1

การเตรยมถานกมมนตจากไมไผ

รศ.ดร. อภสฏฐ ศงสะเสน

2

ถานกมมนตคออะไร ?

ผลตภณฑของคารบอน ซงเปนสารดดซบชนดหนงมลกษณะเปนของแขงสดา

อาจอยในรปของผงหรอเมดกได

มโครงสรางรพรนขนาดเลก พนทผวดดซบสง ทาใหมสมบตการดดซบทด

ใชประโยชนในการกาจดกลน ส หรอแกส

โดยทวไปมกจะเลอกวสดทจะนามาใชเปนวตถดบในการผลตถานกมมนต

โดยเปนของเหลอทง หรอมราคาถก มปรมาณคารบอนสง มปรมาณ

สารอนนทรยตา มปรมาณเถาตา

วตถดบสวนใหญ เปนวสดเหลอทงทางการเกษตร มาผานกระบวนการกระตน

เชน กะลามะพราว ชานออย กะลาปาลม ไมไผ หรอ พวกถานหนประเภทลกไนต

เปนตน

1

3

มอก. 900-2532

ผลตภณฑทไดจากการนาวตถดบตามธรรมชาต ทมคารบอนเปน

องคประกอบหลก มาผานกรรมวธกอกมมนตจนไดผลตภณฑสดา

มโครงสรางทมลกษณะเปนรพรน มพนทผวสง มสมบตในการดดซบ

สารตาง ๆ ไดเปนอยางด

2

4

กาลงขยายกลองจลทรรศน

ถานกมมนตมรเลกๆ (cavernous pores) จานวนมาก

ทาใหมพนทผวมากกวาสารชนดอนทมนาหนกเทากน

3

สมบตพเศษของถานกมมนต

3

5

ชนดของถานกมมนต

Powder

ขนาดเลกกวา 0.18 มม.Powder

ขนาด 0.2 ถง 5 มม.Powder

ขนาดมากกวา 5 มม.

4

6http://www.chemvironcarbon.com/carbon/definition/whatis.htm

Size predominantly less than 0.18mm. Mainly used in liquid phaseapplications and for flue gas treatment.

sizes ranging from 0.2 - 5 mm. Used in both liquid and gas phase applications

Diameters from 0.8 to 5 mm. Mainly used for gas phase applications.

Cloth and fibres activated carbon

5

7

สารทมอานาจดดซบ (adsorption)

1. สารอนนทรย

ดนเหนยว, แอคตเวตเตทซลกา, แมกนเซยมออกไซด

2. สารอนทรยสงเคราะห

เรซนแลกเปลยนไอออน

3. ถานกมมนต

6

8

- มปรมาณสารระเหยตา

- มคารบอนเปนองคประกอบในปรมาณสง

- มราคาถกและหาไดงาย

- มคณสมบตคงท

วตถดบทนามาผลตเปนถานกมมนตควรมสมบตดงตอไปน

ตวอยางเชน ถานหน ลกไนต ไม แกลบ และกะลามะพราว

7

98

10

กระบวนการเตรยมถานกมมนต

ประกอบดวยวธการ 2 ขนตอน

กระบวนการคารบอไนซ

(Carbonization)กระบวนการกระตน

(Activation)

