فیلتر کربن

فیلتر کربنی چیست؟ کربن فعال ترکیبی است که به دلیل خواص ویژه ای که دارد می تواند برای فیلتر کردن ترکیبات آلی، انواع بوها و بسیاری از آلاینده های گازی مورد استفاده قرار بگیرد. از فیلتر کربن به عنوان یک تصفیه قوی برای آب و هوا استفاده می شود. این ترکیب می تواند مولکول های گازی را در بستری از زغال به دام بیندازد و یا در تصفیه آب مواد آلی را از آب جدا کند. در ادامه این مقاله با فیلترهای کربنی بیشتر آشنا خواهیم شد.

تاریخچه استفاده از فیلتر کربن

چگونه انسان ها فهمیدند که کربن می تواند در فیلتر کردن آلاینده ها موثر باشد؟ به احتمال زیاد اولین استفاده برای پاک کردن ناخالصی های موجود در فلز ذوب شده برای ساخت برنز بوده است. به نظر می رسد مصری ها اولین کسانی هستند که از آن در پزشکی برای از بین بردن بوی عفونت استفاده کردند. همچنین ملوانان در قرن 16 تا 18 اغلب آب آشامیدنی خود را در بشکه هایی ذخیره می کردند که داخل آن سوخته یا با ذغال آغشته شده بودند تا آب را در سفرهای طولانی تازه نگه دارند.

در جنگ جهانی اول، ماسک های گازی از فیلترهای زغالی برای از بین بردن برخی از گازهای مهلک استفاده میشد اما فقط در برابر برخی از سموم موثر بود. تولید و استفاده از کربن فعال فقط پس از جنگ جهانی دوم رشد چشمگیری داشت و در نهایت منجر به تولید فیلترهای هوای کربن مدرن و همچنین فیلترهای آب شد.

انواع فیلتر کربنی

فیلترهای کربنی بر اساس اندازه ذرات کربن و نوع کربن استفاده شده، به سه دسته کلی تقسیم بندی می شود:

  • فیلتر کربنی دانه ای (گرانوله ای)
  • فیلتر کربنی بلوک
  • فیلتر کربنی پودری

فیلترهای گرانولی تصفیه را با دانه های کربنی انجام می دهد. در این نوع فیلتر، به علت درشت بودن اندازه دانه ها، میزان سطح تماس کمتر است. به همین میزان قابلیت آن در تصفیه آب کمتر است. نوع فیلتر بلوکی، اندازه دانه های بزرگتری نسبت به گرانولی دارد. بنابراین بازده کمتری در تصفیه دارد اما مهم ترین کاربرد آن تصفیه ذرات معلق موجود در آب است. در نوع فیلتر پودری، بیشترین میزان سطح تماس وجود دارد. زیرا اندازه ذرات آن خیلی کوچک است و به همین دلیل سطح تماس بیشتری دارد. 

بیشتر بخوانید: کربن فعال چیست؟

کاربردهای فیلتر کربن

  • تصفیه هوا
  • تصفیه آب آشامیدنی
  • تصفیه آب استخر
  • اسمز معکوس
  • تصفیه فاضلاب

کاربرد فیلتر کربن در تصفیه هوا

فیلترهای کربن به علت مساحت سطح بالایی که دارند، مکان های فعال بسیاری برای جذب آلاینده های گازی و همچنین گازهای آلی موجود در هوا دارند. امروزه مطالعات بسیاری در این زمینه انجام شده، که نشان دهنده موثر بودن این مواد در تصفیه هوا هستند. 

فیلترهای هوای کربن چگونه آلاینده های گازی را به دام می اندازند؟

فیلترهای هوای کربن با فرایندی که به عنوان جذب شناخته می شود، آلاینده ها را از هوا خارج می کنند بنابراین می توانند منجر به کاهش گازهای گلخانه ای شوند. توجه داشته باشید که این با جذب متفاوت است. در جذب، ماده ای که می خواهید حذف کنید (مانند آب) در ساختار جاذب جذب می شود (مانند اسفنج)، اما در سطح مولکولی به بخشی از جاذب تبدیل نمی شود. بنابراین، وقتی آب را با اسفنج جذب می کنید، آب از نظر شیمیایی به اسفنج متصل نمی شود. فقط فضای داخل آن را پر می کند.

تفاوت جذب سطحی و جذب

از طرف دیگر، فیلترهای کربن از جذب سطحی (adsorption) استفاده می کنند نه جذب (absorption). تفاوت کلیدی در همین جاست. در طول جذب سطحی مواد مانند آلاینده ها، به قسمت خارجی کربن می چسبند در حالیکه در فرآیند جذب آلاینده ها در داخل ساختار جذب می شوند مانند مثال اسفنج.

