Aktif Karbon

Aktif karbon, organik öncül maddelerden türetilen, genellikle gram başına 1.000 metrekareyi aşan olağanüstü genişlikteki iç yüzey alanı ve mikrogözenekler, geçiş gözenekleri ve makrogözenekleri içeren üçlü dağılım (tridisperse) gösteren gözenek yapısı ile ayırt edilen, son derece gözenekli karbonlu malzemeler ailesidir; bu yapı, sıvılardan kirleticilerin uzaklaştırılması için üstün adsorpsiyon ve katalitik yetenekler sağlar.^[1]

Bu özellikler, iki aşamalı bir üretim sürecinden kaynaklanır: ilk olarak, bitümlü kömür, hindistan cevizi kabukları, odun veya fındık kabukları ve tahıl kapçıkları gibi tarımsal atıklar gibi karbon açısından zengin hammaddelerin 500–750°C sıcaklıklarda piroliz yoluyla karbonlaştırılarak bir kömür (char) oluşturması; ikinci olarak, gözenek ağını aşındırmak ve genişletmek, gözenekliliği ve yüzey reaktivitesini artırmak için fiziksel yöntemler (örneğin, 800–1.000°C’de buhar veya karbondioksite maruz bırakma) veya kimyasal ajanlar (örneğin, fosforik asit veya çinko klorür) yoluyla aktivasyon işlemi.^[2]^[1]

Elde edilen malzeme siyah, kokusuz ve tatsızdır; adsorpsiyonu temel olarak van der Waals kuvvetleri ve oksijen, hidrojen ve eser metaller gibi elementlerden etkilenen yüzey kimyası tarafından yönlendirilir, bu da düşük moleküler ağırlıklı organiklerin, hümik maddelerin, eser kirleticilerin ve bazı inorganik maddelerin seçici olarak bağlanmasına olanak tanır.^[1]^[3]

Aktif karbon, en belirgin şekilde içme suyu arıtımında organik bileşikleri, tat ve kokuya neden olan maddeleri ve trihalometanlar gibi dezenfeksiyon yan ürünlerini adsorbe etmek için kullanılır; genellikle granül (GAC) veya toz (PAC) formlarında uygulanır ve ön ozonlama ile birleştirildiğinde pıhtılaşma sonrası GAC yatakları UV emici maddelerin %80’e kadar giderilmesini sağlar.^[1]^[3]

Su arıtımının ötesinde, uçucu organikleri ve gazları yakalamak için hava filtrasyonunda, renk giderme (örneğin, şeker rafinasyonu veya üzüm suyu) için gıda ve içecek işlemede, meyve depolamada etilen gideriminde, ayrıca solvent geri kazanımı, siyanür çözeltilerinden altın ekstraksiyonu ve farmasötik saflaştırma gibi endüstriyel kullanımlarda hizmet verir; termal veya buhar yöntemleriyle rejenerasyon, hizmet ömrünü %70’e kadar uzatır.^[2]^[1]

Tarihçe ve Genel Bakış

Tarihsel Gelişim

Aktif karbonun bir öncüsü olan odun kömürünün belgelenmiş en eski kullanımları, MÖ 1500 civarında Antik Mısır’a kadar uzanmaktadır; burada tarihsel papirüslerde belirtildiği gibi sindirim rahatsızlıklarını tedavi etmek gibi tıbbi amaçlarla kullanılmıştır.^[4] MÖ 400 civarında, Fenikeliler, Yunanlılar, Romalılar ve Hindular dahil olmak üzere eski uygarlıklar, depolama ve arıtma sırasında içme suyundaki kirleri, kokuları ve kötü tatları gidermek için adsorptif özelliklerinden yararlanarak su arıtımında odun kömürü kullanmışlardır.^[5] Bu uygulamalar, sistematik aktivasyon süreçleri henüz ortaya çıkmamış olsa da, odun kömürünün arındırıcı yeteneklerinin tanınması için zemin hazırlamıştır.

18. yüzyılın sonlarında, bilimsel gelişmeler odun kömürünün adsorptif potansiyelini resmileştirmeye başladı. 1773’te İsveçli kimyager Carl Wilhelm Scheele, odun kömürünün gazları adsorbe etme yeteneğini gözlemledi ve bu, mekanizmalarını anlamaya yönelik erken bir adım oldu.^[6] Bunu 1785’te Alman-Rus kimyager Johann Tobias Lowitz izledi; Lowitz, odun kömürünün sulu çözeltilerin, özellikle de şeker şuruplarının rengini gidermedeki etkinliğini gösterdi ve bu da 19. yüzyılın başlarında rafinasyon süreçlerinde endüstriyel uygulamasına yol açtı.^[7] Metal klorürler gibi ajanları içeren kimyasal aktivasyon teknikleri, 1900–1901 civarında Raphael von Ostrejko tarafından patentlendi ve yüksek gözenekliliğe sahip karbonun ticari üretimine olanak sağladı.^[8]^[9] Eş zamanlı olarak, yüksek sıcaklıklarda (800–1000°C) buhar veya karbondioksit kullanan fiziksel aktivasyon yöntemleri 1900’lerin başında geliştirildi; bu yöntemler kimyasal katkı maddeleri olmadan gözenekliliği artırdı ve büyük ölçekli üretim için bir standart haline geldi.^[10]

20. yüzyıl, özellikle Rus kimyager Nikolay Zelinsky’nin 1915’te klor ve fosgen gibi kimyasal savaş ajanlarına karşı korunmak için ilk etkili aktif kömür gaz maskesini icat ettiği I. Dünya Savaşı sırasında, aktif karbonun endüstrileşmesinin hızlandığına tanık oldu.^[10] Bu durum, genellikle hindistan cevizi kabuklarından yapılan yaygın üretimi teşvik etti ve savaş sonrası uygulamalar hava ve su arıtımına genişledi. II. Dünya Savaşı’nın ardından, düzenleyici çerçeveler benimsenmesini daha da artırdı; örneğin, 1974 tarihli ABD Güvenli İçme Suyu Yasası (Safe Drinking Water Act), organik kirleticiler üzerinde kontrolleri zorunlu kıldı ve tat, koku ve sentetik kirleticileri gidermek için belediye arıtma tesislerinde granül aktif karbon (GAC) filtrelerini teşvik etti.^[11] Son yıllarda, sürdürülebilirlik kaygıları üretimi yenilenebilir hammaddelere kaydırdı; 2010’lardan bu yana pirinç kabuğu, kahve telvesi ve meyve kabukları gibi tarımsal atıklar, yenilenemeyen kaynaklara bağımlılığı azaltan ve çevre dostu aktivasyon süreçleriyle çevresel etkiyi en aza indiren uygulanabilir öncüler olarak ortaya çıkmıştır.^[12]

Tanım ve Yapı

Aktif karbon, adsorptif özelliklerini önemli ölçüde artıran özel bir aktivasyon süreciyle, tipik olarak 500 ila 1500 m²/g arasında değişen ve optimize edilmiş varyantlarda 3000 m²/g’ye ulaşan olağanüstü geniş bir iç yüzey alanı sergilemek üzere tasarlanmış, oldukça gözenekli, amorf bir karbon malzemesi formudur.^[13]^[14]^[15] Bu yüksek gözeneklilik, karbon iskeleti içinde geliştirilen ve gazların, sıvıların ve çözünmüş maddelerin fiziksel adsorpsiyon yoluyla etkili bir şekilde yakalanmasını sağlayan karmaşık bir boşluk ağından kaynaklanır. Malzemenin etkinliği, kimyasal reaktiviteye dayanmadan moleküler etkileşimler için geniş bir erişilebilir yüzey sağlama yeteneğinden ileri gelir.^[16]

Yapısal olarak aktif karbon, gözenekli mimariyi destekleyen sert, birbirine bağlı bir iskelet oluşturan grafitik mikrokristallerle serpiştirilmiş amorf bir karbon matrisinden oluşur.^[17]^[18] Gözenekler hiyerarşik olarak düzenlenmiştir ve Uluslararası Temel ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC) tarafından; yüzey alanına hakim olan mikrogözenekler (çap < 2 nm), taşınımı kolaylaştıran mezogözenekler (2–50 nm) ve adsorbatlar için giriş kanalları olarak hizmet eden makrogözenekler (> 50 nm) şeklinde sınıflandırılır.^[19] Bu dağılım, hem adsorpsiyon kapasitesini hem de difüzyon kinetiğini optimize eder; mikrogözenekler, yüksek yoğunlukları nedeniyle yüzey alanının çoğunu oluşturur.^[20]

