การปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุตัวกรองคาร์บอนที่เปิดใช้งาน: เทคโนโลยีการดัดแปลงและแอปพลิเคชันพรมแดน

1. บทนำสู่ตัวกรองคาร์บอนที่เปิดใช้งาน

ตัวกรองคาร์บอนที่เปิดใช้งาน (AC) เป็นเทคโนโลยีหลักในกระบวนการกรองมานานกว่าศตวรรษซึ่งให้บริการโซลูชั่นที่สำคัญในสาขาต่าง ๆ ตั้งแต่การป้องกันสิ่งแวดล้อมไปจนถึงการใช้งานอุตสาหกรรม คาร์บอนที่เปิดใช้งานนั้นผลิตโดยวัสดุที่อุดมด้วยคาร์บอนให้ความร้อนเช่นเปลือกมะพร้าวถ่านหินหรือไม้ต่อหน้าออกซิเจนจำนวน จำกัด ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาของโครงสร้างที่มีรูพรุนสูง กระบวนการ "เปิดใช้งาน" นี้จะเปิดรูขุมขนเล็ก ๆ หลายล้านรูปีภายในวัสดุให้พื้นที่ผิวที่สูงมากซึ่งมักจะอยู่ระหว่าง 500 ถึง 1,500 ตารางเมตรต่อกรัม พื้นที่ผิวมหาศาลนี้รวมกับความสามารถของวัสดุในการดึงดูดและดักโมเลกุลทำให้คาร์บอนเปิดใช้งานเหมาะสำหรับการดูดซับกระบวนการที่มีการปนเปื้อนและยึดติดอยู่บนพื้นผิวของวัสดุ

การใช้งานคาร์บอนที่เปิดใช้งานในวงกว้างนั้นส่วนใหญ่เกิดจากความจุสูงสำหรับการดูดซับสารที่หลากหลายเช่นสารประกอบอินทรีย์ก๊าซและมลพิษ AC ใช้ในสาขาที่หลากหลายเช่น:

การบำบัดน้ำ: ในระบบบำบัดน้ำเทศบาลและอุตสาหกรรมคาร์บอนที่เปิดใช้งานจะกำจัดสารที่เป็นอันตรายเช่นคลอรีนสารกำจัดศัตรูพืชโลหะหนักและสารประกอบอินทรีย์ระเหย (VOCs) ตัวกรองคาร์บอนที่เปิดใช้งานเม็ด (GAC) และคาร์บอนที่เปิดใช้งานผง (PAC) เป็นประเภททั่วไปที่ใช้ในระบบกรองน้ำ

การฟอกอากาศ: ตัวกรองคาร์บอนที่เปิดใช้งานถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบกรองอากาศเพื่อกำจัดมลพิษเช่นสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย (VOCs), ฟอร์มาลดีไฮด์, แอมโมเนียและควันบุหรี่ ตัวกรองเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการปรับปรุงคุณภาพอากาศในอาคารที่อยู่อาศัยและอาคารพาณิชย์

กระบวนการอุตสาหกรรม: ในการใช้งานอุตสาหกรรมคาร์บอนเปิดใช้งานจะใช้ในการกู้คืนตัวทำละลายการทำให้บริสุทธิ์ของก๊าซและกระบวนการผลิตสารเคมีเพื่อกำจัดสารปนเปื้อนออกจากก๊าซหรือของเหลว

2. ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นของ ตัวกรองคาร์บอนเปิดใช้งาน

เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของตัวกรองคาร์บอนที่เปิดใช้งานนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรได้พัฒนาวิธีการหลายวิธีเพื่อเพิ่มความสามารถในการดูดซับการเลือกและความเสถียรของวัสดุ เทคนิคการปรับเปลี่ยนเหล่านี้ช่วยให้คาร์บอนที่เปิดใช้งานมีความเชี่ยวชาญมากขึ้นทำให้สามารถจัดการกับสารปนเปื้อนที่กว้างขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น