مکانیزم عمل فیلتر کربن در تصفیه هوا

کربن شبکه ای از اتم های کربن متصل به هم است. فرآیند فعال سازی کربن بسیار مهم است زیرا باعث می شود گازها فضای بیشتری برای جذب داشته باشند. هنگامی که یک مولکول گازی به سطح کربن برخورد می کند، به شرط اینکه محلی برای جذب وجود داشته باشد، می تواند به سطح بستر بچسبد. روند جذب باعث می شود فیلترهای هوای کربن مواد شیمیایی آلی (گازها) را از هوا فیلتر کنند. مشکل بستر کربن فعال این است که با گذشت زمان ، آلاینده های گازی به طور فزاینده ای محل های جذب را پر می کنند.

فیلتر کربن در تصفیه هوا

پس از اشباع بستر، فیلتر دیگر نمی تواند آلاینده ها را به دام بیندازد. در حقیقت، مواد شیمیایی با میل بیشتر برای یک محل جذب می توانند با مواد شیمیایی که میل کمتری دارند جابجا شوند. میل ترکیبی یک ماده شیمیایی خاص برای جاذب بسیار به شرایط محیط مانند دما و رطوبت نسبی بستگی دارد.  بنابراین، با تغییر شرایط، ممکن است مواد شیمیایی مختلفی از فیلتر خارج شود. وقتی یک فیلتر هوای کربنی اشباع شد، ممکن است متوجه بوی عجیبی از آن شوید. این یک شاخص قوی است که زمان آن رسیده است که فیلتر کربن خود را تغییر دهید.

فیلتر کربن برای جذب چه چیزهایی خوب است؟

  • جذب ترکیبات آلی فرار: فیلترهای هوای کربنی در فیلتراسیون ترکیبات آلی فرار از هوا بسیار موثرند. بسیاری از دیگر انواع فیلترهای هوا مانند HEPA نمی توانند این ترکیبات آلی گازی را جذب کنند. برخی از گازهای موجود در دود سیگار یا گازهایی که در اثر خشک کردن رنگ یا محصولات تمیز کننده خارج می شوند، می توانند توسط فیلتر کربن از هوا خارج شوند. بنزن، تولوئن، زایلن و برخی از ترکیبات کلر از جمله ترکیباتی هستند که می توانند توسط فیلترهای کربن جذب شوند.
  • بوها: دستگاه های تصفیه مکانیکی هوا که فقط می توانند ذرات را فیلتر کنند نمی توانند بوی نامطبوع را از بین ببرند. بنابراین افراد اغلب از فیلترهای کربنی برای از بین بردن بوها استفاده می کنند، البته فیلترهای کربنی نیز نمی توانند همه بو ها را جذب کنند.

کاربرد فیلتر کربن در تصفیه آب

از فیلتر کربن غالبا برای تصفیه آب آشامیدنی استفاده می شود. این مواد می توانند به طور موثری مواد شیمیایی آلی سنتزی، کلرین، ترکیباتی که بر بو و مزه تاثیر می گذارند، و ترکیبات آلی طبیعی را به خود جذب کنند. با این حال، دیگر ترکیبات شیمیایی، مانند آهن و نیترات، جذب کربن نمی شوند و بنابراین با این فیلتر از آب حذف نمی شوند. برای حذف این مواد باید از فیلترهای دیگر مانند اسمز معکوس و یا شن سبز استفاده کنند.

فیلتر کربن تصفیه آب چیست؟

این فیلتر از مواد آلی (مانند پوسته نارگیل یا زغال) که حاوی کربن زیادی هستند ساخته می شود. گرما، در غیاب اکسیژن، برای افزایش (فعال کردن) مساحت سطح کربن استفاده می شود. به همین علت گاها به این ترکیبات فیلترهای زغالی نیز گفته می شود. کربن می تواند مواد شیمیایی خاصی که در آب حل شده اند با جذب سطحی، از آب حذف کنند. وقتی آب از فیلترهای کربن فعال عبور می کند، مواد شیمیایی به کربن می چسبند و در نتیجه آب خالص تری تولید می شود. اثر بخشی به جریان و درجه حرارت آب بستگی دارد. بنابراین بیشتر فیلترهای کربن کوچکتر باید با فشار کم و آب سرد استفاده شوند. علاوه بر مساحت، فیلترهای کربن فعال از نظر اندازه آلاینده هایی که از بین می برند، قابلیت های مختلفی دارند.