9

11

กระบวนการคารบอไนซ

เปนการไพโรไรซสซงเกดขนในทอบอากาศ เพอเพมสดสวน

คารบอนของสารอนทรย ขณะเดยวกนกไดผลตภณฑอนทเปนของเหลว

และแกสออกมาดวย

โครงสรางวงอะโรมาตกหลกทเหลอกลายเปน โครงสรางของ

ถานชาร สวนกลมโครงสรางโมเลกลหรอ หมทมขนาดเลกกวาจะกลน

สลายตวออกมาเปนผลตภณฑตางๆ ไดแก นา แอมโมเนย นามนทาร

และแกสตางๆ

10

12

1. การสญเสยนาออกจากโครงสรางวตถดบทชวงอณหภม

27- 197 องศาเซลเซยส

2. การไพโรไลซสโดยเกดแกสและนามนทารในโครงสรางทชวงอณหภม

197 –497 องศาเซลเซยส

3. ชวงทมการเกาะตวกนของโครงสรางถานชาร โดยในชวงนนาหนกของ

วตถดบจะลดลงไปมาก ทชวงอณหภม 497 – 847 องศาเซลเซยส

กระบวนการคารบอไนเซชนสามารถแบงออกได 3 ขนตอน

11

13

แสดงแผนภาพของเตาเผา

12

14

1) การเตรยมหลม ขดหลมลกประมาณ 0.5-1 เมตร กวาง 1 เมตร

2) นาเชอเพลงวางกนหลม โดยวางหนาประมาณ 20-30 เซนตเมตร

เชอเพลงทใช ไดแก เศษใบไม กงไมเลกๆ ฟางขาว

3) จดไฟเผาเชอเพลงทกนหลม เมอไฟเรมตดบรเวณผวดานบนของเชอเพลงใหใส

ไมไผทละนอยจนเตมหลม รอจนสงเกตเหนวาไฟเรมลกตดไมไผ

4) นาแกลบปดทบดานบนใหหนาพอทควนไฟไมสามารถขนมาได ในชวงนตอง

คอยเตมแกลบในชวง 4-6 ชวโมงหลงจากเผา

5) เปดปากหลม นาถานทไดใสในโองเคลอบปดฝาโองใหแนนไมใหอากาศเขาไป

เพอลดการเกดขเถา ทงไวประมาณ 1 คน จนถานเยนสนท

การทาคารบอไนเซชน (ตอ)

13

15

กระบวนการกระตน

เปนการเปลยนแปลงทางกายภาพสาหรบคารบอน ดวยการเพมพนท

ผวใหมากขน โดยการทาใหมรพรนมากขน หรอเปนการเพมประสทธ-

ภาพการดดซบสารอนๆของถานกมมนต

การกระตนทางกายภาพ

(Physical Activation)

การกระตนทางเคม

(Chemical Activation)

14

16

การกระตนทางกายภาพ

เปนการกระตนดวยการใช แกส หรอไอน า ซงใชอณหภมในการเผา

กระตน คอนขางสงประมาณ 800-1000 องศาเซลเซยส เพราะไอนา

ทใชจะตองเปนไอนาทรอนยงยวด (superheated stream) เพอทาให

สารอนทรยตางๆสลายไป ทาใหโครงสรางภายในมลกษณะรพรน

อยทวไป ขนาดของรพรนทไดจะมขนาดเลกกวาการกระตนทางเคม

ซงถานกมมนตทกระตนดวยวธนมขอด คอสามารถนามาใชงานได

เลยทนทโดยไมตองลางสารทเหลอตกคาง

15

17

การกระตนดวยไอนาในเตาเผาทหมนได (Rotary kiln)