2.1. การทำงานของพื้นผิว

การทำงานของพื้นผิวเป็นเทคนิคที่ใช้ในการแนะนำกลุ่มเคมีที่เฉพาะเจาะจงบนพื้นผิวของคาร์บอนที่เปิดใช้งาน กลุ่มการทำงานเหล่านี้สามารถเพิ่มความสัมพันธ์ของวัสดุสำหรับสารปนเปื้อนโดยเฉพาะเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้งานในแอปพลิเคชันเป้าหมาย วิธีสำคัญของการดัดแปลงพื้นผิว ได้แก่ :

การรักษาด้วยออกซิเดชัน: โดยการเปิดเผยคาร์บอนที่เปิดใช้งานไปยังสารออกซิไดซ์เช่นกรดไนตริกหรือโอโซนกลุ่มการทำงานที่มีออกซิเจน (เช่นคาร์บอกซิลไฮดรอกซิลและกลุ่มคาร์บอนิล) ถูกนำมาใช้บนพื้นผิวคาร์บอน กลุ่มการทำงานเหล่านี้เพิ่มความสามารถของวัสดุในการดูดซับสารประกอบขั้วเช่นโมเลกุลอินทรีย์โลหะและก๊าซบางชนิด

Amination: การแนะนำกลุ่มเอมีนลงบนพื้นผิวของคาร์บอนที่เปิดใช้งานช่วยเพิ่มความสามารถในการดูดซับก๊าซที่เป็นกรดเช่นคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) และไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) เช่นเดียวกับมลพิษอินทรีย์บางชนิด การปรับเปลี่ยนนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับระบบการกรองอากาศซึ่งจำเป็นต้องมีการกำจัดก๊าซที่เป็นกรด

การโหลดไอออนโลหะ: การรวมไอออนของโลหะเช่นเงินทองแดงและเหล็กเข้ากับพื้นผิวคาร์บอนที่เปิดใช้งานจะช่วยเพิ่มไซต์ที่ใช้งานได้ซึ่งช่วยเพิ่มความสามารถในการดูดซับสิ่งปนเปื้อนที่เฉพาะเจาะจง คาร์บอนเปิดใช้งานโลหะที่ได้รับการดัดแปลงนั้นมีประสิทธิภาพสูงสำหรับการใช้งานเช่นการลบ VOCs, สีย้อมและโลหะหนักจากน้ำ

การทำงานของพื้นผิวช่วยให้คาร์บอนเปิดใช้งานได้รับการปรับแต่งสำหรับการใช้งานเฉพาะด้านช่วยปรับปรุงการเลือกใช้สำหรับสารปนเปื้อนโดยเฉพาะและเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวม

2.2. การบูรณาการนาโนเทคโนโลยี

นาโนเทคโนโลยีได้นำความก้าวหน้าที่สำคัญมาสู่สาขาการกรองคาร์บอนที่เปิดใช้งาน โดยการรวมวัสดุนาโนลงในคาร์บอนเปิดใช้งานพื้นที่ผิวของวัสดุความแข็งแรงเชิงกลและความสามารถในการดูดซับโดยรวมสามารถเพิ่มขึ้นได้ซึ่งนำไปสู่การกรองที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น วิธีการนาโนเทคโนโลยีที่โดดเด่นบางอย่าง ได้แก่ :

คาร์บอนท่อนาโน (CNTs): เมื่อท่อนาโนคาร์บอนถูกรวมเข้ากับคาร์บอนที่เปิดใช้งานพื้นที่ผิวของวัสดุและคุณสมบัติเชิงกลจะได้รับการปรับปรุง CNTs นำเสนอข้อได้เปรียบเชิงโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์รวมถึงพื้นที่ผิวที่เพิ่มขึ้นและความสามารถในการดูดซับมลพิษที่หลากหลายเช่นโลหะหนักและสารประกอบอินทรีย์ CNTs ยังสามารถปรับปรุงความสมบูรณ์ของโครงสร้างของวัสดุทำให้มีความทนทานมากขึ้นภายใต้สภาวะที่รุนแรง

