ถ่านมีหน้าที่อะไรในการกรองน้ำ

ถ่านกัมมันต์ หรือ คาร์บอนกัมมันต์ มีชื่อเรียกภาษาอังกฤษ คือ Activated Carbon หรือ Activated Charcoal คือ ถ่านที่ต้องนำไปผ่านกระบวนการกระตุ้น ด้วยสารเคมีหรือวิธีทางกายภาพ ( ใช้ไอน้ำ ) ก่อน เพื่อทำให้โครงสร้างทางกายภาพของถ่านเกิดรูพรุน หรือรอยแตกขนาดเล็กในระดับนาโนเมตรจำนวนมหาศาล โดยขนาดรูพรุนของถ่านกัมมันต์ สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของการดูดซับเมื่อมีรูพรุนขนาดเล็กจำนวนมากทำให้การดูดซับของโมเลกุลขนาดเล็กเพิ่มมากขึ้น

ถ่านกัมมันต์จากไม้ไผ่ต้องมีการวางแผนการผลิตที่ดี มีการปลูกไผ่ ได้แก่ พันธุ์กิมซุง และพันธุ์ซางหม่น เป็นต้น ให้เพียงพอต่อความต้องการส่งถ่านกัมมันต์ไปขาย ซึ่งต้องมีการจัดการอย่างดี การปลูกไผ่นอกจากจะได้ถ่านกัมมันต์แล้วยังได้พื้นที่ป่าไม้เพิ่มขึ้นด้วย รวมทั้งสามารถเพิ่มมูลค่าจากไม้ไผ่ด้วยวิธีการอื่น ๆ เช่น ทำ pellet ผลิตหน่อไม้ และเส้นใยจากไม้ไผ่ได้เนื่องจากไม้ไผ่เป็นพืชที่มีประโยชน์มากมายหลายด้าน

ประโยชน์ของถ่านกัมมันต์

ถ่านกัมมันต์แบบผง ( Powdered Activated Carbon )

นิยมใช้ในอุตสาหกรรมยารักษาโรค สารเคมี ยางรถยนต์โครงสร้าง อาคาร เหมืองแร่ บำบัดน้ำเสีย การกรองน้ำ

ถ่านกัมมันต์แบบเม็ด ( Granular Activated Carbon )

ใช้ในการกรองอากาศเสีย อุตสาหกรรมสารเคมี เวชภัณฑ์ อุตสาหกรรมยานยนต์ใช้ในการถ่ายเทพลังงานความร้อน การกลั่นแยกก๊าซธรรมชาติ

ถ่านกัมมันต์แบบอัดแท่ง ( Extruded Activated Carbon)

ใช้ในการกำจัดสารเคมีที่มีพิษ ตัวเร่งปฏิกิริยาต่าง ๆ

แบบจำลองการดูดซับของถ่านกัมมันต์ ( Activated Carbon )

การผลิตถ่านกัมมันต์

ในกระบวนการผลิตถ่านกัมมันต์สามารถใช้วัสดุใด ๆ ก็ได้ที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลัก เช่น ไม้ไผ่ ถ่านหิน กะลามะพร้าว ฯลฯ ซึ่งกระบวนการผลิตมี 2 วิธีคือ

1. การกระตุ้นทางกายภาพ ( Physical Reactivation )

เป็นการนำถ่านที่ผ่านการเผาไหม้ในสภาพอบอากาศหรือจำกัดอากาศทำให้มีออกซิเจนน้อย มากระตุ้นโดยใช้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ( CO2 ) หรือไอน้ำที่มีอุณหภูมิกระตุ้น ( Steam Activation ) ประมาณ 600 – 950 องศาเซลเซียส ซึ่งจำเป็นต้องใช้พลังงานมากเป็นการเพิ่มค่าใช้จ่ายในทางอ้อม แต่เป็นวิธีกระตุ้นที่มีความปลอดภัยมากที่สุด เนื่องจากไม่ได้ใช้สารเคมี

2. การกระตุ้นด้วยสารเคมี ( Chemical Activation )

เป็นการเปลี่ยนวัตถุดิบโดยใช้สารเคมีบางชนิด เช่น ซิงค์คลอไรด์ ( Zinc Chloride ) กรดฟอสฟอริก ( Phosphoric Acid ) โพแตสเซียมไฮดรอกไซด์ ( Potassium Hydroxide ) ร่วมกับการใช้ความร้อนที่อุณหภูมิประมาณ 450 – 900 องศาเซลเซียส ในภาคอุตสาหกรรม นิยมผลิตถ่านด้วยวิธีนีมากกว่าวิธีกระตุ้นทางกายภาพเนื่องจากใช้ความร้อนและเวลาในการผลิตน้อยกว่า

แต่บางครั้งถ่านกัมมันต์ที่ได้จากการผลิตวิธีนี้อาจมีปัญหาเรื่องสารตกค้างได้ เช่น การพบสังกะสีตกค้างในผลิตภัณฑ์สังกะสีเป็นโลหะหนักเมื่อเข้าสู่ร่างกายมากขึ้น เกิดการสะสมที่บริเวณตับและไตทำให้โครโมโซมผิดปกติเสี่ยงต่อการเป็นมะเร็ง

ถ่านกัมมันต์แบบผง ( Powder Activated Carbon )

คุณลักษณะของถ่านกัมมันต์

การผลิตคาร์บอนให้มีคุณภาพสูง เมื่อเผาได้เกิน 1,000 องศาเซลเซียส เรียกว่าถ่านกัมมันต์ ( Activated Carbon, AC ) มีธาตุคาร์บอนเกือบบริสุทธิ์เกิน 57 % มีมูลค่าสูงมาก ๆ

1. ไอโอดีนนัมเบอร์ ( Iodine Number )

เป็นค่าสำคัญที่ใช้บอกประสิทธิภาพของถ่านกัมมันต์ และเป็นตัวบ่งชี้พื้นที่ผิวทั้งหมดโดยการดูดซับไอโอดีนจาการละลายเทียบกับพื้นที่ผิวของถ่านกัมมันต์จำนวนมิลลิกรัมของไอโอดีนที่ถูกดูดซับไว้ด้วยถ่านกัมมันต์ 1 กรัม เมื่อความความเข้มข้นของสารละลายไอโอดีน หลังถูกดูดซับเป็น 0.01 โมลต่อลูกบาศก์เดซิเมตร

2. ค่าความหนาแน่น ( Apparent Density )

ถ่านกัมมันต์ที่มีค่าความหนาแน่นสูงจะเป็นถ่านที่มีคุณภาพสูงสามารถดูดซับได้ดี

3. ค่าความแข็ง ( Hardness / Abrasion Number )

เป็นค่าความต้านทานต่อการสึกกร่อนของถ่านกัมมันต์ค่านี้จะบอกถึงความสามารถในการทนต่อแรงเสียดสีและความสามารถในการคงสภาพของถ่านกัมมันต์ที่มีต่อกระบวนการล้างวัสดุกรอง ซึ่งค่านี้จะแตกต่างอย่างชัดเจนตามชนิดวัตถุดิบ และระดับที่ถ่านถูกกระตุ้น

4. ค่าการกระจายตัวของขนาดอนุภาค ( Particle Size Distribution )

ถ่านที่มีขนาดอนุภาคละเอียดมากเท่าใดก็จะยิ่งเพิ่มพื้นที่ผิวของถ่านให้มากขึ้น ซึ่งส่งผลให้โมเลกุลก๊าซถูกดูดซับเข้าไปในโครงสร้างถ่านได้เร็วขึ้น

5. ปริมาณเถ้า ( Ash Content )

หากปริมาณเถ้ามากประสิทธิภาพของถ่านกัมมันต์จะลดลง และลดประสิทธิภาพการนำถ่านไปกระตุ้นซ้ำ

6. เมทิลีนบลู ( Methylene Blue )

ถ่านกัมมันต์ที่โครงสร้างมีรูพรุนจะดูดซับโมเลกุลขนาดกลาง เช่น สีย้อม เมทิลีนบลูสารที่ให้สีนี้ถูกใช้เป็นตัวแทนของสารที่มีโมเลกุลขนาดกลาง ค่าเมทิลีนบลูมีหน่วยวัดเป็น มิลลิกรัมต่อกรัม

เมื่อใช้งานไประยะหนึ่งประสิทธิภาพในการกรองหรือดูดซับสารจะตกลงเนื่องจากที่ว่างภายในโครงสร้างถ่านมีน้อยลงจงต้องทำการเปลี่ยนถ่านเก่าออกและใส่ถ่านใหม่เข้าไปทดแทนโดยถ่านที่ถูกใช้งานแล้วสามารถนำกลับมาใช้งานใหม่ได้ด้วยการนำไปผ่านกระบวนการกระตุ้นซ้ำ ( Re-Activated ) เพื่อกำจัดสารต่าง ๆ ที่ถ่านดูดซับไว้ออกไปให้หมดก่อน

ถ่านกัมมันต์แบบเม็ด ( Granular Activated Charcoal )

ปัจจัยที่มีผลต่อคุณลักษณะของถ่านกัมมันต์

ถ่านกัมมันต์มีมากมายหลายชนิด แต่ละชนิดเหมาะกับแต่ละงานไม่เหมือนกัน ในเบื้องต้นสามารถจำแนกออกเป็นใช้กับอากาศและใช้กับของเหลวจำพวกที่ใช้กับอากาศจะพบได้ในเครื่องปรับอากาศ ระบบฟอกอากาศ หน้ากากแก๊ส โดยทั่วไปเป็นพวกสาร Pollutant ในอากาศ มีโมเลกุลขนาดเล็ก

ส่วนถ่านกัมมันต์ที่มีรูพรุนขนาดใหญ่ ( Macroporous ) ประมาณ 30 อังสตรอม ซึ่งมีขนาดใหญ่พอที่จะดูดซับ “มวลสารในตู้ปลา” ( Aquarium Pollutant) ไว้ได้

วัตถุดิบที่นำมาผลิตถ่านกัมมันต์มีผลอย่างมากต่อขนาดรูพรุนที่เกิดขึ้น เช่น ถ่านกัมมันต์จากกะลามะพร้าว รูพรุนที่เกิดขึ้นส่วนใหญ่จะมีขนาดเล็ก ( Microporous ) ซึ่งโดยส่วนใหญ่แล้วถ่านกัมมันต์จากกะลามะพร้าวจะใช้ในการกำจัดคลอรีนในน้ำประปา

ถ่านหินลิกไนต์ใช้ในการทำถ่านกัมมันต์ที่มีรูพรุนขนาดใหญ่ ( Macroporous ) ส่วนไม้หากนำมาทำถ่านกัมมันต์จะให้รูพรุนขนาดปานกลาง ( ประมาณ 25 อังสตรอม )

ตัวแปรอื่นที่ถูกนำมาใช้ในเชิงการตลาด

ตัวแปรอื่นที่ถูกนำมาใช้ในเชิงการตลาด ได้แก่ปริมาณพื้นที่พื้นผิวทั้งหมด ( Total Surface Area, TSA ) มีหน่วยเป็นตารางเมตรต่อกรัม แต่ทั้งนี้ควรจะทราบด้วยว่าถ่านกัมมันต์ที่มีร่างแหรูพรุนภายในโครงสร้างจำนวนมาก แต่ช่องเปิดออกสู่ภายนอกขนาดเล็กมีมาก หรือไม่มีเลย ก็จะมีค่า TSA สูงเช่นเดียวกัน ซึ่งในกรณีนี้กลับไม่มีประสิทธิภาพในการดูดซับอะไรเลย

การประเมินค่าความพรุนของรูขนาดเล็ก ( Microporosity ) นั้นจะดูที่ Iodine Number ( คนละอันกับค่าความไม่อิ่มตัวของไขมัน ) ค่า iodine number ที่มากกว่า 1,000 ชี้ให้เห็นว่าถ่านกัมมันต์มีรูพรุนขนาดเล็ก ( Micro-Porous ) จำนวนมาก

ซึ่งรูพรุนขนาดเล็กจำนวนมากส่งผลให้ปริมาณพื้นที่ทั้งหมด ( TSA ) สูงเช่นกัน ส่วนค่า Molasses Number ที่ใช้ในการประเมินว่ารูขนาดใหญ่นั้นใหญ่มากน้อยแค่ไหน ( Macroporosity ) โดยทั่วไป ค่า Molasses Number ควรมากกว่า 400

ถ่านกัมมันต์บางชนิดมีค่า Molasses Number เป็น 1,000 เลยที่เดียว ต่างกับค่า iodine number ยิ่งค่า Molasses Number มาก ( ขนาดรูใหญ่ ) แต่ค่า TSA กลับลดลง ( ด้วยหลักการของพื้นที่ผิวธรรมดา ) ซึ่งค่าเหล่านี้ควรจะทราบไว้เวลาดูสเป็กของถ่านกัมมันต์ที่จะซื้อ

ไผ่มีคุณสมบัติเหมาะที่จะนำมาผลิตเป็นถ่านกัมมันต์ เพราะ

• ไผ่มีองค์ประกอบของธาตุคาร์บอนอยู่ในเกณฑ์มาตรฐาน
• ไผ่เติบโตเร็ว สามารถใช้ผลิตคาร์บอนได้เมื่อปลูก 1-2 ปี สามารถหมุนเวียน ตัดสางลำแก่ไปใช้เผาถ่านได้อย่างต่อเนื่อง ยาวนาน
• ไผ่สามารถบริหารจัดการเร่งอัตราส่วนในการสร้างของคาร์บอนได้ดี
• ไผ่มีเส้นใยและรูพรุนมากกว่าต้นไม้ปกติ 4 เท่า ดังนั้นช่องว่างในเนื้อผงคาร์บอนย่อมมากกว่าผลิตจากไม้ชนิดอื่น เป็นสิ่งที่ต้องการมากที่สุด
• ไผ่มีเส้นใยเซลลูโลสที่มีคุณภาพสูง ให้ประจุลบอิเล็กตรอนจากทุกส่วนของต้นตั้งแต่ใบถึงกอโคนลำไผ่

ถ่านกัมมันต์แบบแท่ง ( Stick Activated Carbon )

กระบวนผลิตถ่านกัมมันต์พื้นฐานมี 7 ขั้นตอน คือ

ขั้นตอนที่ 1 การหั่น-สับ-บด ( Crusher )

เมื่อวัสดุเข้ากระบวนการก็จะมีการสับหยาบ บดละเอียดเครื่องจักร ก็มีหลายขนาด เล็กขนย้ายง่ายถึงขนาดใหญ่พันตันต่อวัน ขนาดของวัตถุดิบต้องได้มาตรฐาน การเลือกวัตถุดิบต้นน้ำ เพื่อผลิตผงคาร์บอนมีผล โดยตรงต่อคุณภาพของคาร์บอนกัมมันต์ที่ต้องการผลิตและจำหน่าย

ขั้นตอนที่ 2 การทำให้แห้ง ( Drier )

ก่อนเผาถ่านคาร์บอน วัตถุดิบจะต้องมีความแห้งหมาด ๆ ความชื้นไม่เกิน 17 % หรือน้อยกว่าเนื่องจากพืชชีวมวลแต่ละชนิด มีปริมาณน้ำไม่เท่ากัน การแยกน้ำ เป็นเรื่องสำคัญ เซลลูโลส เมื่อแยกน้ำออกแล้ว 6 ส่วน ก็จะเหลือคาร์บอน 6 ส่วน ด้วยเช่นกัน

ขั้นตอนที่ 3 เผาถ่าน ( Carbonization )

เมื่อเผาถ่านในสภาพจำกัดอากาศ ออกซิเจน ในความร้อนเกิน 400 – 450 องศาเซลเซียส สารประกอบอินทรีย์จะระเหยออกไป ก็จะได้ถ่าน ( Charcoal ) คุณภาพจะดีเพียงใด ก็ขึ้นอยู่กับรูปแบบระบบการเผาถ่านนั้น

ขั้นตอนที่ 4 ผลิตกัมมันต์ ( Activation Unit )

ใช้ไอน้ำร้อน 800 – 1,000 องศาเซลเซียส โดยการเพิ่มพลังงานความร้อนที่ชื้น ( ป้องกันติดไฟ ) ให้คาร์บอนปรับเปลี่ยนโครงสร้างผลึกโมเลกุลให้แข็งแกร่ง ทรงพลังเชื้อเพลิงที่ใช้ คือคาร์บอนมอนอกไซด์ ( CO ) และไฮโดรเจน ( H2 )

ขั้นตอนที่ 5 แปลรูป ถ่านกัมมันต์

• บดผง ( Crusher ) เมื่อลูกค้าต้องการใช้แบบผง ก็จะต้องมีเครื่องจักรในการบดผงกัมมันต์ให้ละเอียด ปกติผงคาร์บอน จะมีความแข็งแกร่งมาก ไม่สลายตัว อยู่ได้หลายพันปี
• บีบอัดเม็ด ( Tumbling ) เมื่อลูกค้าต้องการในรูปแบบเม็ดเล็ก ๆ ในขนาดที่เป็นมาตรฐาน
• บีบอัดแท่ง ( Briquetting ) เมื่อลูกค้าต้องในรูปแบบอัดแท่ง

ขั้นตอนที่ 7 บรรจุภัณฑ์ ( Packaging )

ใช้บรรจุถุง หรือกระสอบเล็ก และกระสอบใหญ่ ตามความต้องการลูกค้า

คลิกเพิ่มเพื่อน! แจ้งเตือนบทความใหม่ก่อนใครฟรี!!

ดูข้อมูลเพิ่มเติม