ถ่านกัมมันต์ (Activated Carbon)

ถ่านกัมมันต์ (Activated Carbon หรือ Activated Charcoal) เป็นวัสดุที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลัก เนื่องจากพื้นผิวถูกทำปฏิกิริยาด้วย ออกซิเจน ส่งผลให้เกิดรูพรุน (Porosity) ขนาดเล็ก และ มีพื้นที่ผิว (Surface Area) สูงมาก ซึ่งลักษณะเด่นนี้ส่งผลให้ Activated Carbon มีคุณสมบัติในการเป็นตัวดูดซับที่ดีและถูกนำไปใช้ในการกรองเอาสารประกอบอินทรีย์ต่างๆที่ไม่ต้องการออกจากของเหลวหรือก๊าซ เช่น การเตรียมน้ำดื่มบริสุทธิ อุตสาหกรรมต่างๆที่ต้องใช้น้ำบริสุทธิ์ การบำบัดน้ำเสีย ใช้ในการฟอกสีของเหลวต่างๆ การทดลองวิจัยในการแยกและเตรียมสารเคมี ทางการแพทย์นำไปใช้ในการกำจัดพิษ การฟอกเลือด และอื่นๆ ใช้กรองกลิ่นและก๊าซที่ไม่ต้องการ
รูพรุนขนาดเล็กเกิดขึ้นจํานวนมากและมีขนาดแตกต่างกันตั้งแต่ระดับไมโครเมตร จนถึงระดับนาโนเมตร ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับวิธีการผลิตและวัตถุประสงค์ในการใช้งาน


รูปที่ 1 แสดงลักษณะของรูพรุนภายในของActivated Carbon

กระบวนการผลิต (Production)
Activated Carbon มีหลายชนิด ซึ่งมักเป็นพวกอินทรีย์สารที่ประกอบด้วยคาร์บอนและไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบส่วนใหญ่มักเป็นพวกเซลลูโลสที่มาจากพืชและต้นไม้เช่น ไม้ยางพารา ไม้ไผ่ เศษไม้เหลือทิ้ง และวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรเช่น
ขี้เลื่อย แกลบ กะลามะพร้าว โดยกระบวนการ
แอคทิเวต Carbon นั้นแบ่งได้เป็น 2 ชนิดหลักๆดังนี้
1. Chemical Activation เป็นเทคนิคที่ใช้ในการแอคทิเวตวัตถุดิบประเภทไม้และถ่านพีต วัตถุดิบจำพวกนี้จะถูกทำให้อิ่มตัวด้วยสารDehydrating Agent ชนิดเข้มข้นจำพวกกรดฟอสเฟอริคหรือซิงค์ คลอไรด์ แล้วให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 500-800 °C
2. Stream Activation เป็นเทคนิคที่ใช้ในการแอคทิเวตวัตถุดิบประเภทกะลามะพร้าวและถ่านหินในสภาวะที่เต็มไปด้วยไอน้ำที่อุณหภูมิ 800-1100 °C
ทฤษฎีการดูดซับ (Principles of Adsorption)

ดังที่ได้กล่าวมาแล้วข้างต้นว่า Activated Carbon มีคุณสมบัติในการเป็นตัวดูดซับที่ดี ซึ่งกระบวนการ
ดูดซับนั้นเกิดจากการสร้างพันธะระหว่างแก๊สกับพื้นผิวของคาร์บอน โดยกระบวนการดูดซับถูกแบ่งออกได้เป็น 2 กระบวนการ คือ กระบวนการดูดซับเชิงกล (Physical Adsorption) และกระบวนการดูดซับเชิงเคมี(Chemisorption)