กราฟีนออกไซด์ (GO): กราฟีนออกไซด์เป็นวัสดุนาโนอีกชนิดหนึ่งที่เมื่อรวมอยู่ในคาร์บอนที่เปิดใช้งานช่วยเพิ่มความสามารถในการดูดซับและการเกิดปฏิกิริยาพื้นผิวโดยรวม คาร์บอนเปิดใช้งาน GO-Modified นั้นมีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการดูดซับมลพิษเฟสก๊าซรวมถึง VOCs, CO2 และมีเธน ฟังก์ชั่นพื้นผิวเพิ่มเติมของวัสดุยังช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการเปรอะเปื้อนทำให้มั่นใจได้ว่าประสิทธิภาพในระยะยาว

อนุภาคนาโนของโลหะ: อนุภาคนาโนโลหะเช่นเงินทองหรือทองแดงสามารถโหลดลงในคาร์บอนที่เปิดใช้งานเพื่อให้คุณสมบัติการเร่งปฏิกิริยาและการดูดซับ อนุภาคนาโนเหล่านี้สามารถปรับปรุงความสามารถของวัสดุในการดูดซับมลพิษเฉพาะเช่นสารประกอบซัลเฟอร์และยังสามารถแนะนำคุณสมบัติต้านจุลชีพทำให้ตัวกรองมีประโยชน์ทั้งในอากาศและน้ำ

ด้วยการผสมผสานวัสดุนาโนคาร์บอนเปิดใช้งานสามารถปรับให้เหมาะสมสำหรับแอพพลิเคชั่นการกรองแบบพิเศษที่หลากหลายนำเสนอประสิทธิภาพและความยั่งยืนที่ดีขึ้น

2.3. วัสดุคอมโพสิต

วัสดุคอมโพสิตรวมกัน คาร์บอนเปิดใช้งาน ด้วยสารอื่น ๆ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ คอมโพสิตเหล่านี้มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการความสามารถในการกำจัดเฉพาะเช่นการแยกก๊าซหรือการดูดซับแบบเลือก วัสดุคอมโพสิตที่สำคัญบางส่วน ได้แก่ :

คอมโพสิตคาร์บอนที่เปิดใช้งานซีโอไลต์: ซีโอไลต์เป็นแร่ธาตุ microporous ที่รู้จักกันในความสามารถในการแลกเปลี่ยนไอออนและดูดซับก๊าซเฉพาะ ด้วยการรวมซีโอไลต์เข้ากับคาร์บอนที่เปิดใช้งานความสามารถของวัสดุในการกำจัดมลพิษบางอย่างเช่นแอมโมเนียหรือไฮโดรเจนซัลไฟด์ได้รับการปรับปรุง คอมโพสิตคาร์บอนที่เปิดใช้งานซีโอไลต์มักใช้ในการใช้งานอุตสาหกรรมและระบบการฟอกอากาศ

เฟรมเวิร์กโลหะอินทรีย์ (MOF)-คอมโพสิตคาร์บอนที่เปิดใช้งาน: MOFs เป็นวัสดุที่มีรูพรุนสูงพร้อมโครงสร้างรูขุมขนที่ปรับได้และพื้นที่ผิวที่สูงเป็นพิเศษ เมื่อรวมกับคาร์บอนที่เปิดใช้งาน MOFs ช่วยเพิ่มความสามารถของวัสดุในการดูดซับก๊าซเช่น CO2, มีเธนและไฮโดรเจน คอมโพสิตเหล่านี้เหมาะสำหรับการใช้งานในการจับคาร์บอนและการแยกก๊าซซึ่งความสามารถในการดูดซับสูงเป็นสิ่งจำเป็น

คอมโพสิตช่วยให้คาร์บอนเปิดใช้งานได้รับการปรับแต่งสำหรับงานกำจัดเฉพาะทำให้พวกเขามีประโยชน์อย่างยิ่งในอุตสาหกรรมที่จัดการกับสารผสมที่ซับซ้อนของมลพิษ