Aktif karbonun spesifik yüzey alanı, deneysel izotermleri (adsorbe edilen gaz hacmini bağıl basınca karşı grafiğe dökerek) tek tabakalı kapasiteyi ve toplam erişilebilir alanı türetmek için yorumlayan çok katmanlı bir adsorpsiyon modeli olan Brunauer–Emmett–Teller (BET) teorisi kullanılarak nicel olarak değerlendirilir.^[21] Temel BET denklemi şöyledir:

$$ \frac{P}{V (P_0 – P)} = \frac{1}{V_m C} + \frac{(C – 1) P}{V_m C P_0} $$

Burada $ V $, $ P $ basıncında adsorbe edilen gazın hacmi, $ V_m $ tek tabakalı (monolayer) adsorpsiyon kapasitesi, $ P_0 $ doygunluk basıncı ve $ C $ adsorpsiyon enerjisiyle ilgili bir sabittir. Gözeneklilik gelişimi, ilk karbonizasyonun öncül maddeyi ayrıştırdığı, uçucu bileşenleri dışarı attığı ve daha sonra genişletilen iç boşlukları oluşturduğu aktivasyon sırasında meydana gelir.^[22] Bu işlem, malzemenin performansı için gerekli olan kıvrımlı, üç boyutlu bir gözenek ağı sağlar.^[23]

Üretim

Hammaddeler

Aktif karbon üretimi, karbon içeriği, bulunabilirliği ve işleme sırasında istenen gözenek yapılarını geliştirme yeteneği nedeniyle seçilen karbonlu öncül maddelere dayanır. Yaygın hammaddeler arasında, endüstriyel ölçekli üretim için uygun yüksek verim ve sağlam yapılar sağlayan bitümlü kömür ve antrasit gibi fosil kaynaklı malzemeler bulunur. Lignoselülozik bileşimleri için meşe gibi sert ağaçlar, sertlikleri ve mikrogözenek oluşturma potansiyelleriyle bilinen hindistan cevizi kabukları ve mekanik mukavemeti artırabilen doğal silika içeriğine sahip uygun maliyetli alternatifler sunan pirinç kabuğu ve bambu gibi tarımsal atıklar da dahil olmak üzere yenilenebilir biyokütle seçenekleri de yaygın olarak kullanılmaktadır.^[24]^[25]^[26] Öncül madde seçimi, nihai aktif karbonun verimini, yüzey alanını ve adsorpsiyon özelliklerini etkiler; biyokütle genellikle mikrogözenekliliği desteklerken, kömür mezogözenekliliği destekler.^[26]

Bu öncülerin hazırlanması, uçucu maddeyi dışarı atmak ve karbon açısından zengin bir kömür (char) oluşturmak için genellikle 400–600°C’de azot veya argon gibi inert bir atmosferde gerçekleştirilen ve piroliz olarak bilinen termal bozunma işlemi olan karbonizasyon ile başlar. Bu adım, oksidasyonu en aza indirirken karbonu konsantre etmek için çok önemlidir; reaksiyon dehidrasyon, uçuculaşma ve aromatizasyon aşamalarından geçer. Karbonizasyon verimliliğini etkileyen temel faktörler arasında, daha küçük parçacıkların (örneğin, 1–5 mm) kütle transferi sınırlamalarını azaltarak homojen ısıtmayı ve daha yüksek kömür verimini desteklediği öncül parçacık boyutu ve aşırı enerji kaybını ve düzensiz pirolizi önlemek için %10–15’in altında olması gereken ilk nem içeriği yer alır.^[27]^[28]^[12] Bu değişkenlerin kötü kontrolü, daha düşük sabit karbon içeriğine veya kömürde yapısal kusurlara yol açabilir.^[12]

2000’lerin başından bu yana, sürdürülebilirlik hususları, geleneksel fosil yakıtlardan biyokütle atıklarına doğru bir geçişi yönlendirerek yenilenemeyen kaynaklara olan bağımlılığı azaltmış ve ormansızlaşma ile kömür madenciliğinden kaynaklanan emisyonlar gibi çevresel etkileri hafifletmiştir. Bu eğilim, aksi takdirde atık akışlarına katkıda bulunacak olan tarımsal yan ürünleri değerlendirerek döngüsel ekonomi ilkeleriyle uyumludur. Örneğin, pirinç işlemenin bol miktarda bulunan bir artığı olan pirinç kabukları, 1500 m²/g’yi aşan yüzey alanlarına sahip aktif karbonlara dönüştürülmüş, üretim maliyetlerini ve karbon ayak izini düşürürken ticari ürünlerle karşılaştırılabilir performans göstermiştir.^[12]^[29]^[30] Bambu ve diğer lignoselülozik atıklarla elde edilen benzer başarılar, modern aktif karbon üretiminde ölçeklenebilir, çevre dostu kaynak kullanımı potansiyelini vurgulamaktadır.^[24]

Aktivasyon Yöntemleri

Aktif karbon, karbonize edilmiş öncüllerden, adsorpsiyon yeteneklerini artıran mikrogözenekler, mezogözenekler ve makrogözeneklerden oluşan bir ağ oluşturmak üzere karbon malzemesini aşındıran, esas olarak fiziksel veya kimyasal yöntemler yoluyla aktivasyon süreçleri ile üretilir. Fiziksel aktivasyon, oksitleyici gazlarla yüksek sıcaklıkta işlemi içerirken, kimyasal aktivasyon, gözenekliliği indüklemek için ılımlı sıcaklıklarda aktive edici ajanlar kullanır.^[31]

Fiziksel aktivasyon, hammaddenin kömür oluşturmak üzere inert koşullar altında yaklaşık 500–600°C’de karbonizasyonu ile başlar, ardından 800–1000°C gibi yüksek sıcaklıklarda buhar veya karbondioksit gibi gazlara maruz bırakılır. Bu işlem, oksitleyici ajanın karbon atomlarıyla reaksiyona girerek onları seçici olarak uzaklaştırdığı ve gözenekler oluşturduğu gazlaştırma reaksiyonlarına dayanır; örneğin, buhar aktivasyonu endotermik su-gaz reaksiyonu yoluyla ilerler:

$$ \text{C} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO} + \text{H}_2 $$

Bu reaksiyon karbon yüzeyini aşındırır ve yan ürün olarak hidrojen ve karbon monoksit üretir. Karbondioksit aktivasyonu benzer şekilde, mikrogözenek gelişimini destekleyen Boudouard reaksiyonunu kullanır:

$$ \text{C} + \text{CO}_2 \rightarrow 2\text{CO} $$

Reaksiyon hızları sıcaklıkla artar, optimal gözenekliliğe ulaşmak için genellikle 1–3 saat maruziyet gerektirir ve homojenliği artırmak için taşıyıcı olarak azot gazı kullanılabilir.^[32]^[33]

Buna karşılık kimyasal aktivasyon, öncül maddenin karbonizasyondan önce veya sonra kimyasal ajanlarla emdirilmesini, ardından 400–800°C gibi daha düşük sıcaklıklarda ısıtılmasını ve kalıntıları gidermek için yıkamayı içerir. Yaygın ajanlar arasında 700–900°C’de potasyum hidroksit (KOH), yaklaşık 500°C’de fosforik asit (H₃PO₄) ve 500°C’nin üzerinde çinko klorür (ZnCl₂) bulunur; bunlar, karbon olmayan elementleri uçuculaştırarak ve karbon matrisine girerek birbirine bağlı gözenekler oluşturan dehidrasyon, oksidasyon ve çapraz bağlanma reaksiyonlarını kolaylaştırır. Örneğin, KOH reaksiyona girerek potasyum karbonat oluşturur ve CO₂ gibi gazlar salarken, H₃PO₄ fosforilasyonu ve eter bağı kırılmasını teşvik ederek nötralizasyon sonrası 2800 m²/g’ye varan yüzey alanları sağlar. İşlem genellikle 1:1 ila 1:4 biyokütle-ajan kütle oranı kullanır ve ajana ve koşullara bağlı olarak %26–85 arasında değişen verimler elde edilir.^[31]^[34]