1. กระบวนการดูดซับเชิงกล (Physical Adsorption)
Physical Adsorption เป็นกระบวนการดูดซับโมเลกุลของแก๊สโดยอาศัยหลักการแพร่ (Diffusion or Brownian Movement) หรือ หลักกการดูดซับ/ควบแน่นโดยอาศัยแรงแวนเดอร์วาล์ส โมเลกุลของแก๊สจะเคลื่อนที่ไปบริเวณที่ว่างและแพร่เข้าสู่รูพรุน ซึ่งจะถูกดักจับไว้ในที่สุด
2.กระบวนการดูดซับเชิงเคมี (Chemisorption)
Chemisorption เป็นกระบวนการดูดซับที่เกิดขึ้นหลังจาก Physical Adsorption โดยเป็นการเกิดปฏิกิริยาเคมีระหว่างสารสองชนิด สารเคมีที่ได้จากการทำปฏิกริยาจะถูกดักจับโดยเนื้อใยกรอง
Activated Carbon ที่ถูกสังเคราะห์ขึ้นจะปรากฏได้หลายรูปแบบ ไม่ว่าจะเป็นแบบผง (Powder), เม็ดกลม (Bead), เม็ดเล็กละเอียด (Granular) เมื่อเปรียบเทียบกับ Activated Carbon แบบผง กับ Activated Carbon แบบเม็ดเล็กละเอียด พบว่า Activated Carbon แบบเม็ดเล็กละเอียด
เป็นที่นิยมใช้ในระบบการกรองอากาศมากกว่า เนื่องจากมีขนาดอนุภาคที่ใหญ่กว่าและมีพื้นผิวด้านนอกน้อยกว่า ทำให้โมเลกุลของแก๊สแพร่ผ่านได้ง่ายกว่า ส่งผลให้อัตราการแพร่เพิ่มมากขึ้น จึงนิยมใช้ในกระบวนการดูดซับไอต่างๆ

รูปที่ 2 แสดงภาพของ Granular Activated Carbon

ชนิดของ Activated Carbon Filter
ในระบบการกรองอากาศนั้นได้มีการนำ Activated Carbon มาเป็นส่วนประกอบใน Filter ซึ่งสามารถแบ่งตามการผลิตได้เป็น 2 ชนิดหลักๆด้วยกันคือ
1. Granular Multi-Layer Carbon Filter
2. Bonded Carbon Filter ดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 แสดงลักษณะโครงสร้างของ Granular Loose-Fill Filter และ Bonded Carbon Filter

Granular Multi-Layer Carbon Filter ประกอบด้วย ชั้นของเนื้อใยกรองและชั้นของ Activated Carbon แบบเม็ดเล็กละเอียด วางตัวกันอยู่อย่างหลวมๆภายใน Filter โดย Filter ประเภทนี้จะคงคุณสมบัติเชิงกลและเชิงเคมีของ Activated Carbon ไว้อย่างครบถ้วน แต่ในกรณีของ Bonded Carbon Filter
จะเป็นการสร้างพันธะระหว่าง Activated Carbon กับเนื้อใยกรองโดยใช้กระบวนการทางเคมีต่างๆ สารที่ใช้สร้างพันธะหรือที่รู้จักกันดีในชื่อของ Bonding Agent สารที่ใช้สร้างพันธะนั้นส่วนใหญ่จะเป็นพวกเรซิน เช่น Polystyrene ปริมาณของสารที่ใช้สร้างพันธะจะมีผลโดยตรงต่อความสามารถในการดูดซับของ Activated Carbon เนื่องจากพื้นที่ผิวของ Activated Carbon จะถูกปกคลุมด้วยสารที่ใช้สร้างพันธะ ส่งผลให้ความสามารถในการดูดซับไอต่างๆลดลงชั่วคราวหรือถาวรก็เป็นได้ ปกติแล้ว Carbon Filter ประเภทนี้เป็นที่นิยมสำหรับระบบกรองอากาศ เนื่องจาก มีความสะดวกมากกว่าและปราศจากปัญหาเรื่องฝุ่นผงที่มาจากตัวของ Activated Carbon เอง (dust-free) เพราะ Activated Carbon ได้ถูกทำเป็นเนื้อเดียวกันกับเนื้อใยกรอง
แต่อย่างไรก็ตามเนื่องจากอนุภาคของ Activated Carbon นั้นเปราะง่าย อาจจะทำให้อนุภาคนั้นหลุดหรือถูกทำให้เสียหายได้ถ้าขนส่งและจัดเก็บไม่ดี

ข้อดีของ Activated Carbon Filter
ลักษณะเด่นของ Activated Carbon Filter
คือความสามารถในการกำจัดแก๊ส, สารเคมี, ควัน,
รวมไปถึงกลิ่นไม่พึงประสงค์ต่างๆในอากาศ
ซึ่งสารเคมีที่ใช้ในการผลิต (Treat) Activated Carbon ที่แตกต่างกัน จะส่งผลให้ Activated Carbon ที่ได้มีความสามารถในการดูดซับไอของแก๊สที่แตกต่างกันด้วย

Tanatchporn Sirimekanont : Technical Product Support