2.4. เทคนิคการรักษาขั้นสูง

นอกเหนือจากวิธีการดัดแปลงแบบดั้งเดิมแล้วเทคนิคการรักษาขั้นสูงได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของคาร์บอนที่เปิดใช้งาน สองเทคนิคดังกล่าวคือการรักษาด้วย microwave ช่วยและการรักษาพลาสมา-การปรับปรุงที่มีแนวโน้มในการกรองคาร์บอน:

การรักษาด้วยไมโครเวฟช่วย: โดยการเปิดใช้งานคาร์บอนเพื่อการแผ่รังสีไมโครเวฟโครงสร้างรูขุมขนและพื้นที่ผิวของวัสดุสามารถปรับให้เหมาะสมได้ กระบวนการทำความร้อนอย่างรวดเร็วช่วยเพิ่มความสามารถในการดูดซับของคาร์บอนที่เปิดใช้งานทำให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการกำจัดมลพิษที่หลากหลายโดยเฉพาะ VOCs และโมเลกุลอินทรีย์ขนาดเล็ก วิธีนี้ยังสามารถปรับปรุงศักยภาพการฟื้นฟูของวัสดุลดความจำเป็นในการเปลี่ยนบ่อยครั้ง

การรักษาด้วยพลาสมา: การรักษาด้วยพลาสมาเกี่ยวข้องกับการเปิดเผยก๊าซคาร์บอนกระตุ้นให้เกิดก๊าซไอออนซึ่งปรับเปลี่ยนเคมีพื้นผิวของวัสดุ การรักษาด้วยพลาสมาสามารถแนะนำกลุ่มการทำงานที่ปรับปรุงความสัมพันธ์ของคาร์บอนสำหรับสารปนเปื้อนเฉพาะทำให้มีการเลือกและมีประสิทธิภาพมากขึ้นในการดูดซับ เทคนิคนี้ยังช่วยปรับปรุงความมั่นคงของวัสดุทำให้สามารถรักษาประสิทธิภาพได้ในระยะเวลานานขึ้น

ทั้งการรักษาด้วยไมโครเวฟและพลาสมานำเสนอวิธีการที่เป็นนวัตกรรมในการเพิ่มคุณสมบัติพื้นผิวของคาร์บอนที่เปิดใช้งานเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้งานการกรองและมีส่วนทำให้ความยั่งยืน

3. แอปพลิเคชันที่เกิดขึ้นใหม่ของตัวกรองคาร์บอนที่เปิดใช้งาน

ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการดัดแปลงได้นำไปสู่การขยายการใช้งานของคาร์บอนที่เปิดใช้งานในอุตสาหกรรมต่างๆ วัสดุที่ได้รับการปรับปรุงเหล่านี้มีการใช้มากขึ้นในการใช้งานเฉพาะที่คาร์บอนเปิดใช้งานแบบดั้งเดิมอาจไม่เพียงพอ แอปพลิเคชั่นที่เกิดขึ้นใหม่ที่มีชื่อเสียง ได้แก่ :

3.1. การทำให้บริสุทธิ์

ตัวกรองคาร์บอนที่ได้รับการดัดแปลงมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในการจัดการกับสารปนเปื้อนน้ำที่เกิดขึ้นใหม่เช่นยา, สารเคมีต่อมไร้ท่อและไมโครพลาสติก คาร์บอนที่เปิดใช้งานแบบดั้งเดิมนั้นมีประสิทธิภาพในการกำจัดคลอรีน, VOCs และโลหะหนัก แต่เวอร์ชันที่ได้รับการดัดแปลงนั้นได้รับการปรับให้เหมาะกับการดูดซับมลพิษที่คงอยู่และซับซ้อนมากขึ้น ตัวอย่างเช่นการทำงานของคาร์บอนที่ใช้งานได้กับกลุ่มเอมีนสามารถกำจัดมลพิษอินทรีย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นในขณะที่คอมโพสิตที่มีซีโอไลต์หรือ MOFs สามารถกำหนดเป้าหมายสิ่งปนเปื้อนที่เฉพาะเจาะจงเช่นแอมโมเนียหรือเภสัชกรรม วัสดุขั้นสูงเหล่านี้นำเสนอทางออกที่ครอบคลุมมากขึ้นสำหรับความท้าทายการทำให้บริสุทธิ์น้ำที่ทันสมัย

