طیف گسترده ای از گریدهای دانه ای و پودری موجود هستند. توزیع اندازه ذرات یک گرید با استفاده از غربال های آزمایشی تعریف می شود. اندازه ذرات مختلف کربن فعال مقاومت جریان متفاوتی را در برابر هوا یا آبی که در حال فیلتر کردن است ارائه می دهد.

بسته به موقعیت، طراحان سیستم اندازه ذرات مختلفی از کربن فعال مورد استفاده را مشخص خواهند کرد. به طور معمول، برای فیلتر هوا یا گازها، از اندازه های گرانول بزرگتر استفاده می شود. برای فیلتر کردن آب یا سیالات، از اندازه های گرانول کوچکتر استفاده می شود.

مقدمه

کربن فعال (Activated Carbon) یکی از مواد جاذب پرکاربرد در صنایع مختلف است که به‌دلیل سطح ویژه بالا، تخلخل زیاد و خاصیت جذب قوی، در تصفیه آب، گاز، هوا، مواد غذایی و دارویی مورد استفاده قرار می‌گیرد. اما یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های فیزیکی این ماده که تأثیر مستقیمی بر عملکرد آن دارد، توزیع اندازه ذرات (Particle Size Distribution) است.
در این مقاله، به‌طور جامع مفهوم توزیع اندازه ذرات، روش‌های اندازه‌گیری، اهمیت آن در کاربردهای مختلف و عوامل مؤثر بر کنترل اندازه ذرات کربن فعال را بررسی می‌کنیم.

---

مفهوم توزیع اندازه ذرات

در هر ماده‌ی پودری مانند کربن فعال، ذرات معمولاً دارای اندازه‌های یکسان نیستند. به همین دلیل، به‌جای ذکر “اندازه ذره”، از توزیع اندازه ذرات (Particle Size Distribution – PSD) استفاده می‌شود. این توزیع نشان می‌دهد که چه درصدی از کل ذرات در بازه‌های مختلف اندازه قرار دارند.

توزیع اندازه ذرات معمولاً با واحد میکرون (µm) بیان می‌شود و به‌صورت منحنی تجمعی یا هیستوگرام نمایش داده می‌شود. این منحنی نشان می‌دهد چه مقدار از ذرات کوچک‌تر یا بزرگ‌تر از یک اندازه مشخص هستند.

به طور کلی، دو پارامتر اصلی در PSD اهمیت دارند:

• D₅₀ (Median Diameter): اندازه‌ای که ۵۰٪ از ذرات کوچکتر از آن هستند.

• D₁₀ و D₉₀: اندازه‌هایی که به ترتیب ۱۰٪ و ۹۰٪ از ذرات کوچکتر از آن‌ها هستند.

نسبت D₉₀/D₁₀ شاخصی از یکنواختی اندازه ذرات محسوب می‌شود؛ هرچه این نسبت به ۱ نزدیک‌تر باشد، توزیع یکنواخت‌تر است.

---

انواع کربن فعال بر اساس اندازه ذرات

کربن فعال به سه گروه اصلی تقسیم می‌شود:

1. کربن فعال پودری (PAC – Powdered Activated Carbon):
   اندازه ذرات معمولاً بین ۵ تا ۱۰۰ میکرون است. این نوع برای تصفیه مایعات (مانند آب آشامیدنی یا پساب صنعتی) استفاده می‌شود زیرا ذرات کوچک، سطح تماس بیشتری فراهم می‌کنند و ظرفیت جذب بالاتری دارند.

2. کربن فعال دانه‌ای (GAC – Granular Activated Carbon):
   اندازه ذرات بین ۰٫۳ تا ۵ میلی‌متر است. این نوع برای فیلترهای بستر ثابت، برج‌های جذب و سیستم‌های فیلتراسیون گازی کاربرد دارد.

3. کربن فعال اکسترود شده یا استوانه‌ای (EAC – Extruded Activated Carbon):
   به صورت میله‌های استوانه‌ای با قطر ۲ تا ۵ میلی‌متر تولید می‌شود و در فیلترهای صنعتی گاز، سیستم‌های تهویه و جذب بخارات استفاده می‌شود.

---

اهمیت توزیع اندازه ذرات در عملکرد جذب

توزیع اندازه ذرات کربن فعال تأثیر مستقیمی بر سرعت جذب، ظرفیت نهایی، افت فشار در بستر، و سهولت احیا یا شستشو دارد. در ادامه اثرات اندازه ذرات را بررسی می‌کنیم:

۱. سطح تماس و ظرفیت جذب

ذرات کوچکتر دارای سطح ویژه بالاتر هستند و سرعت جذب آن‌ها بیشتر است، زیرا مسیر نفوذ کوتاه‌تر و سطح تماس با فاز سیال بیشتر است. در مقابل، ذرات بزرگ‌تر سرعت جذب پایین‌تری دارند ولی در کاربردهایی که جریان مداوم نیاز است، پایداری فیزیکی بالاتری دارند.

۲. افت فشار در سیستم

در سیستم‌های فیلتراسیون، هرچه ذرات ریزتر باشند، مقاومت عبور جریان (Pressure Drop) بیشتر می‌شود. بنابراین انتخاب اندازه ذرات باید بین بیشینه‌ی کارایی جذب و حداقل افت فشار متعادل شود.