فیلتر کربن تصفیه آب

یکی از بهترین نوع این ترکیبات، کربن فعال تهیه شده با پوسته های نارگیل است که ثابت شده بهترین بازده را دارد. این ترکیب همچنین می تواند از چوب یا ذغال ساخته شود و به صورت بلوک یا گرانول استفاده شود. عامل دیگر اندازه ذراتی است که فیلتر به آن ها اجازه عبور می دهد. در این مورد کربن فعال گرانول (GAC) محدودیت خاصی ندارد زیرا جزو مواد متخلخل است. اندازه منافذ در بلوک های کربنی حدود 0.5 نت 10 میکرون است. اندازه منافد باعث می شود جریان آب کاهش یابد و در تصفیه آن اختلال ایجاد شود.

فیلتر کربن چه ترکیبات شیمیایی را می تواند حذف کند؟

کربن فعال به طور موثری می تواند صدها ماده شامل آلودگی ها و دیگر مواد شیمیایی را از سطح آب حذف کند. مطالعات نشان می دهد که این ترکیبات می توانند حدود 60-80 ماده شیمیایی را به طور موثر حذف کنند. همچنین 30 ماده را کاملا کاهش داده و 20 ماده دیگر را به میزان متوسط کاهش می دهند. میزان دامنه حذف موثر مهم است و به کیفیت کربن استفاده شده و شکل آن بستگی دارد (گرانول در مقابل بلوک کربن). طبق توصیه آژانس حفاظت از محیط زیست در ایالات متحده (EPA)، کربن فعال تنها فیلتر مناسب برای تصفیه مواد زیر می باشد:

  • همه 32 آلودگی آلی شامل THMs (محصول جانبی در واکنش کلرین)
  • تمام 14 پیش ماده لیست شده (شامل نیترات ها، گلیکوفسفات ها)
  • کل 12 علف کش های لیست شده

در ادامه برخی از این مواد را نام برده و توضیح خواهیم داد.

  • کلر (Cl)

اغلب آب های نوشیدنی در اروپا و آمریکای شمالی بسیار مورد آزمایش قرار گرفته و مورد تایید برای نوشیدن هستند. با این حال، برای ایمن سازی آن، کلر اضافه می شود که ممکن است باعث طعم و بوی بد آن شود. فیلترهای کربنی در از بین بردن کلر و بوی نامطبوع و بوی آن بسیار عالی هستند. فیلترهای با کیفیت بالا می توانند 95٪ یا بیشتر کلر آزاد را از بین ببرند.

  • محصولات جانبی کلر

یکی از نگرانی ها در آب های آشامیدنی، وجود محصولات جانبی کلر مانند تری هالومتان ها (THM) است که به طور بالقوه سرطانی شناخته می شوند. کربن فعال در از بین بردن این مواد بیش از هر فیلتری موثر است.

  • کلرید (Cl)

کلرید یک ماده معدنی طبیعی است که به حفظ حجم مناسب خون، فشار خون و pH مایعات بدن کمک می کند. با این حال، کلرید زیاد در آب طعم نمکی ایجاد می کند. کلرید یک جز طبیعی در آب آشامیدنی است و هیچ جنبه بهداشتی منفی ندارد. این بخشی از فرآیند کلرزنی آب برای حذف باکتری ها و ویروس های مضر است. بنابراین نیازی به حذف آن نیست. با این وجود کربن فعال معمولا 50 تا 70 درصد کلرید را جذب می کند.

  • آفت کش ها

سموم دفع آفات، معمولا پس از استفاده وارد آب های زیرزمینی، دریاچه ها و گاهی آب لوله کشی می شوند. فیلتر کربن برای از بین بردن 14 نوع از شایع ترین سموم دفع آفات از جمله کلردان، کلردکون، گلی فسفات، هپتاکلر و لیندان موثر است.

فیلتر کربن در فیلتراسیون آفت کش ها

  • علف کش ها

علف کش ها موادی هستند که برای کنترل رشد علف های هرز استفاده می شوند. کربن فعال برای از بین بردن 12 علف کش رایج از جمله 2،4-D و آترازین آزمایش می شود.

  • نیترات (NO32-)

نیترات یک ماده حیاتی برای رشد گیاهان است. این ترکیبات هیچ اثر مضری بر روی بزرگسالان ندارد، مگر اینکه مقدار آن بسیار زیاد باشد. با این حال، نیترات زیاد در آب می تواند باعث بیماری “کودک آبی” (کمبود اکسیژن) شود. نیترات موجود در آب لوله کشی در وهله اول از کودها، سیستم های سپتیک و عملیات ذخیره یا پخش کود ایجاد می شود. کربن فعال بسته به کیفیت فیلتر به طور معمول نیترات را بین 50-70٪ کاهش می دهد.