Fiziksel aktivasyon, yüksek sıcaklıklar nedeniyle daha yüksek enerji girdisiyle çalışsa da, çevresel faydalar için kimyasal kalıntılardan kaçınarak granül aktif karbon (GAC) uygulamaları için uygun daha büyük gözenekler üretme eğilimindedir. Kimyasal aktivasyon, toz aktif karbon (PAC) için ideal olan daha yüksek yüzey alanları ve mikrogözeneklilik sağlar, daha düşük sıcaklıklar ve daha kısa süreler nedeniyle daha fazla enerji verimliliğine sahiptir, ancak ek yıkama adımları gerektirir; verimler (aktif karbon kütlesi / öncül kütlesi) × %100 olarak hesaplanır ve fiziksel yöntemlere (%20–40) kıyasla kimyasal yöntemlerde (%30–50) genellikle daha yüksektir. Seçim, hiyerarşik gözeneklilik üzerinde daha fazla kontrol sunan kimyasal yöntemlerle birlikte, istenen gözenek boyutu dağılımına ve öncül türüne bağlıdır.^[34]^[31]

Sınıflandırma

Toz Aktif Karbon (PAC)

Toz aktif karbon (PAC), tipik olarak 0,18 mm’den küçük, 50–100 mesh boyutuna eşdeğer ince parçacıklardan oluşur ve bu da hedef maddelerle hızlı karıştırma ve temas sağlar. Aktif karbonun bu formu, genellikle 1000 ila 1500 m²/g arasında değişen yüksek bir spesifik yüzey alanına sahiptir ve organik bileşikler için önemli bir adsorpsiyon kapasitesi sağlar. PAC, karbonlu hammaddelerin karbonizasyon ve ardından aktivasyon gibi süreçlerle aktive edilmesi ve ardından ürünün istenen parçacık boyutuna ulaşması için ince öğütme veya toz haline getirme işlemine tabi tutulmasıyla üretilir. Fosforik asit veya çinko klorür gibi ajanları içeren kimyasal aktivasyon yöntemleri, hızlı adsorpsiyon kinetiğine uygun geniş mikrogözeneklilik geliştirme yetenekleri nedeniyle PAC üretimi için sıklıkla tercih edilir.

Su arıtma uygulamalarında PAC, kirletici seviyelerine ve mevsimsel tat ve koku sorunlarını gidermek gibi arıtma hedeflerine bağlı olarak tipik olarak 1 ila 100 mg/L arasındaki konsantrasyonlarda dozlanır. İnce parçacıklı yapısı, kesikli (batch) işlemlerde hızlı dağılımı kolaylaştırarak sabit yataklı sistemlere ihtiyaç duymadan anında adsorpsiyon etkileri sağlar; ancak bu durum, toz oluşumu ve kullanılmış karbonu gidermek için sonraki filtrasyon veya sedimantasyon gerekliliği nedeniyle kullanımı daha zor hale getirir. PAC, organikler için yüksek adsorpsiyon kapasitesi sunarken, geçici arıtmalarda tek kullanımlık doğası, diğer formlara kıyasla rejenerasyon seçeneklerini sınırlar.

Bu özellikler, PAC’ı özellikle tat ve koku kontrolü için hızlı dağıtımın gerekli olduğu içme suyu arıtımındaki aralıklı veya acil durum uygulamaları için uygun hale getirir, ancak dezenfeksiyon gibi sonraki süreçler üzerindeki etkilerden kaçınmak için dikkatli dozlama gereklidir.

Granül Aktif Karbon (GAC)

Granül aktif karbon (GAC), sabit yataklı sistemlerde etkili paketlemeye izin veren, 8 ila 30 mesh boyutlarına eşdeğer, çapı 0,2 ila 5 mm arasında değişen düzensiz parçacıklarla karakterize edilen kaba bir aktif karbon formudur.^[17] Spesifik yüzey alanı tipik olarak 700 ila 1200 m²/g arasındadır ve yapısal bütünlüğü korurken önemli adsorpsiyon alanları sağlar.^[35] GAC, optimum hidrolik performans için 0,6 ila 2,5 mm etkili parçacık boyutuna ve 2,5’ten küçük bir homojenlik katsayısına sahiptir; bu da eşit akış dağılımı ve minimum kanallanma sağlar.^[36]

GAC üretimi, dinamik akış ortamlarında uzun süreli kullanım için gerekli mekanik dayanıklılığı ve sertliği korurken gözenekliliği geliştirmek için yüksek sıcaklıklarda (yaklaşık 800–1000°C) buhar veya CO₂ gazlaştırması gibi fiziksel aktivasyon süreçlerini tercih eder.^[37] Bu yöntem, mukavemeti tehlikeye atabilecek kalıntılardan kaçınarak kimyasal aktivasyonla zıtlık oluşturur ve hızlı aşınma olmaksızın kolon bazlı sürekli filtrasyon için uygun sağlam granüller elde edilmesini sağlar.

Uygulamalarda GAC, su arıtımı için sabit yataklı kolonlarda, özellikle 5 ila 10 dakikalık boş yatak temas süresinin katalitik indirgeme yoluyla etkili klor giderimi sağladığı deklorinasyonda üstündür.^[38] Yatak üzerindeki basınç düşüşü, Darcy yasası ile yönetilir ve şu şekilde ifade edilir:

$$ \Delta P = \frac{\mu L Q}{k A} $$

Burada akış hızı $ Q $, yatak derinliği $ L $’ye göre yük kaybını ($ \Delta P $) ters orantılı olarak etkileyerek dengeli verim ve enerji verimliliği için tasarıma rehberlik eder.^[39] Adsorpsiyon kapasitesi genellikle, yüksek kaliteli GAC için tipik olarak 900 mg/g’ı aşan iyot sayısı ile değerlendirilir.^[40]

Ekstrüde (Pelet) Aktif Karbon (EAC)

Ekstrüde aktif karbon (EAC), toz halindeki karbon öncüsünün bir bağlayıcı ile birleştirilmesi ve özel filtrasyon görevleri için gelişmiş yapısal bütünlük sağlayan, tipik olarak 1–5 mm çapında sert silindirik peletler halinde ekstrüde edilmesiyle oluşturulan kalıplanmış bir aktif karbon formudur. Bu şekil, EAC’yi düzensiz şekilli granül formlardan ayırarak sabit yataklı sistemlerde homojen paketleme ve azaltılmış kanallanma sağlar. Kömür katranı zifti veya katranlar ve reçineler gibi diğer organik malzemeler gibi bağlayıcıların kullanımı, şekillendirme sırasında kohezyonu sağlayarak bağlanmamış tozlardan veya granüllerden daha üstün sertliğe sahip bir ürün elde edilmesini sağlar.^[41]^[42]^[43]

EAC üretimi, kömür, hindistan cevizi kabukları veya odun gibi hammaddelerden türetilen karbonize edilmiş bir kömürün (char), hamur benzeri bir macun oluşturmak üzere bağlayıcı ile karıştırılmasıyla başlar; bu macun daha sonra sürekli silindirik ekstrüdatlar üretmek için bir ekstrüder kalıbından geçirilir. Bu ekstrüdatlar kurutulur ve adsorpsiyon için gerekli olan kapsamlı mikrogözenekli yapıyı geliştirmek için genellikle yüksek sıcaklıklarda (800–1000°C) buhar veya kimyasal yöntemlerle aktivasyona tabi tutulmadan önce boyuna kesilir. Bu sıralama (karıştırma, ekstrüzyon ve şekillendirme sonrası aktivasyon), %98’i aşan bilyalı tava (ball-pan) sertlik testleriyle ölçüldüğü üzere %2’nin altında aşınma kaybı ile karakterize edilen, yüksek mekanik mukavemete sahip, az tozlu bir ürün verir. Ortaya çıkan peletler minimum ufalanma sergiler, bu da EAC’yi parçacık parçalanmasının kirletici oluşturabileceği dinamik ortamlar için ideal hale getirir.^[44]^[45]^[46]

EAC’nin tasarımı, tekdüze silindirik geometrisi sayesinde granül aktif karbona (GAC) göre daha düşük akış direnci sunar; bu da gaz akışlarında basınç düşüşünü en aza indirirken adsorbatlar için verimli temas süresini korur. Bu özellik, düşük toz emisyonu ile birleştiğinde, EAC’yi özellikle hava temizleme ve kimyasal üretimden buhar ekstraksiyonu gibi endüstriyel süreçlerde solvent geri kazanımı gibi gaz fazı uygulamaları için uygun hale getirir. Gaz maskeleri gibi solunum korumasında, EAC’nin dayanıklılığı ve ihmal edilebilir toz üretimi, soluma tehlikesi riski olmadan güvenilir performans sağlar. Ek olarak, EAC, hedeflenen kirletici giderimi için reaktiviteyi artırmak üzere kimyasallarla emdirilebilir, ancak bu konu özel modifikasyon tekniklerinde ele alınmaktadır.^[46]^[47]^[48]