3.2. การปรับปรุงคุณภาพอากาศ

การเพิ่มขึ้นของการกลายเป็นเมืองและอุตสาหกรรมทำให้มลพิษทางอากาศเป็นปัญหาสุขภาพที่สำคัญ ตัวกรองคาร์บอนที่ได้รับการดัดแปลงได้รับการออกแบบมาเพื่อกำหนดเป้าหมายมลพิษเฉพาะเช่นไนโตรเจนออกไซด์ (NOX), ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) และ VOCs ตัวกรองเหล่านี้ใช้ในช่วงของการใช้งานตั้งแต่ระบบไอเสียอุตสาหกรรมไปจนถึงเครื่องฟอกอากาศที่อยู่อาศัย ด้วยการปรับคุณสมบัติพื้นผิวและโครงสร้างรูขุมขนตัวกรองเหล่านี้สามารถกำจัดก๊าซที่เป็นอันตรายได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นปรับปรุงคุณภาพอากาศในร่มและกลางแจ้ง การเพิ่มคุณสมบัติของยาต้านจุลชีพผ่านการโหลดอนุภาคนาโนโลหะช่วยเพิ่มความสามารถของคาร์บอนที่เปิดใช้งานเพื่อกำจัดเชื้อโรคในอากาศทำให้มีคุณค่าในการตั้งค่าการดูแลสุขภาพ

3.3. การจับคาร์บอนและการกักเก็บ

ความกังวลที่เพิ่มขึ้นเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศได้นำไปสู่ความสนใจที่เพิ่มขึ้นในเทคโนโลยีการจับคาร์บอน คาร์บอนเปิดใช้งานที่ได้รับการดัดแปลงกำลังถูกสำรวจเพื่อการจับและเก็บคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) การปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากกระบวนการอุตสาหกรรม โดยเฉพาะอย่างยิ่งคอมโพสิตคาร์บอนที่เปิดใช้งานกับ MOFs กำลังแสดงสัญญาสำหรับการดูดซับ CO2 เนื่องจากพื้นที่ผิวสูงและขนาดรูขุมขนที่ปรับได้ วัสดุเหล่านี้นำเสนอทางออกที่ยั่งยืนสำหรับการลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของอุตสาหกรรมเชื้อเพลิงฟอสซิลและนำไปสู่ความพยายามระดับโลกเพื่อลดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ

3.4. การบำบัดน้ำเสียอุตสาหกรรม

ในการใช้งานอุตสาหกรรมน้ำเสียมักจะมีสารมลพิษหลากหลายรวมถึงสารประกอบอินทรีย์โลหะหนักและสารเคมีที่เป็นอันตรายอื่น ๆ วัสดุคาร์บอนที่ได้รับการปรับเปลี่ยนได้รับการพัฒนาเพื่อกำจัดสารปนเปื้อนเหล่านี้อย่างมีประสิทธิภาพซึ่งนำเสนอวิธีการที่มีเป้าหมายและมีประสิทธิภาพมากขึ้นในการบำบัดน้ำเสีย ตัวอย่างเช่นคอมโพสิตที่มีซีโอไลต์หรือ MOFs ถูกใช้เพื่อกำจัดมลพิษเฉพาะในขณะที่คาร์บอนที่เปิดใช้งานพร้อมความสามารถในการดูดซับที่เพิ่มขึ้นจะช่วยลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมโดยรวมของการปล่อยน้ำเสียจากอุตสาหกรรม