CO2 , H2OCO2 , H2O

CO2 , H2O

เตาเผาจะอยในแนวนอนและหมนไดรอบตว โดยใชมอเตอร ซงจะทาให

ถานคลกเคลากบไอนาไดมากขน ไอนาทออกมาจากเครองทาไอนาจะถก

ทาใหมอณหภมสงขน โดยผานเขาไปในทอทองแดง จนเกดเปน

Super heated stream แลวเขาเตาเผาทหมน ซงกจะทาปฏกรยากบถาน

16

18

ไอนาเปนสารกระตนทางกายภาพทมการใชกนมาก เนองจากโมเลกลของ

นานนมขนาดเลกกวาโมเลกลของแกสคารบอนไดออกไซด และในการ

กระตนดวยไอนานนจะมขอดคอ

1. โมเลกลของนาจะแพรเขาไปไดอยางรวดเรวในโครงสรางรพรน

2. เนองจากโมเลกลทเลกจงสามารถเขาไปในรพรนขนาดเลกได

3. มการเกดปฏกรยาทรวดเรว ซงจะเกดปฏกรยาเรวกวาแกส

คารบอนไดออกไซด

17

19

ปฏกรยา C + H2O → H2 + CO – 31 kcal

กลไก

C + H2O → C(H2O)C(H2O) → H2 + C(O)C(O) → CO

H2 และ CO จะหลดออกไปทาใหเกดรพรน

18

20

ถานกมมนตทไดจากการกระตนโดยวธน จะยงคงมรปรางเดมไม

เปลยนแปลงทาใหสามารถตรวจชนดของวสดทนามาใชทาถานกมมนต

ไดจากกลองจลทรรศน

ชนดของวสดทใชทาถานกมมนตมความสาคญยงตอความสามารถทจะ

เปนตวดดซบไดดหรอไม ไมทมความหนาแนนตาจะมความสามารถใน

การดดซบไดดกวาทงแกส และส

19

21

การกระตนทางเคม

เปนวธการเพมปรมาตรรพรนและพนทผวโดยปฏกรยากบ

สารเคม ซงการกระตนชนดน นยมใชกบวตถดบทเปนไม

อณหภมทใชในการกระตนอยในชวง 150 -900 องศาเซลเซยส

และสารกระตนทนยมใชทวไปในทางอตสาหกรรม เชน

ซงคคลอไรด, กรดฟอสฟอรก, โพแทสเซยมไฮดรอกไซด ฯลฯ

ซงเมอทาการกระตนแลว จะตองลางสารเคมออกดวยนาจนหมด

20

22

การกระตนดวยซงคคลอไรด (ZnCl2)

โดยใชสารละลาย ZnCl2 ผสมกบวตถดบโดยใชสภาวะท

อณหภมประมาณ 130 องศาเซลเซยส หลงจากนจะนาไป

ทาการคารบอไนซทอณหภม 600-850 องศาเซลเซยส ซงใน

ระดบอตสาหกรรม จะคานงถงประสทธภาพ ในการนาเอา

ZnCl2 กลบมาใชใหม เปนอยางมาก ดวยประสทธภาพ

การนา ZnCl2 กลบมาใชใหมนนทคอนขางจากด ประกอบกบ

ปญหาการกดกรอนตอเตาเผา ทาใหการใช ZnCl2

เปนสารกระตนในระยะหลงจงลดลง

21

23

การกระตนดวยกรดฟอสฟอรก

กระบวนการกระตนทางเคมโดยใชกรดฟอสฟอรกเปน

สารกระตน จะใชอณหภมในการกระตน ทคอนขางตาคอ

400-500 องศาเซลเซยส ซงการใชกรดฟอสฟอรกนน

สามารถผานกระบวนการนากลบมาใชใหม โดยยงได

กรดฟอสฟอรกทมความเขมขนสง พบวาวตถดบทเปนไม

สามารถผลตเปนถานกมมนตทมประสทธภาพดโดยวธน

22

24

ปจจยทมผลตอการเพมขนของความพรนของถานกมมนต

อตราสวนของลกนนตอเซลลโลสในวตถดบ

อตราการใหความรอน อณหภมทใชในการกระตน

อตราสวนของสารกระตนตอวตถดบ

ปจจย

23

2524

26

ดชนบางตวทใชวดคณภาพถานกมมนต

1. เลขไอโอดน

2. เลขฟนอล

3. การดดซบเมทลลนบล

4. การดดซบไอออนของโลหะหนก

25

27

ผลของอณหภมในการเผาถานไมไผตงตอคาเลขไอโอดน

80

85

90

95

100

105

1 2 3

Bamboo ages (years)

Iodi

ne n

umbe

rs (m

g/g)

450 ºC550 ºC

พบวาอณหภมทใชในการเผาไมไผท 450 °C และ 550 °C ไมมผลอยางม

นยสาคญตอคาเลขไอโอดนของถานไม

ภาพ แสดงคาเลขไอโอดนของถานไมไผตงทไดจากการเผาทอณหภม 450 °C

และ 550 °C

26

28

คา Iodine Number ของถานไมไผตง เผาทอณหภม 450 องศาเซลเซยส เมอถก

กระตนดวย 85% H3PO4 ทเวลาตางๆกน

0

200

400

600

800

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

เวลาในการกระตน

คาเ

ลขไอ

โอด

น (m

g/g)

1 year

2 years

3 years

การเตรยมถานกมมนตจากไผตงโดยการกระตนดวยกรดฟอสฟอรกและ KOH

27

29

คา Iodine Number ของถานไมไผตง เผาทอณหภม 450 องศาเซลเซยส เมอถก

กระตนดวย KOH ทความเขมขนตางๆ เปนเวลา 4 ชวโมง

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

ความเขมขน KOH (%)

คาเล

ขไอโ

อดน

(mg/

g)