Boncuk Aktif Karbon (BAC)

Boncuk aktif karbon (BAC), adsorpsiyon sistemlerinde kanallanmayı en aza indiren tekdüze boyut dağılımı sunan, tipik olarak 0,3 ila 3 mm çapında değişen küresel parçacıklardan oluşur.^[49] Bu küresel morfoloji, 0,4–0,6 g/cm³’lük yığın yoğunluğu ile birleştiğinde, düzensiz şekillere kıyasla paketleme verimliliğini ve akış özelliklerini artırır.^[50] Boncuklar, genellikle %0,7’nin altındaki aşınma direnciyle yüksek mekanik mukavemet sergileyerek dinamik ortamlarda dayanıklılık sağlar.^[50]

BAC, petrol zifti, fenolik reçineler veya çapraz bağlı polistiren gibi karbon açısından zengin öncüler kullanılarak polimerizasyon veya emülsiyon teknikleriyle üretilir.^[49] İşlem, süspansiyon veya emülsiyon polimerizasyonu yoluyla küresel öncülerin oluşturulmasıyla başlar, ardından 700–900°C’de karbonizasyon ve tipik olarak 2000–2200 m²/g’ye varan yüzey alanlarına sahip gözenekli bir yapı geliştirmek için aktivasyon (buhar veya CO₂ kullanılarak fiziksel veya KOH ya da H₃PO₄ ile kimyasal) gelir.^[51] Bu entegre yöntem bağlayıcılardan kaçınarak adsorpsiyon için uygun tutarlı gözenek gelişimine sahip boncuklar elde edilmesini sağlar.^[50]

BAC’nin başlıca avantajları arasında, sıvılarla homojen teması kolaylaştıran ve basınç düşüşlerini azaltan hareketli veya akışkan yataklardaki üstün akışkanlığı yer alır.^[49] Tekdüze parçacık boyutu, tercihli akış yollarını önleyerek genel adsorpsiyon verimliliğini artırır.^[50] Altın geri kazanımında BAC, karbon-hamur (Carbon-in-Pulp / CIP) işleminde kullanılır; burada 1,7–3,35 mm boyutundaki boncuklar, karıştırma, pompalama ve rejenerasyon aşamalarında tekrarlanan döngüler için yüksek sertlik ve aşınma direncinden yararlanarak liç edilmiş hamurdan altın-siyanür komplekslerini adsorbe eder.^[52]

Emdirilmiş ve Kaplanmış Karbonlar

Emdirilmiş aktif karbonlar, granül veya toz formlar gibi bir baz aktif karbon substratının, spesifik reaktiviteyi veya seçiciliği artırmak için kimyasal ajanlar içeren çözeltilere batırılmasıyla üretilir.^[53] Bu emdirme işlemi, ajana ve uygulamaya bağlı olarak tipik olarak %5 ila 15 ağırlık oranı aralığındaki yükleme seviyeleriyle, reaksiyonları katalize eden veya hedeflenen kirleticiler için adsorpsiyonu iyileştiren aktif bileşikleri dahil eder.^[54] Yaygın emdirici maddeler arasında, gümüş iyonlarının mikrobiyal hücre duvarlarını bozarak su arıtma sistemlerinde E. coli gibi patojenlere karşı etkili olmasını sağlayan antibakteriyel özellikler için gümüş yer alır. Benzer şekilde, potasyum iyodür (KI) emdirme, biyogaz saflaştırmada işlenmemiş karbona göre daha iyi performans göstererek nemli koşullar altında hidrojen sülfürü (H₂S) elementel kükürde veya sülfata oksitleyerek H₂S giderimini kolaylaştırır.^[55] Bakır oksit (CuO) emdirme, formaldehiti hedefleyerek düşük konsantrasyonlarda gelişmiş performansla iç mekan hava filtrasyonunda CO₂ ve suya katalitik bozunmasını destekler.^[56]

Kaplanmış aktif karbonlar, adsorpsiyon özelliklerini uyarlamak için genellikle daldırma kaplama veya karbon substratı üzerine kimyasal aşılama yoluyla uygulanan ince polimer katmanlarıyla yüzey modifikasyonunu içerir. Doğal bir polisakkarit olan kitosan, amino ve hidroksil gruplarını dahil ederek hidrofilikliği artıran ve atık su arıtımında şelasyon mekanizmaları yoluyla kurşun (Pb²⁺) gibi ağır metallerin seçici adsorpsiyonunu sağlayan yaygın olarak kullanılan bir kaplamadır.^[57] Bu modifikasyon, hidrofobik baz karbonlara kıyasla su afinitesini artırarak yüksek yüzey alanını korurken temas verimliliğini ve rejenerasyon potansiyelini iyileştirir.^[58]

Genellikle karbonize edilmiş ve aktive edilmiş liflerden kumaş formunda olan dokuma aktif karbon, yapısal bütünlüğü korumak için genellikle dokumadan sonra gerçekleştirilen aktivasyon ile filtrasyon uygulamaları için esnek bir matris sağlar. Bu form, mikrogözenekli yapısının buharları, toksinleri ve partikülleri hızla adsorbe ettiği solunum cihazları ve koruyucu giysiler için özellikle uygundur ve granül yataklara hafif alternatifler sunar.^[59]

Katalitik emdirme, bakır veya demir gibi metallerin, amonyak veya hidrokarbonlarla Seçici Katalitik İndirgeme’yi (SCR) teşvik etmek için aktif karbon üzerine yüklendiği ve egzoz akışlarında düşük sıcaklıklarda (100-200°C) %90’a varan NOx dönüşümü sağlayan azot oksit (NOx) indirgemesine kadar uzanır.^[60] Bu emdirilmiş varyantlar, metal bölgelerinde redoks reaksiyonlarını kolaylaştırarak ve N₂O gibi ikincil emisyonları en aza indirerek standart karbonlardan daha iyi performans gösterir.^[53]

Özellikler

Fiziksel Özellikler

Aktif karbon, tipik olarak 77 K’de azot adsorpsiyonu kullanılarak Brunauer-Emmett-Teller (BET) yöntemiyle ölçülen, son derece yüksek spesifik yüzey alanlarına neden olan oldukça gözenekli bir yapı sergiler.^[61] Bu yüzey alanı, ticari formlar için genellikle 500 ila 1500 m²/g arasında değişir, ancak gelişmiş aktivasyon süreçleri, kompakt bir malzeme hacmi içinde kapsamlı adsorpsiyon bölgeleri sağlayarak 3000 m²/g’ye kadar değerlere ulaşabilir.^[62]^[63] Yine BET analizinden türetilen ilişkili toplam gözenek hacmi, tipik olarak 0,5 ila 1,5 cm³/g arasındadır ve malzemenin adsorbatlar için erişilebilirliğini toplu olarak tanımlayan mikrogözenekler (<2 nm), mezogözenekler (2–50 nm) ve makrogözenekler (>50 nm) arasında dağılır.^[64]

Aktif karbonun yoğunluk özellikleri, gözenekli mimarisini yansıtır. Tüm gözenekleri hariç tutan gerçek (iskelet) yoğunluk, saf karbon malzemelerininkine benzer şekilde yaklaşık 2,0–2,1 g/cm³’tür.^[65] Buna karşılık, kapalı gözeneklerin hacmini içeren ancak parçacıklar arası boşlukları hariç tutan görünür yoğunluk, aktivasyon derecesine ve öncül türüne göre değişerek 0,3 ila 0,6 g/cm³ arasında değişir.^[66] Parçacıklar arası boşlukları içeren paketlenmiş bir yatağın birim hacim başına kütlesi olan yığın yoğunluğu, 0,25–0,55 g/cm³ ile daha da düşüktür ve özellikle parçacık boyutu ve şekline karşı hassastır, bu da uygulamalarda elleçleme ve yatak tasarımını etkiler.^[67]