  • PFOS

PFOS ها ترکیبات شیمیایی سنتزی هستند که به عنوان مثال در فوم های اطفا حریق و آبکاری فلزات استفاده می شود. طبق مطالعه ای که توسط اداره محیط زیست OECD در سال 2002 انجام شد “PFOS برای گونه های پستانداران پایدار، تجمع زیستی و سمی است”. مشخص شده است که فیلتر کربن باعث حذف موثر PFOS از جمله PFAS ، PFOA و PFNA می شود.

  • فسفات ها (PO43-)

این ترکیبات مانند نیترات ها، برای رشد گیاهان ضروری است. فسفات یک بازدارنده خوردگی قوی است. غلظت بالای فسفات هیچ خطری برای سلامتی انسان نشان نداده است. معمولاً به آب آشامیدنی فسفات اضافه می کنند تا از شسته شدن سرب و مس از لوله ها و وسایل جلوگیری کنند. فیلترهای کرینی با کیفیت بالا معمولاً 70-90٪ فسفاتها را از بین می برند.

  • میکروپلاستیک ها

وقتی زباله های پلاستیکی وارد آبراه ها می شوند، مانند مواد طبیعی تخریب نمی شوند. در عوض، قرار گرفتن در معرض اشعه خورشید، واکنش به اکسیژن و تخریب با عناصر فیزیکی مانند امواج و شن و ماسه باعث می شود که بقایای پلاستیک به قطعات ریز تبدیل شود. کوچکترین میکروپلاستیک های شناسایی شده در گزارش های عمومی 2.6 میکرون است. یک بلوک کربنی 2 میکرونی مانند TAPP 2 تمام میکروپلاستیک های بزرگتر از 2 میکرون را از بین می برد.

فیلتر کربن در میکروپلاستیک ها

بیشتر بخوانید: میکروپلاستیک ها و خطرات آن ها

  • لیتیوم (Li+)

لیتیوم به طور طبیعی در آب آشامیدنی وجود دارد. اگرچه مقدار آن بسیار کم است اما معمولا به عنوان یک عامل ضد افسردگی عمل می کند و هیچ ضرری برای بدن انسان ندارد. لیتیم را می توان در آب شور، آب های زمین گرمایی، و آب نمک های میدان نفت و گاز یافت. فیلترهای کربنی مانند TAPP، 70-90 درصد این عنصر را جذب می کنند.

  • داروسازی

استفاده همه جانبه از داروها منجر به تخلیه نسبتاً مداوم داروها و متابولیت آنها در فاضلاب شده است. داروها ممکن است از پساب های تأسیسات تولیدی یا تولیدی کنترل نشده به منابع آب منتقل شوند. فیلترهای بلوک کربن با کیفیت بالا مانند TAPP 2 ، 95٪ از داروها را حذف می کند.

فیلترهای کربنی چه موادی را نمی توانند جذب کنند؟

در کنار پتانسیل بالای ترکیبات کربنی در جذب ترکیبات شیمیایی، برخی از مواد هستند که جذب فیلترهای کربنی نمی شوند. ترکیباتی مانند:

  • منیزیوم، پتاسیم، سدیم و کلسیم
  • اسیدهای معدنی محلول، نمک ها یا فلزات مانند آهن
  • برخی ترکیبات میکروبیولوژی مانند ویروس ها و باکتری های کوچک
  • ترکیبات معدنی مانند آرسنیک و آزبست
  • رادیو نوکلئویید ها

جمع بندی

فیلترهای کربنی موادی هستند که از کربن فعال تهیه شده اند. به طور عمده در تصفیه آب و تصفیه هوا مورد استفاده قرار می گیرند. این مواد به علت مساحت سطح بالایی که دارند می توانند به طور موثر بسیاری از آلاینده های موجود در هوا و آب را جذب کرده و آن ها را تصفیه کنند. برای تهیه آن ها از چوب یا پوسته نارگیل استفاده می شود. بسته به ماده اولیه نوع متفاوتی از فیلتر با خواص متفاوت ایجاد می شود. این فیلتر ها در کنار طیف وسیعی از مواد که می توانند جذب کنند، برخی از ترکیبات مانند آرسنیک و آزبست و… را نمی توانند فیلتر کنند. بنابراین برای فیلتراسیون آن ها باید از نوع دیگری از فیلترهای تصفیه استفاده کرد.

 

شاید به این مطلب نیز علاقمند باشید: 

تصفیه هوای خانه | چگونه هوای خانه را تصفیه کنیم ؟

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *