פחם פעיל הוא גרסה גולמית של גרפיט, החומר הכותב בעפרונות. פחם פעיל שונה מגרפיט בכך שיש לו מבנה רנדומאלי בלתי מושלם המלא בנקבוביות בגדלים שונים, מחריצים נראים לעין ועד סדקים בגדלים מולקולאריים.מבנה הגרפיט נותן לפחם הפעיל שטח פנים גדול ביותר ומאפשר לפחם לספוח מגוון רחב של תרכובות.לפחם פעיל יש כוחות ספיחה חזקים יותר או נפח נקבוביות ספיחה גבוה יותר מכל חומר אחר הידוע לאנושות.שטח הפנים של פחם פעיל יכול להגיע ליותר מ- 1,000 מ"ר לגרם. כלומר ל-3 גרם של פחם פעיל יכולים להכיל שטח פנים גדול מזה של מגרש כדורגל.
מהי ספיחה ומדוע היא מתקיימת על פחם פעיל?
ספיחה היא תהליך בו מולקולות נוזל או גז מתרכזות על פאזה מוצקה, במקרה זה פחם פעיל. הספיחה נגרמת כתוצאה מכוחות London לביזור, סוג של כוח Van der Waals הקיים בין מולקולות, בדומה לכוחות הגרוויטציוניים שקיימים בין כוכבים. כוחות לונדון לביזור הינם בעלי טווח קצר מאד ולכן הם רגישים למרחק שבין שטח הפחם והמולקולה הנספחת. בנוסף, הם גם מתווספים, כלומר כוח הספיחה הוא סכום של כל האינטראקציות בין כל האטומים. תכונות אלה מקנות לפחם פעיל את כוחות הספיחה החזקים ביותר שלו.
ספיחה בפאזה גזית הינה תהליך התעבות בו כוחות הספיחה מעבים את המולקולות מהפאזה התפזורתית אל תוך הנקבוביות של הפחם הפעיל. הכוח המניע לספיחה זו הוא היחס בין הלחץ החלקי ולחץ האדים של התרכובת הנספחת. ספיחה בפאזה נוזלית הינה תהליך בו המולקולות עוברות מהפאזה התפזורתית למצב בו הן נספחות בנקבוביות במצב נוזלי למחצה. הכוח המניע לספיחה הוא היחס בין ריכוז התרכובת למסיסותה.
אילו תרכובות ניתנות לספיחה?
כל התרכובות ניתנות לספיחה במידה כזו או אחרת. בפועל, פחם פעיל משמש בעיקר לספיחת מולקולות אורגניות אך גם לספיחת מולקולות אנאורגניות בעלות משקל מולקולארי גבוה, כגון יוד וכספית. בדרך כלל, יכולת הספיחה של תרכובת גדלה במקביל לעליה במשקל המולקולארי, במספר הקבוצות הפונקציונאליות (כגון קשרים כפולים או תרכובות הלוגניות) ובקוטביות של התרכובת.
ממה עשוי פחם פעיל?
ניתן לייצר פחם פעיל ממגוון חומרים בעלי תכולת פחם גבוהה כגון פחם גולמי (ממכרות פחם), עץ וקליפות אגוז קוקוס. חומר הגלם ממנו יוצר הפחם הפעיל משפיע באופן משמעותי על תכונותיו וביצועיו.
תצורות פחם פעיל
קיימות 3 תצורות עיקריות של פחם פעיל:
- פחם פעיל גרנולרי (GAC)- גרגרים בעלי צורה משתנה וגודל הנע בין 0.2 ל- 0.5 מ"מ.משמש גם לאפליקציות נוזליות וגם לגזיות.
- פחם פעיל אבקתי (PAC) - נטחן לאבקה עם גודל חלקיקים הנמוך ברובו מ- 0.18 מ"מ.משמש בעיקר לאפליקציות נוזליות ולטיפול בגזים הנפלטים מארובות כתוצאה מתהליכי שריפה.
- פחם פעיל משוחל - עבר אקסטרוזיה לגרגרים גליליים בקטרים בין 0.8 ל-5 מ"מ.משמש בעיקר לאפליקציות גזיות בשל מפל לחץ נמוך, חוזק מכני רב ותכולת אבק נמוכה. בנוסף, פחם פעיל זמין גם בתצורות מיוחדות כגון בדים, סיבים ומגוון של גופים דחוסים.