1 year

2 years

3 years

พบวา ถานกมมนตจากไผตงทไดจากการกระตนโดย KOH จะมคาเลข

ไอโอดนทตากวาจากการถกกระตนโดย 85% H3PO4 28

30

คา Iodine Number ของถานไมไผหมาจ เผาทอณหภม 450 องศาเซลเซยส เมอ

ถกกระตนดวย 85% H3PO4 ทเวลาตางๆกน

0

100

200

300

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

เวลาทใชกระตน (ชวโมง)

คาเล

ขไอโ

อดน

(mg/

g)

1 year

2 years

3 years

การเตรยมถานกมมนตจากไผหมาจโดยการกระตนดวยกรดฟอสฟอรกและ KOH

29

31

คา Iodine Number ของถานไมไผหมาจ เผาทอณหภม 450 องศาเซลเซยส เมอ

ถกกระตนดวย KOH ทความเขมขนตางๆ เปนเวลา 4 ชวโมง

50

80

110

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

ความเขมขน KOH (%)

คาเ

ลขไอ

โอด

น (

mg/

g)

1 year

2 years

3 years

พบวา ถานกมมนตจากไผหมาจทไดจากการกระตนโดย KOH จะมคาเลข

ไอโอดนทตากวาจากการถกกระตนโดย 85% H3PO4 30

32

การเตรยมถานกมมนตจากไผปาโดยการกระตนดวยกรดฟอสฟอรกและ KOH

020406080

100120140160180200

4 8 12

Activation Time (hour)

Iodi

ne n

umbe

rs (m

g/g)

H3PO4

KOH

ภาพ แสดงคาเลขไอโอดนของถานกมมนตจากไผปาโดยการกระตนดวย

กรดฟอสฟอรกเขมขน 85% และสารละลาย KOH เขมขน 20 %

พบวา ถานกมมนตจากไผปาทไดจากการกระตนโดย 20% KOH จะมคาเลข

ไอโอดนทสงกวาจากการถกกระตนโดย 85% H3PO4

31

33

0

50

100

150

200

250

0 20 40 60 80

Activation Time (hour)

Iodi

ne n

umbe

rs (m

g/g)

BAW 1 year

BAW 2 years

BAW 3 years

ภาพ แสดงผลของความเขมขนของ KOH ตอคาเลขไอโอดนของถานกมมนตจากไผปา

0

50

100

150

200

250

0 4 8 12

Activation Time (hour)

Iodi

ne n

umbe

rs (m

g/g)

BAW 1 year

BAW 2 years

BAW 3 years

ภาพ แสดงผลของเวลาในการกระตน ตอคาเลขไอโอดนของถานกมมนตจากไผปา

เมอกระตนโดยสารละลาย 20% KOH 32

34

จากภาพทผานมาทง 2 ภาพ จะเหนวาความเขมขนของ

สารละลาย KOH และเวลาทใชในการกระตนไมไดมผลอยางม

นยสาคญตอคาเลขไอโอดนของถานกมมนตจากไผปาอาย 1-3 ป

โดยพบวาถานกมมนตจากไผปาอาย 1 ป จะมคาเลขไอโอดนสงกวา

อาย 2 ป และ 3 ป

33

35

แผนภมแทงแสดงการเปรยบเทยบระหวาง ความเขมขนเบส กบ คาเลขไอโอดนท�ทดสอบได เม�อ

ใชเวลาในการกระตน 2 ช�วโมง

424.45453.85

530.43

453.04

350

400

450

500

550

0% KOH 20% KOH 40% KOH 60% KOH

Iodi

ne N

umbe

r

การเตรยมถานกมมนตจากไผมนหมโดยการกระตนดวยเบส KOH

34

36

การหาคา phenol values ทผานการดดซบดวยถานกมมนต

และ ไผชนดตางๆ

ชนดของถาน อาย สภาวะทใชในการ activate

ไผปา 1 20% KOH , 4 ชวโมง

ไผมนหม 1 20% KOH , 8 ชวโมง

ไผตง 2 1:4( นาหนกถาน:H3PO

4) ,4ชวโมง

ยคาลปตส ไมระบ -

commercial grade ไมระบ -

ไผรวก 2 กรด HNO3 เขมขน 35

37

Phenol values

ปฏบตตามระเบยบวธของ The American Water Works Association

(AWWA) โดยคา phenol value ทไดจะอยในหนวยของ grams / litre และ

คา phenol value ทไดมคายงตาถอวามประสทธภาพทด ซงไดจากการ

พลอตกราฟ isotherm ระหวาง คา %residual filtrate phenol กบ คา X/M

โดยใช 2 x 2 cycle logarithmic paper จะไดเสนตรงผานจดตางๆ จากนนหา

คา X/M ท 10% residual filtrate phenol เพอทใชในการคานวณคา phenol

value ตามสมการดงน

Phenol value (g/L)

= 90 x 100% - %moisture

คา X/M ท 10% residual filtrate phenol 100 %

36

38

%residual filtrate phenol = residual phenol (ppm) x 100

ความเขมขนของ phenol test solution

%X (adsobed phenol) = 100 - %residual filtrate phenol

สมการทเกยวของ

37

39

ตารางสรปคา phenol value

ไผชนดตางๆ phenol value (g/L)

commercial activated carbon 2.32

ไผปา activated 13.30

ไผตง activated 5.50

ไผมนหม activated 18.27

ไผปา non-activated 4.90

ไผตง non-activated 4.40

ไผมนหม non-activated 23.40

ประสทธภาพ

ดทสด

ไผรวก non-activated 28.83

ไผรวก activated 18.43 38

40

การเปรยบเทยบการดดซบปรมาณ Methylene blue

ดวยถานกมมนต และถานจากไผชนดตางๆ

C16H18N3ClS

(319.85 g/mol)

3,7-bis(Dimethylamino)-phenazathionium chloride

Tetramethylthionine chloride

39

41

ชนดของถาน Amount adsorbed % Removal efficiency

ไผปา non activated 552 88.7

ไผปา activated 559 90.0

ไผตง non activated 432 69.6

ไผตง activated 418 67.3

ไผมนหม non

activated 579 93.3

ไผมนหม activated 620 99.8

ยคาลปตส 508 81.9

commercial grade 621 99.9

ตารางแสดงคา Amount adsorbed และ% Removal efficiency ของไผชนดตางๆ

40

42

ชนดของถาน

Amount

adsorbed % Removal efficiency

ไผปา non activated 552 88.7

ไผตง non activated 432 69.6

ไผมนหม non activated 579 93.3

ยคาลปตส 508 81.9

ตารางแสดงคา Amount adsorbed และ% Removal efficiency

ของถานชนดตางๆ เปรยบเทยบกนเฉพาะ non activated charcoal

41

4343

ตารางแสดงคา Amount adsorbed และ% Removal efficiency

ของถานชนดตางๆ เปรยบเทยบกนเฉพาะ activated charcoal

ชนดของถาน Amount adsorbed

% Removal

efficiency

ไผปา activated 559 90.0

ไผตง activated 418 67.3

ไผมนหม activated 620 99.8

commercial grade 621 99.9

42

44

กรณการดดซบไอออนของโลหะหนก

พบวาถานกมมนตจากไผรวก ทถกกระตนดวยกรดไนตรก

จะสามารดดดซบ ไอออนของโครเมยมไดดพอๆกบ ถานกมมนต

ทนาเขาจากตางประเทศ

43

45

Scanning Electron Micrograph ภาพ ก ถานไมไผตง อาย 1 ป กอนการกระตนดวยกรด

ภาพ ข ถานไมไผตง อาย 1 ป หลงการกระตนดวยกรด

ภาพ ก ภาพ ข

44

46

ภาพ ก ภาพ ข

Scanning Electron Micrograph ภาพ ก ถานไมไผตง อาย 2 ป กอนการกระตนดวยกรด

ภาพ ข ถานไมไผตง อาย 2 ป หลงการกระตนดวยกรด45

47

ภาพ ก ภาพ ข

Scanning Electron Micrograph ภาพ ก ถานไมไผหมาจ อาย1 ป กอนการกระตนดวยกรด

ภาพ ข ถานไมไผหมาจ อาย 1 ป หลงการกระตนดวยกรด46

48

ภาพ ก ภาพ ข

Scanning Electron Micrograph ภาพ ก ถานไมไผหมาจ อาย 2 ป กอนการกระตนดวยกรด