Parçacık boyutu dağılımı, parçacıkları mesh boyutuna göre sınıflandıran ASTM E11 gibi standartlara göre elek analizi yoluyla yaygın olarak belirlenen kritik bir fiziksel niteliktir.^[68] Granül aktif karbon için tipik dağılımlar, ABD elek terminolojisinde 8×30 mesh (0,60–2,36 mm) veya 12×40 mesh (0,425–1,70 mm) gibi aralıkları içerirken, toz formlar daha incedir, genellikle 0,18 mm’nin altındadır.^[65] Bu dağılımlar, sabit yataklardaki hidrolik akış direncini ve adsorpsiyon kinetiği hızını doğrudan etkiler; daha küçük parçacıklar daha hızlı difüzyon sunar ancak daha yüksek basınç düşüşlerine neden olur.^[69] Genel düşük yığın yoğunluğu, malzemenin hacminin önemli bir kısmını kaplayan geniş gözenek ağından kaynaklanır.^[65]

Adsorpsiyon Kapasitesi Metrikleri

Aktif karbonun adsorpsiyon kapasitesi, belirli molekülleri adsorbe etme yeteneğini nicelendiren standart testler aracılığıyla değerlendirilir ve gözenek yapısı ile çeşitli uygulamalara uygunluk hakkında bilgi sağlar. Bu metrikler, karbonun sıvılardan ve gazlardan kirleticileri gidermedeki etkinliğini belirleyen mikrogözenekli ve mezogözenekli hacimlerine odaklanır.^[70]

İyot sayısı, çözeltideki artık iyot konsantrasyonunun 0,02 N’ye ulaştığı standart koşullar altında aktif karbonun gramı başına adsorbe edilen iyotun miligramı olarak tanımlanır. Bu metrik öncelikle, küçük molekülleri adsorbe etmek için çok önemli olan mikrogözeneklerin (2 nm’den küçük gözenekler) içeriğini ölçer ve tipik değerler 500 ila 1200 mg/g arasında değişir, bu da yaklaşık 900 ila 1100 m²/g’lik yüzey alanlarına karşılık gelir. Daha yüksek iyot sayıları daha fazla mikrogözeneklilik gösterir ve su ve hava temizleme için karbonları değerlendirmek amacıyla yaygın olarak kullanılır.^[71]^[70]

Melas sayısı, aktif karbonun standart bir melas çözeltisi üzerindeki renk giderme verimliliğini bir referansa kıyasla ölçer; burada daha yüksek sayılar, mezogözenekler (2-50 nm) aracılığıyla daha büyük organik molekülleri adsorbe etme kapasitesinin daha yüksek olduğunu gösterir. Değerler, şeker rafinasyonu gibi renk giderme görevleri için optimize edilmiş ticari ürünlerde tipik olarak 95 ila 600 arasında değişir.^[72]

Metilen mavisi sayısı, gram aktif karbon başına adsorbe edilen metilen mavisi boyasının miligramını nicelendirir ve 1,5 nm’den büyük gözenek boyutlarının, özellikle daha büyük boya molekülleri ve organik kirleticiler için uygun mezogözeneklerin bir göstergesi olarak hizmet eder. Bu test, yüksek performanslı malzemeler için değerlerin genellikle 100 mg/g’ı aştığı atık su arıtımında karbonları değerlendirmek için değerlidir.^[73]

Karbon tetraklorür (CTC) aktivitesi, CTC’nin karbon numunesi tarafından adsorbe edilen yüzdesi olarak, numunenin ağırlığına göre kontrollü buhar fazı koşulları altında ifade edilir ve polar olmayan organik bileşikler için kapasiteyi değerlendirir. Tipik ticari değerler %20 ila %90 arasında değişir; daha yüksek yüzdeler, hava filtrasyon uygulamalarında uçucu organikler için gelişmiş adsorpsiyonu belirtir.^[74]

Mekanik ve Kimyasal Özellikler

Aktif karbon, akışkan yataklı reaktörler gibi mekanik stres içeren uygulamalar için çok önemli olan sertliği veya aşınma direnci ile değerlendirilen önemli bir mekanik dayanıklılık sergiler. ASTM D3802 kapsamında standartlaştırılan bilyalı tava (ball-pan) sertlik testi, elenmiş bir granül aktif karbon numunesinin bir tavada çelik bilyelerle 30 dakika boyunca çalkalanmasını ve ardından orijinal numunenin minimum parçacık boyutunun yarısı kadar açıklıklara sahip bir ağ üzerinde tutulan malzemenin yüzdesini ölçmek için elenmesini içerir. Yüksek kaliteli aktif karbonlar için tipik sertlik sayıları %95 ila %98 tutma aralığındadır, bu da minimum bozulmayı ve aşınmanın parçacık parçalanmasına ve performans düşüşüne yol açabileceği zorlu süreçler için uygunluğu gösterir.^[75]^[76]

Kimyasal olarak aktif karbon, hammaddelerden ve aktivasyon işleminden türetilen inorganik kalıntılar olarak kül içerir; bu kül tipik olarak yüksek sıcaklık işleminden sonra kalan metal oksitlerden ve tuzlardan oluşur. Kül içeriği genellikle birçok ticari kalite için ağırlıkça %3–10 aralığındadır ve malzemenin saflığını ve adsorpsiyon uygulamalarındaki potansiyel etkileşimini etkiler; daha yüksek seviyeler su kalitesini veya katalitik aktiviteyi etkileyen safsızlıklar getirebilir. Bu kalıntılar kömür veya odun gibi öncülerdeki minerallerden kaynaklanır ve ikincil kirlenmeyi en aza indirmek için hassas kullanımlarda düşük küllü varyantlar tercih edilir.^[77]^[78]

Aktif karbonun yüzey kimyası, adsorbatlarla etkileşimleri belirleyen pH’ı ve çeşitli fonksiyonel grupları ile karakterize edilir. Sıfır yük noktası pH’ı (pH_ZPC) tipik olarak 7 ila 10 arasında değişir; bunun altında yüzey, bazik bölgelerin protonlanması nedeniyle pozitif yüklenirken, bunun üzerinde asidik grupların deprotonlanması nedeniyle negatif yüklenir. Oksitlenmiş yüzeylerde karboksil (-COOH) ve fenolik (-OH) gibi asidik fonksiyonel gruplar baskındır ve elektrostatik çekim yoluyla ağır metaller gibi katyonik türlerin seçici adsorpsiyonunu artırırken, pironlar ve kromenler gibi bazik gruplar anyonik kirleticileri tercih eder.^[79]

Önemli bir kimyasal özellik, aktif karbonun redoks reaksiyonları yoluyla sudaki serbest klor türlerini katalitik olarak azalttığı deklorinasyon yeteneğidir. Birincil reaksiyon, karbon yüzeyiyle reaksiyona giren hipokloröz asidi (HOCl) içerir:

$$ \text{HOCl} + \text{C} \rightarrow \text{H}^+ + \text{Cl}^- + \text{CO} $$

Bu reaksiyon karbonu oksitlerken kloru zararsız klorür iyonlarına dönüştürür. Klor konsantrasyonunu %50 oranında azaltmak için gereken yatak derinliği olan deklorinasyon yarı değer uzunluğu, standart test koşulları altında (örneğin, AWWA B604 uyarınca nötr pH’da 2 mg/L klor ve belirtilen akış hızı) yüksek kaliteli karbonlar için tipik olarak 1 ila 3 inç arasında değişir.^[80]^[81]^[82]

Modifikasyon ve Reaktivasyon

Özellik Modifikasyonları

Aktif karbonun özellik modifikasyonları, fiziksel yapısını, yüzey kimyasını ve gelişmiş adsorpsiyon veya kataliz gibi hedeflenen uygulamalar için reaktivitesini özelleştirmek üzere üretim sonrası teknikleri içerir. Bu yöntemler, temel üretim sürecini değiştirmeden gözenek boyutu dağılımının ayarlanmasına, fonksiyonel grupların tanıtılmasına ve nanomalzemelerin entegrasyonuna izin verir. Fiziksel ve kimyasal yaklaşımlar, seçicilik ve kapasite gibi performans ölçütlerini optimize etmek için genellikle kombinasyon halinde kullanılır.^[83]

Fiziksel modifikasyonlar öncelikle parçacık morfolojisini ve gözenekliliği ayarlar. Öğütme ve eleme, su filtrasyonu gibi uygulamalarda erişilebilirliği ve akış dinamiğini iyileştirmek için parçacık boyutunu küçültür; örneğin, granül aktif karbonun bilyalı öğütülmesi, medyan parçacık çapını 140-190 μm’ye düşürürken yüzey oksijen içeriğini %34’e kadar artırabilir ve böylece organik kirleticiler için adsorpsiyon kinetiğini artırabilir. Buhar işlemi, mikrogözenekleri genişletmek ve genel gözenek hacmini artırmak için bir aktivasyon sonrası adımı olarak hizmet eder; bu, membran ayrımlarında helyum ve karbondioksit gibi gazlar için genişletilmiş iç yüzey alanı ve iyileştirilmiş gaz geçirgenlik oranları ile sonuçlanır. Bu değişiklikler, seçicilikten ödün vermeden verimi artırırken yapısal bütünlüğü korur.^[84]^[85]

Kimyasal modifikasyonlar, spesifik reaktif bölgeleri tanıtmak için yüzey fonksiyonelleştirmesine odaklanır. Nitrik asit (HNO₃) ile oksidasyon, yüzey asiditesini ve hidrofilikliği artıran karboksil ve fenolik kısımlar gibi oksijen içeren gruplar oluşturur; bu, kompleksleşme yoluyla Cu(II) ve Pb(II) gibi katyonik ağır metallerin adsorpsiyonunu artırır, ancak spesifik yüzey alanını %9-10 oranında azaltabilir. Genellikle 400-900°C’de amonyak işlemi veya amin bileşikleriyle emdirme yoluyla yapılan amin aşılama, pirolik ve piridinik gruplar gibi azot işlevselliklerini dahil ederek asit-baz etkileşimleri yoluyla CO₂ yakalama için bazik bölgeleri teşvik eder.^[86]^[83]

Gelişmiş teknikler, üstün özellikler elde etmek için nanoteknoloji ve dopingi entegre eder. Emdirme yoluyla %5-10 ağırlık oranında paladyum (Pd) yüklenmesi gibi metal dopingi, nitrobenzen indirgemesi gibi hidrojenasyon reaksiyonları için katalitik reaktiviteyi artırır; bu, verimli H₂ aktivasyonu için yayılma (spillover) etkilerinden ve oda sıcaklığında 40’a varan H₂/N₂ seçicilik oranlarından yararlanır. Yumuşak veya sert şablonların aktivasyonla birleştirilmesini içeren şablonlama yöntemleri, 3000 m²/g’yi aşan ultra yüksek yüzey alanları sağlar; dikkate değer bir örnek, biyokütle öncülerinin hipergolik reaksiyonları ve KOH aktivasyonu yoluyla 4800 m²/g verim sağlayarak CO₂ adsorpsiyonunu ve enerji depolama kapasitelerini önemli ölçüde artırır. Heterojen kataliz için nanoparçacık dağılımını da içeren bu modifikasyonlar, 2025 itibariyle ölçeklenebilirliğe ve çevresel uyumluluğa öncelik vermektedir.^[87]^[88]

Reaktivasyon Teknikleri

Termal reaktivasyon, kullanılmış aktif karbonun adsorpsiyon kapasitesini geri kazanmak için en yerleşik yöntemdir ve adsorbe edilen kirleticileri desorbe etmek ve gazlaştırmak için buhar veya karbondioksit varlığında yüksek sıcaklıkta işlemi içerir. İşlem tipik olarak karbonu, döner fırın gibi kontrollü bir atmosferde 800–950°C’ye ısıtır; burada buhar enjeksiyonu, uçuculaşma ve ardından gelen gazlaştırma reaksiyonları yoluyla organik adsorbatların giderilmesini kolaylaştırır. Örneğin, buharla birincil gazlaştırma reaksiyonu şöyledir:

$$ \text{C} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO} + \text{H}_2 $$

Bu, artık karbona bağlı kirleticileri gaz halindeki ürünlere dönüştürerek, kirletici türüne ve işlem koşullarına bağlı olarak orijinal adsorpsiyon kapasitesinin %75–90’ını geri kazandırır.^[89]^[90] Benzer şekilde, CO₂ de Boudouard reaksiyonu ($ \text{C} + \text{CO}_2 \rightarrow 2\text{CO} $) yoluyla aktive edici ajan olarak kullanılabilir; bu, aşırı karbon kaybı olmadan kalıcı organik kalıntıları oksitlemek ve gidermek için etkilidir. Bu yöntem, su arıtma karbonları için endüstriyel ortamlarda yaygın olarak uygulanır, ancak istenmeyen karbon yanmasını en aza indirmek için önemli enerji girdisi ve özel ekipman gerektirir.^[90]

Kimyasal rejenerasyon, yüksek sıcaklıklar olmadan kirleticileri desorbe etmek için solvent ekstraksiyonuna veya asit yıkamaya odaklanan, termal yöntemlere göre daha düşük enerjili bir alternatif sunar. Solvent ekstraksiyonunda, pestisitler veya hidrokarbonlar gibi adsorbe edilen organikleri çözmek ve uzaklaştırmak için etanol gibi organik çözücüler kullanılır ve MCPA gibi belirli bileşikler için bazı durumlarda %99’u aşan desorpsiyon verimliliği elde edilir. Genellikle nitrik asit veya hidroklorik asit ile yapılan asit yıkama, protonlama ve çözündürme yoluyla inorganik veya polar kirleticileri hedefler ve karbonun gözenekli yapısına daha az zarar verirken adsorpsiyon bölgelerinin kısmi geri kazanımını sağlar. Bu teknikler laboratuvar veya küçük ölçekli uygulamalar için özellikle uygundur, ancak güçlü bir şekilde bağlı adsorbatların tam olarak giderilememesi nedeniyle tipik olarak genel kapasitenin yalnızca %50–80’ini geri kazandırır ve uygun şekilde bertaraf edilmesi gereken sıvı atıklar üretir.^[91]^[92]^[93]

Elektrokimyasal reaktivasyon, karbonla temas halindeki elektrotlarda oksidasyon veya indirgeme reaksiyonları yoluyla kirleticileri desorbe etmek için bir elektrik potansiyeli uygulayan, enerji açısından verimli başka bir yaklaşımı temsil eder. Bu yöntem, ortam sıcaklıklarında ve basınçlarında çalışarak fenol gibi organikler için %70-85 rejenerasyon verimliliği sağlar ve termal süreçlere kıyasla daha düşük enerji tüketimi (örneğin, 10-20 kWh/kg karbon) sunar. Akışlı reaktörlerdeki granül aktif karbon için uygundur, ancak 2025 itibariyle yüksek hacimli endüstriyel kullanım için elektrot kirlenmesi ve sınırlı ölçeklenebilirlik gibi zorluklarla karşı karşıyadır.^[94]^[95]

Biyolojik rejenerasyon, 2020’lerde ortaya çıkan bir yaklaşım olarak, aktif karbon üzerinde adsorbe edilen düşük konsantrasyonlu organik kirleticileri parçalamak için mikrobiyal bozunmayı kullanır ve kirleticileri doğrudan karbon yüzeyinde metabolize etmek için bakteri veya mantarlardan yararlanır. Pseudomonas türleri gibi mikroorganizmalar karbon üzerine immobilize edilebilir; burada yüzey aktif maddeler veya farmasötikler gibi inatçı organikleri ortam koşullarında enzimatik olarak parçalayarak, termal veya kimyasal girdiler olmadan uzun süreler boyunca adsorpsiyon kapasitesinin %60–90’ını geri kazandırırlar. Bu yöntem, seyreltik atık sular için çevre dostu ve uygun maliyetlidir ancak termal süreçlerden daha yavaştır ve biyolojik olarak parçalanabilir kirleticiler için en uygun olanıdır; devam eden araştırmalar daha geniş uygulanabilirlik için mikrobiyal konsorsiyumları optimize etmeye odaklanmaktadır.^[96]^[97]

Ekonomik olarak, reaktivasyon teknikleri aktif karbonun operasyonel ömrünü önemli ölçüde uzatır ve kümülatif kapasite kaybı nedeniyle değiştirilmesi gerekmeden önce 3–5 yeniden kullanım döngüsüne izin verir. Ancak, her döngü mekanik aşınma ve kısmi oksidasyon nedeniyle %5–10 oranında yıpranma (attrition) kaybına neden olur ve bu da büyük ölçekli sistemlerde karbon envanterinin periyodik olarak yenilenmesini gerektirir. Bu faktörler, özellikle atık su arıtımı gibi sürekli süreçlerde, işlenmemiş karbon kullanımına kıyasla genel maliyetleri %50’ye kadar düşürmek için reaktivasyonu uygulanabilir kılmaktadır.^[98]^[99]

Uygulamalar

Çevre ve Su Arıtımı

Aktif karbon, çevresel iyileştirme ve su arıtımında, öncelikle sulu ve gazlı akışlardan kirleticileri yakalayan adsorpsiyon süreçleri yoluyla çok önemli bir rol oynar. Su saflaştırmada, granül aktif karbon (GAC), pestisitler, uçucu organik bileşikler (VOC’ler) ve dezenfeksiyon yan ürünleri gibi organik kirleticileri gidermek için sabit yataklı filtrelerde yaygın olarak kullanılır. Bu adsorpsiyon mekanizması, karbonun yüksek yüzey alanına dayanır; bu alan, polar olmayan organikleri van der Waals kuvvetleri aracılığıyla çekerek konsantrasyonları içme suyu standartlarını karşılayacak şekilde etkili bir şekilde azaltır. Ek olarak GAC, klor kalıntılarını katalitik olarak azaltır ve doğal organik maddelerin neden olduğu tat, koku ve renk sorunlarını hafifletir. Tipik tasarımlar, optimum organik giderimi için 10–30 dakikalık boş yatak temas süreleri (EBCT) içerir ve su ile karbon yatağı arasında yeterli etkileşimi sağlar.^[82]^[100]^[101]

Hava temizleme için aktif karbon, endüstriyel emisyonlardan ve iç ortamlardan VOC’leri ve kokuları filtreler; genellikle HVAC üniteleri veya egzoz arıtma sistemlerine entegre edilir. Gaz maskeleri gibi kişisel koruyucu donanımlarda, emdirilmiş varyantlar seçiciliği artırır; örneğin, potasyum hidroksit veya trietilendiamin ile işlenmiş karbonlar amonyak (NH₃) gibi alkali gazları hedeflerken, bakır veya çinko oksitlerle emdirilmiş olanlar kimyasal adsorpsiyon yoluyla hidrojen sülfürü (H₂S) ele alır. Bu modifikasyonlar, atık su arıtma tesisleri veya kimyasal işleme tesisleri gibi yüksek konsantrasyonlu senaryolarda belirli gazların verimli bir şekilde giderilmesini sağlar.^[102]^[103]

Daha geniş çevresel iyileştirmede, kükürt emdirilmiş aktif karbon, baca gazı akışlarında cıva yıkanması (scrubbing) için kullanılır; burada elementel cıva buharı kükürde kimyasal olarak bağlanarak kontrollü koşullar altında %90’ı aşan giderme verimliliği sağlar. Kirlenmiş sahalarda toprak buharı ekstraksiyonu (SVE) için, buhar fazlı aktif karbon, doymamış topraklardan çıkarılan atık gazları işler, VOC’leri ve yarı uçucuları adsorbe ederek yerinde temizlik sırasında atmosfere salınımını önler. Bu uygulama, karbon ünitelerinin ekstraksiyon sonrası bir parlatma adımı olarak hizmet ettiği Superfund sahalarında yaygındır.^[104]^[105]

1974 Güvenli İçme Suyu Yasası’ndan (SDWA) kaynaklanan düzenleyici çerçeveler, 2024’te per- ve polifloroalkil maddeler (PFAS) için ulusal birincil içme suyu standartlarını belirleyen önemli güncellemelerle birlikte, kirletici kontrolü için aktif karbon kullanımını giderek daha fazla zorunlu hale getirmiştir. ABD Çevre Koruma Ajansı (EPA), GAC’yi PFAS giderimi için en iyi mevcut teknoloji olarak belirlemiş, PFOA ve PFOS için trilyonda 4 parça sınırlarını ve ayrıca dört ek PFAS bileşiği için standartları hedeflemiştir. Bu kurallar, kamu su sistemlerinin 2027 yılına kadar PFAS için ilk izlemeyi tamamlamasını ve 2029 yılına kadar maksimum kirletici seviyelerine (MCL’ler) uyumu sağlamasını gerektirmekte ve GAC adsorpsiyonunu, birlikte bulunan organikleri de ele alan uygun maliyetli bir uyum yöntemi olarak teşvik etmektedir; ancak Mayıs 2025 itibariyle EPA, PFOA ve PFOS için uyum süresini 2031’e uzatmayı önermiştir.^[106]^[107]

Tıbbi ve Analitik Kullanımlar

Aktif karbon, toksinleri gastrointestinal kanalda adsorbe ederek kan dolaşımına emilimini önlemek suretiyle akut zehirlenmeleri tedavi etmek için tıbbi toksikolojide kritik bir ajan olarak hizmet eder. Striknin veya tropan alkaloidleri gibi alkaloidleri içeren aşırı doz vakalarında, bu maddeleri bağlamak ve fekal atılım yoluyla elimine etmek için yetişkinlere genellikle 50 ila 100 gram aktif karbonluk tek bir oral doz uygulanır.^[108]^[109] Benzer şekilde, karbamatlardan kaynaklananlar gibi pestisit zehirlenmeleri için, yutma bir saat içinde gerçekleşmişse, vücut ağırlığının kilogramı başına 1 gramlık önerilen dozlarla gastrointestinal dekontaminasyon için aktif karbon düşünülebilir, ancak etkinliği tartışmalıdır; organofosfatlar için daha az etkilidir.^[110]^[108] Bu adsorpsiyon öncelikle, toksin molekülleri ile karbonun gözenekli yüzeyi arasındaki van der Waals kuvvetleri gibi spesifik olmayan fiziksel etkileşimler yoluyla gerçekleşir.^[108]

Etkinliğine rağmen, aktif karbon sindirilemez ve inerttir; metabolize edilmeden veya emilmeden sindirim sisteminden geçer, bu da çoğu durumda ikincil riskleri en aza indirir.^[111] Ancak, petrol distilatları gibi hidrokarbonları içeren zehirlenmelerde, endoskopik değerlendirmeyi engelleyebileceği ve bunların doğal toksisitesini hafifletmediği için kontrendikedir.^[112]

Analitik kimyada aktif karbon, eser analitleri karmaşık matrislerden önceden konsantre etmek ve tespit hassasiyetini artırmak için katı faz ekstraksiyonu (SPE) tekniklerinde bir sorbent olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Çevresel veya biyolojik numunelerde kadmiyum, kobalt, bakır, nikel, kurşun ve çinko gibi ağır metaller için modifiye edilmiş aktif karbon, enstrümantal analiz öncesinde eser seviyelerde verimli ayırma ve zenginleştirme sağlar.^[113] Ayrıca, uçucu organik hidrokarbonlar ve diğer kirleticiler dahil olmak üzere organik bileşiklerin, gaz kromatografisi-kütle spektrometrisi gibi yöntemlerle daha sonraki elüsyon ve miktar tayini için yüksek yüzey alanlı yapısına adsorbe edilerek ekstraksiyonunu destekler.^[114]^[115]

Toksikoloji ve analizin ötesinde, aktif karbon, damıtılmış içeceklerin saflaştırılmasında önemli bir rol oynar; votka ve viski üretimi sırasında distilattan safsızlıkları, renklendiricileri ve kötü tatları gidermek için renk giderme amacıyla kullanılır.^[116] Bu işlem, genellikle aktif karbon yataklarından veya filtrelerinden geçişi içerir ve alkol içeriğini değiştirmeden berraklığı ve duyusal kaliteyi artırır.^[117]

Endüstriyel ve Enerji Depolama Uygulamaları

Madencilik endüstrisinde, aktif karbon, altın geri kazanım süreçlerinde, özellikle altın-siyanür komplekslerinin doğrudan liç çözeltisinden karbon yüzeyine adsorbe edildiği “karbon-içinde-liç” (Carbon-in-Leach / CIL) yöntemi aracılığıyla çok önemli bir rol oynar.^[118] Bu işlem, liç (süzme) ve adsorpsiyonu tek bir adımda birleştirerek verimliliği artırır ve geleneksel yöntemlere kıyasla daha yüksek altın verimi sağlar.^[52] Adsorpsiyon davranışı genellikle Freundlich izotermi kullanılarak modellenir ve şu şekilde ifade edilir:

$$ q = K C^{1/n} $$

Burada $ q $, birim karbon kütlesi başına adsorbe edilen altın miktarını, $ C $ çözeltideki denge konsantrasyonunu, $ K $ Freundlich sabitini ve $ 1/n $ adsorpsiyon yoğunluğunu gösterir; bu model, siyanür çözeltilerinden aktif karbon üzerine altın yüklemesi için iyi bir uyum sağlar.^[119]