۳. زمان تماس (Contact Time)

اندازه ذرات بر زمان اقامت سیال در بستر تأثیر دارد. ذرات درشت‌تر اجازه می‌دهند جریان سریع‌تر عبور کند ولی زمان تماس کمتر می‌شود. در مقابل، ذرات ریزتر موجب تماس طولانی‌تر و جذب مؤثرتر می‌شوند.

۴. سهولت احیا یا بازسازی

در کاربردهایی مانند جذب بخارات یا گازهای آلی، کربن فعال پس از اشباع قابل احیاست. ذرات درشت‌تر معمولاً احیای ساده‌تری دارند زیرا جریان بخار یا گاز داغ راحت‌تر در منافذ آن‌ها نفوذ می‌کند.

---

روش‌های اندازه‌گیری توزیع اندازه ذرات

برای تعیین PSD در کربن فعال، روش‌های مختلفی وجود دارد که بسته به اندازه و شکل ذرات انتخاب می‌شوند:

1. الک‌کردن (Sieve Analysis):
   ساده‌ترین و متداول‌ترین روش برای ذرات بزرگ‌تر از ۴۵ میکرون است. در این روش، نمونه از مجموعه‌ای از الک‌های استاندارد با اندازه مش مختلف عبور داده می‌شود و درصد وزنی هر کسر اندازه‌گیری می‌شود.

2. پراکندگی لیزری (Laser Diffraction):
   یکی از روش‌های دقیق و سریع برای ذرات ریزتر از ۱۰۰ میکرون است. این روش با اندازه‌گیری الگوی پراکندگی نور لیزر توسط ذرات، توزیع اندازه را محاسبه می‌کند.

3. میکروسکوپ نوری یا الکترونی (SEM):
   برای مشاهده مورفولوژی و شکل ذرات استفاده می‌شود و گاهی در کنار روش‌های آماری، برای تفسیر PSD به کار می‌رود.

4. آنالیز دینامیکی نور (DLS – Dynamic Light Scattering):
   برای ذرات بسیار ریز (نانومتری) کاربرد دارد و در مورد کربن فعال نانوساختار مفید است.

---

عوامل مؤثر بر توزیع اندازه ذرات کربن فعال

1. نوع ماده اولیه:
   پوسته نارگیل، زغال سنگ، چوب یا پلیمرهای آلی، هرکدام در فرآیند فعال‌سازی به اندازه ذرات و ساختار متفاوتی منجر می‌شوند.

2. روش تولید:

   • فعال‌سازی شیمیایی (Chemical Activation): معمولاً ذرات کوچک‌تر و تخلخل زیاد ایجاد می‌کند.

   • فعال‌سازی فیزیکی (Physical Activation): با استفاده از بخار یا CO₂ در دمای بالا انجام می‌شود و ذرات درشت‌تر و مقاوم‌تر تولید می‌کند.

3. آسیاب و غربالگری پس از تولید:
   پس از فعال‌سازی، ذرات ممکن است آسیاب شوند تا اندازه یکنواختی پیدا کنند. مرحله‌ی غربالگری نهایی توزیع PSD را تنظیم می‌کند.

4. رطوبت و چسبندگی:
   در کربن فعال‌های ریز، چسبندگی میان ذرات می‌تواند منجر به تجمع (Agglomeration) شود که ظاهر توزیع اندازه را تغییر می‌دهد.

---

نمودار توزیع اندازه ذرات (PSD Curve)

در صنایع تولید و کنترل کیفیت، PSD معمولاً به‌صورت نمودار درصد عبوری در مقابل اندازه ذره نمایش داده می‌شود. برای مثال:

• ۹۰٪ عبور از مش ۱۰۰ (۱۵۰ میکرون) → کربن پودری

• ۹۰٪ عبور از مش ۴ (۴٫۷۵ میلی‌متر) → کربن دانه‌ای

هر نوع کاربرد صنعتی، محدوده PSD خاص خود را دارد. به‌طور مثال در تصفیه آب آشامیدنی، کربن دانه‌ای با اندازه ۸×۳۰ مش رایج است.

Frequently Asked Questions + Granular Activated Carbon

---

کاربردهای مرتبط با PSD در صنایع

---

کنترل کیفیت و استانداردها

در صنعت کربن فعال، استانداردهای بین‌المللی مانند ASTM D5158, ASTM D2862 و ASTM D4607 برای تعیین اندازه ذرات و عملکرد جذب استفاده می‌شوند.
در کنترل کیفیت، نمودار PSD باید در محدوده‌ی مشخصی باشد تا کارایی محصول تضمین شود. در صورت وجود ذرات بسیار ریز، احتمال گرفتگی فیلتر یا ایجاد گرد و غبار بالا می‌رود. در مقابل، ذرات بیش از حد درشت ممکن است ظرفیت جذب کل را کاهش دهند.

---

جمع‌بندی

توزیع اندازه ذرات در کربن فعال یکی از پارامترهای حیاتی در طراحی، عملکرد و دوام سیستم‌های جذب و فیلتراسیون است. شناخت دقیق PSD به تولیدکنندگان کمک می‌کند تا محصول خود را برای کاربردهای خاص (مانند تصفیه آب، گاز یا هوا) بهینه کنند.
به طور خلاصه:

• ذرات کوچک → جذب سریع ولی افت فشار بالا.

• ذرات بزرگ → دوام بالا ولی جذب کندتر.

بنابراین، انتخاب توزیع اندازه‌ی مناسب، کلید دستیابی به کارایی حداکثری در استفاده از کربن فعال است.