کربن فعال به گروهی از مواد اطلاق می­ شود که دارای جنسی زغالی و یک جامد بی­شکل و غیرگرافیتی با تخلخل و مساحت داخلی بالا است. منافذ کربن فعال باعث افزایش سطح داخلی و در نتیجه افزایش جذب سطحی می­ شود. کربن­های فعال به­عنوان جاذب­های حیاتی در صنایع شناخته شده اند و کاربردهای گسترده­ای با توجه به قابلیت جذب گازها و مایعات مزاحم دارند و می­توان از آن­ها برای تصفیه و پاکسازی و حتی بازیافت مواد شیمیایی استفاده نمود]۱۵٫[ کربن­های فعال به­ دلیل ویژگی­های منحصر به ­فرد و همچنین قیمت پایین در مقایسه با جاذب­های غیر آلی مانند زئولیت از اهمیت ویژه­ای برخوردار می­باشند. کربن­های فعال به­ دلیل مساحت گسترده آن­ها، ساختار منفذی، ظرفیت جذب بالا و قابلیت فعال سازی مجدد سطح، پایداری حرارتی، واکنش پذیری پایین، شیمی کئوردیناسیون انعطاف پذیر و توانایی آن برای واکنش با هترو اتم­های دیگر، یک ماده منحصر به­فرد می­باشند]۱۶[. کاربرد مهم و قابل اهمیت آن­ها در حذف رنگ، مزه­های غیر دلخواه از آب در عملیات­های خانگی و صنعتی، بازیافت حلال، تصفیه هوا، صنایع غذایی و شیمیایی می­باشد، همچنین با مواد غیرآلی به­عنوان کاتالیزگر نیز استفاده می­شوند. در داروسازی نیز برای مبارزه با یک نوع باکتری خاص مورد استفاده قرار می­گیرند و به­عنوان جدا کننده اسیدهای آروماتیک از حلال در داخل اسیداستیک نیز می­توان از کربن فعال استفاده کرد. کربن­های فعال شده محصولات پیچیده­ای می­باشند و به­تبع طبقه بندی بر اساس رفتار، مشخصات سطح و روش آماده سازی آن­ها مشکل می­باشد، هرچند یک­سری طبقه بندی بر اساس مشخصات فیزیکی آن­ها انجام شده است.

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

۱-۱-۳-۱-۱ انواع کربن فعال
کربن فعال پودری^[۵] ( دارای اندازه ای کمتر از ۱۰۰ نانومتر و میانگین قطری بین ۱۵ تا ۲۵ میکرومتر)]۱۷[.
کربن فعال گرانولی^[۶] ( دارای اندازه ای بزرگ­تر از کربن فعال شده پودری]۱۸[.
کربن فعال فیبری^[۷]
کربن نانوتیوب^[۸]
هر یک از انواع کربن فعال ویژگی­ها و کاربردهای خاصی دارند] ۱۹[، در شکل ۱-۱ تصویری از چهار نوع کربن نشان داده شده است.