ภาพ ข ถานไมไผหมาจ อาย 2 ป หลงการกระตนดวยกรด47

49

ภาพ ก ภาพ ข

Scanning Electron Micrograph ภาพ ก ถานไมไผปา อาย1 ป กอนการกระตนดวยกรด

ภาพ ข ถานไมไผปา อาย 1 ป หลงการกระตนดวยกรด

48

50

ภาพ ก ภาพ ข

Scanning Electron Micrograph ภาพ ก ถานไมไผปา อาย 2 ป กอนการกระตนดวยกรด

ภาพ ข ถานไมไผปา อาย 2 ป หลงการกระตนดวยกรด

49

51

ภาพ ก ภาพ ข

Scanning Electron Micrograph ภาพ ก ถานไมไผมนหม อาย1 ป กอนการกระตนดวยเบส KOHภาพ ข ถานไมไผมนหม อาย 1 ป หลงการกระตนดวยเบส KOH

50

52

ภาพ ก ภาพ ข

Scanning Electron Micrograph ภาพ ก ถานไมไผมนหม อาย 2 ป กอนการกระตนดวยเบส KOHภาพ ข ถานไมไผมนหม อาย 2 ป หลงการกระตนดวยเบส KOH

51

53

ภาพ ก ภาพ ข

Scanning Electron Micrograph ภาพ ก ถานไมไผรวก อาย1 ป กอนการกระตนดวยกรด HNO3ภาพ ข ถานไมไผรวก อาย 1 ป หลงการกระตนดวยกรด HNO3

52

54

จากขอมลของ SEM พบวา ลกษณะโดยพนผวโดยทวไปของ

ถานกมมนตมรพรนขนาดใหญกวา มความพรนมากกวาและมจานวน

มากกวา ถานทยงไมไดผานการกระตนดวยวธทางเคม

นอกจากนถานกมมนต ยงมรพรนขนาดเลกจานวนมากอกดวย

แตอยางไรกตามรพรนทเหนในภาพถาย SEM เปนแบบ macropore

(ขนาดรศม > 50 nm) และ mesopore (ขนาดรศม 2-50 nm) ซงเปน

transitional pore ของโมเลกล หรออะตอมของสารเทานน สวน

micropore (ขนาดรศม <2 nm) ซงเปนบรเวณทเกดการดดซบ

ไมสามารถเหนได

53

55

……. Non-activated charcoal ------- Activated charcoal

Fourier Transform Infrared Spectrometry (FTIR)

54

56

ตวอยางการนาถานกมมนตไปประยกตใช

55

57

การฟอกสนาตาล

56

5857

5958

60

ภาพ แสดงโครมาโทแกรมของการแยกกรดนาสมผสม โดยใชเทคนค HPLC

59

61

ชนดของ

กรดนาสม

ไมไผตง

(จากโรงงาน

จ. ปราจณ

บร) (ppm)

ไมไผตง ทได

จากการกลน

ท 100 oC

(ppm)

ไมไผตง ท

เหลอจาก

การกลนท

100 oC

(ppm)

ไมไผปา ท

ไดจากการ

กลนท 100

oC

(ppm)

ไมไผปา ท

เหลอจาก

การกลนท

100 oC

(ppm)

Citric

Tartaric

Malic

Lactic

Formic

Acetic

Propionic

Isobutyric

Butyric

-

-

-

10.46

213.79

26,676.90

2,104.72

240.21

249.48

-

-

-

15.13

455.90

10,188.20

1,164.45

3,725.12

621.09

-

-

142.92

20.64

1,592.47

17,661.32

463.15

12,582.51

266.63

-

-

-

-

1,002.26

12,737.28

658.18

491.03

-

-

-

-

10.47

519.24

9,981.84

979.09

728.47

609.73

ตาราง แสดงปรมาณและชนดของกรดนาสมในนาสมไม

60

62

Acknowledgement

สถาบนวจยและพฒนาแหงมหาวทยาลยเกษตรศาสตร

ภาควชาเคม คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยเกษตรศาสตร

ภาควชาวนผลตภณฑ คณะวนศาสตร มหาวทยาลยเกษตรศาสตร

สถาบนวจยระบบนเวศเกษตร

ดร. นคม แหลมสก

61

63