Madenciliğin ötesinde aktif karbon, endüstriler arası kimyasal saflaştırmada yaygın olarak kullanılır; burada seçici adsorpsiyon yoluyla solventler, farmasötikler ve petrokimyasallar gibi sıvı ürünlerden safsızlıkları, renkleri ve kokuları giderir.^[120] Yüksek yüzey alanı ve ayarlanabilir gözenek yapısı, dökme kimyasalların rengini ve kokusunu gidermek için etkili olmasını sağlar ve üretimde kalite standartlarına uyumu garanti eder.^[121] Yakıt depolama uygulamalarında, aktif karbon doğal gaz, özellikle metan için bir adsorban görevi görür ve optimize edilmiş malzemelerde 0,32 g-CH₄/g-karbon kapasiteleriyle yaklaşık 30 bar gibi ılımlı basınçlarda depolamaya olanak tanır.^[122] Bu yaklaşım, aşırı koşullar gerektirmeden hacimsel depolama verimliliğini artırarak sıkıştırılmış doğal gazlı araçları destekler.^[123]

Aktif karbon ayrıca heterojen katalizde bir destek olarak işlev görür ve hidrokarbonların veya alkollerin seçici oksidasyonu gibi reaksiyonlarda metal katalizörler için kararlı, yüksek yüzey alanlı bir matris sağlar.^[124] Örneğin, bakır veya kobalt gibi geçiş metalleriyle emdirme, atık su arıtımı için ıslak oksidasyon süreçlerindeki aktivitesini artırarak önemli kimyasal oksijen ihtiyacı düşüşü sağlar.^[125] Çevresel katalizde, kükürt emdirilmiş aktif karbon, kömürle çalışan elektrik santrali baca gazlarında cıva yıkanması için kullanılır ve kimyasal adsorpsiyon yoluyla %90’ı aşan verimlilikle elementel ve oksitlenmiş cıvayı yakalar.^[126] Bu uygulama, mevcut baca gazı arıtma sistemleriyle bütünleşerek yönetmeliklere uygun olarak emisyonları en aza indirir.^[127]

Enerji depolamada, aktif karbon elektrotlar, elektrokimyasal çift katmanlı kapasitörleri (EDLC’ler) veya süperkapasitörleri mümkün kılar; optimize edilmiş mikrogözenek yapıları sayesinde sulu elektrolitlerde 300 F/g’ye varan spesifik kapasitanslarla elektrot-elektrolit arayüzünde iyon adsorpsiyonu yoluyla yük depolar.^[128] Bu cihazlar, yüksek güç yoğunluğu ve hızlı şarj-deşarj döngüleri sunarak onları araçlarda rejeneratif frenleme gibi uygulamalar için uygun hale getirir.^[129] Lityum iyon pillerde anot olarak aktif karbon, iletkenliğinden ve önemli hacim genişlemesi olmadan lityum interkalasyonunu barındırma yeteneğinden yararlanarak ılımlı oranlarda 750 mAh/g civarında tersinir kapasitelerle kararlı döngü sağlar.^[130]

2025 itibariyle gelişmeler, aktif karbonu psödokapasitif malzemelerle birleştiren yüksek yoğunluklu hibrit sistemlere odaklanmış ve geliştirilmiş iyon taşınımı ve yüzey fonksiyonelleştirmesi yoluyla lityum iyon hibrit kapasitörlerde 100 Wh/kg’ın üzerinde enerji yoğunluklarına ulaşmıştır.^[131] Grafen veya metal oksitlerin aktif karbon matrislerine dahil edilmesi gibi nanoteknoloji geliştirmeleri, gözenek erişilebilirliğini ve elektriksel iletkenliği iyileştirerek EDLC kapasitanslarını 500 F/g’ye çıkarmış ve geleneksel çift katmanlı depolamadaki sınırlamaları ele almıştır.^[132] Bu hibritler, piller ve süperkapasitörler arasındaki boşluğu doldurarak ölçeklenebilir, sürdürülebilir enerji çözümlerini mümkün kılar.^[133]

Diğer Özel Kullanımlar

Tarımda aktif karbon, pestisit adsorpsiyonunu artırmak için bir toprak düzenleyici olarak hizmet eder, böylece bu kimyasalların topraktaki hareketliliğini ve biyoyararlanımını azaltır ve mahsuller tarafından alımını en aza indirir.^[134] Bu uygulama, aktif karbonun insektisitler gibi kalıcı organik kirleticileri bağlayarak yeraltı sularına sızmasını önlediği kirlenmiş alanların iyileştirilmesinde özellikle değerlidir.^[135] Ek olarak, aktif karbon, hayvancılık yemlerinde bir katkı maddesi olarak kullanılır; küfler tarafından üretilen aflatoksinler gibi toksinleri gastrointestinal kanalda adsorbe ederek ve emilimlerini azaltarak çiftlik hayvanlarının toksin maruziyetini hafifletir.^[136] Çalışmalar, bu tür takviyelerin, besin alımını olumsuz etkilemeden süt ineklerinde aflatoksin toksisitesini azaltabileceğini göstermiştir.^[137]

Gıda endüstrisinde, aktif karbon esas olarak işleme sırasında renk giderici ve saflaştırıcı bir ajan olarak işlev görür. Şeker rafinasyonunda, ham şeker çözeltilerinden renk safsızlıklarını gidermek, şeker olmayan organik bileşiklerin seçici adsorpsiyonu yoluyla berraklığı ve verimi artırmak için kullanılır.^[138] Bitki kaynaklarından türetilen özel bir aktif karbon formu olan bitkisel karbon, şekerleme ve unlu mamuller gibi ürünlere siyah bir renk vermek için E153 gıda katkı maddesi olarak onaylanmıştır; burada besinsel etkisi olmayan doğal bir pigment görevi görür.^[139] Aktif karbonun adsorptif özellikleri, belirli formülasyonlarda burukluğu ve renk stabilitesini ayarlamak için tanen adsorpsiyonunu hedeflediği şarap stabilizasyonuna da kısaca uzanır.^[140]

Aktif karbon, sigara filtrelerinde olduğu gibi tütün dumanı filtrasyon sistemlerinde de önemli bir rol oynar; burada ana akım dumanından uçucu organik bileşikleri, katranı ve nikotini yakalar. Kömür entegre filtreler, standart selüloz asetat filtrelere kıyasla gaz fazı radikallerini %40’a kadar ve karbonil bileşiklerini daha yüksek yüklemelerde yaklaşık %99 oranında azaltabilir.^[141]^[142] Dokuma aktif karbon kumaşlar, pipolar veya elektronik sigaralar için gelişmiş tuzaklarda ve ağızlıklarda kullanılır ve soluma sırasında zararlı partiküllerin ve kokuların tutulmasını artıran gözenekli bir matris sağlar.^[143]

Aktif karbonun yeni ortaya çıkan uygulamaları arasında, malzemenin yüksek yüzey alanının cilt temizliği için gözeneklerden kirleri, fazla yağı ve toksinleri çıkardığı detoksifiye edici yüz maskeleri gibi kozmetiklerde kullanımı yer almaktadır.^[144] Biyoyakıt üretiminde aktif karbon, biyodizel üretiminden kalan ağır metaller ve renk cisimleri gibi artık kirleticileri adsorbe ederek saflaştırmayı kolaylaştırır, yakıt kalitesini artırır ve berraklık ve stabilite için düzenleyici standartları karşılar.^[145] Örneğin, kakao kabukları gibi tarımsal atıklardan türetilen karbonlar, ön işlem aşamalarında safsızlıkların giderilmesinde etkili olduğunu göstermiştir.^[146]

Aktif Karbon

Tarihçe ve Genel Bakış

Tarihsel Gelişim

Tanım ve Yapı

Üretim

Hammaddeler

Aktivasyon Yöntemleri

Sınıflandırma

Toz Aktif Karbon (PAC)

Granül Aktif Karbon (GAC)

Ekstrüde (Pelet) Aktif Karbon (EAC)

Boncuk Aktif Karbon (BAC)

Emdirilmiş ve Kaplanmış Karbonlar

Özellikler

Fiziksel Özellikler

Adsorpsiyon Kapasitesi Metrikleri

Mekanik ve Kimyasal Özellikler

Modifikasyon ve Reaktivasyon

Özellik Modifikasyonları

Reaktivasyon Teknikleri

Uygulamalar

Çevre ve Su Arıtımı

Tıbbi ve Analitik Kullanımlar

Endüstriyel ve Enerji Depolama Uygulamaları

Diğer Özel Kullanımlar

Referanslar