شکل ۱-۱: تصویری از کربن فعال پودری،گرانوله و فیبری و کربن نانوتیوب (به­ترتیب از چپ به راست).
۱-۱-۳-۱-۲ ساختار کربن فعال
اولین تلاش جدی برای فهم ساختار، توسط رزالیند فرانکلین^[۹] در دهه ۱۹۵۰ صورت گرفت. وی نشان داد که این کربن­ها به دو دسته متمایز گرافیتی و غیر گرافیتی تقسیم می­شوند.
کربنی که کربن فعال از آن مشتق می­ شود از نوع غیرگرافیتی می­باشد و نمی­تواند تبدیل به گرافیت بلوری شود. مطالعات اخیر نشان می­دهد که کربن غیرگرافیتی ساختاری مرتبط با فولرین­ها دارد. به­عبارت دیگر این نوع کربن شامل قطعات منحنی شکل است که این قطعات خود شامل پنج ضلعی­ها، شش ضلعی­ها و دیگر حلقه های غیر شش ضلعی­ می­باشند که در شکل ۱-۲ نشان داده شده است.
شکل ۱-۲: تصویر قطعات کربنی منحنی شکل، شامل حلقه­های پنج ضلعی، شش ضلعی، هفت ضلعی
چنین ساختاری کمک به درک بسیاری از خواص کربن­های غیرگرافیتی مانند وجود تعداد زیادی از منافذ میکرو، سختی و مقاومت در برابر گرافیتی شدن می­ کند. ساختاری شامل حلقه­های پنج ضلعی به طور طبیعی متخلخل خواهد بود و به­علت انحنای لایه­ های کربن در مقایسه با دیگر کربن­ها، به­ دلیل غیاب لایه­ های گرافیتی موازی، نسبتا سخت می­باشد]۲۰٫[
۱-۱-۳-۱-۳ اندازه و ساختار منافذ کربن فعال
منافذ در کربن فعال دارای اندازه و شکل­های متفاوتی می­باشند که در شکل۱-۳ نشان داده شده است و تعیین اندازه آن می ­تواند راهی مناسب برای تشخیص خصوصیات آن باشد که بر اساس تعریف آیوپاک در سه گروه دسته بندی شده ­اند:
ماکرومنافذ^[۱۰]: دارای میانگین قطری بیش­تر از ۵۰ نانومتر می­باشند.
مزومنافذ^[۱۱]: دارای قطری برابر با ۲ الی ۵۰ نانومتر می­باشند.
میکرومنافذ^[۱۲]: دارای قطری کمتر از ۲ نانومتر می­باشند که خود نیز به سوپر و آلترا میکرو تقسیم می­شوند]۲۱ .[
انتقال مایع از میان کربن فعال در منافذ ماکرو و جذب اغلب در منافذ مزو و میکرو صورت می­گیرد]۲۲[.
شکل ۱-۳: انواع منافذ در کربن فعال.
۱-۱-۳-۱-۴ ویژگی­های کربن فعال
ویژگی­های کربن فعال آن را برای استفاده به­عنوان بستر مناسب کاتالیزگر سودمند ساخته است. برخی از این ویژگی­ها شامل موارد زیر است:
مساحت سطح بالا: کربن­های فعالی که به­عنوان بستر کاتالیزگر برای فلزات استفاده می­شوند، دارای مساحت سطح m²/g 1200 می­باشند. در این­صورت فلزات روی سطح بزرگی پخش شده و به­ طور ﻣﺆثری بکار گرفته می­شوند.
عملکرد مناسب در فشار بالا: می­توان از کربن فعال در واکنش­هایی با فشار بالا، بدون تخریب ساختار بهره برد.
عملکرد مناسب در دمای بالا: واکنش­ها در دماهای بالا می­توانند در حضور کربن فعال انجام گیرند. در صورتی­که در این واکنش­ها ازداخل شدن اکسیژن و بخار آب جلوگیری به­عمل آید، ویژگی­های سطح حفظ شده و از ایجاد کلوخه جلوگیری می­ شود.
خنثی بودن: کربن فعال به­ طور ذاتی خنثی است و این ویژگی سبب می­ شود که با واکنش اصلی که روی آن انجام می­گردد، هیچ­گونه تداخلی نداشته باشد.
فضاویژه بودن: کربن­های فعال ویژگی­های فضاویژه منحصر به فردی دارند که آن­ها را برای گستره وسیعی از واکنش­ها ارزشمند می­سازد.
قابلیت کنترل حفرات: این ویژگی کربن فعال، گستره کاربردهای آن را در فرآیندهای کاتالیزوری افزایش می­دهد.
قابلیت بازیابی آسان: اگر ناخالصی­ها از کربن فعال استفاده شده حذف گردند، می ­تواند تا %۸۰ تأثیرش را بدست آورد و دوباره مورد استفاده قرار گیرد]۲۳[.
به­ طور کلی کربن فعال به­علت دارا بودن ویژگی­های مذکور، دارای کاربردهای فراوانی بوده و به­ طور گسترده در صنایع شیمیایی بکار گرفته می­ شود.
در بخش بعدی به برخی از پژوهش­هایی که تا کنون برروی کربن فعال به­عنوان بستر کاتالیزگر صورت گرفته است، پرداخته می­ شود
۱-۱-۴ واکنش اپوکسایش کاتالیزوری آلکن­ها
۱-۱-۴-۱ مکانیسم واکنش­های اپوکسایش کاتالیزوری با آلکیل هیدروژن پراکسیدها
انتخاب­گری بالا و فضاگزینی در اپوکسایش آلکن­ها تنها با مکانیسم گسستنی سازگار است. در این مکانیسم انتقال اکسیژن از کمپلکس پراکسو فلز الکترون­دوست، به پیوند دوگانه آلکن رخ می­دهد. با این­که بررسی­های فراوانی در این زمینه انجام شده است اما مکانیسم فرایند جابه­جا شدن اکسیژن هنوز جای گفتگوی بسیاری دارد. مکانیسمی توسط شلدون^[۱۳] در سال ۱۹۷۳ گزارش شده است که در شکل ۱-۴ آورده شده است]۲۴[. بعدها شارپلس^[۱۴] مکانیسمی را بر پایه مزاحمت­های فضایی ارائه داد که در آن کوئوردیناسیون آلکیل­پراکسو با اکسیژن نزدیک نسبت به اکسیژن دور امکان­پذیرتر است]۲۴[ (شکل۱-۵).
شکل ۱-۴: مکانیسم شلدون در اپوکسایش آلکن­ها]۲۴[.
شکل ۱-۵: مکانیسم شارپلس در اپوکسایش آلکن­ها]۲۴ .[
۱-۱-۴-۲ اپوکسایش آلکن­ها با کاتالیزگرهای حاوی مولیبدن
کمپلکس­های مولیبدن برای واکنش­های اپوکسایش با آلکیل هیدروژن پراکسید در جایگاه اکسنده بسیار مناسب هستند. مکانیسم سویزاک بر مبنای تشابه ساختاری کاتالیزگر در این زمینه پذیرفته شده است که نمونه ­ای از آن برای اپوکسایش سیکلوهگزن با در شکل ۱-۶ آمده است. فرایندهای پایه به ­قرار زیر هستند:
۱-تشکیل کمپلکس میانی t-BuOOH(L)₂MoO₂ و فعال سازی مولکول TBHP
۲- برهم­کنش بین آلکن و مولکول TBHP که در کوئوردیناسیون کمپلکس مولیبدن رخ می‌دهد.
۳-شکل­ گیری اپوکسید و بدست آمدن t-BuOHاز TBHP
۴-جانشینی t-BuOH با TBHPو بدست آوردن دوباره کمپلکس میانی t-BuOOH(L)₂MoO₂
شکل ۱-۶: چرخه کاتالیزوری جا به­جا شدن اکسیژن به اولفین­ها با اکسنده ترشیو بوتیل هیدروژن پراکسید و کاتالیزگر مولیبدن ]۲۵ .[
۱-۱-۴-۳ مروری بر کارهای گذشته