أي نوع من الكربون المنشط يكون الأكثر فعالية في إزالة المركبات العضوية المتطايرة داخل الأماكن المغلقة؟

ما هي المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) ولماذا تؤثر على جودة الهواء الداخلي

المركبات العضوية المتطايرة، أو ما يُعرف بـ VOCs، هي في الأساس مواد كيميائية قائمة على الكربون تميل إلى التبخر عندما تكون موجودة في درجات الحرارة العادية. نجدها تنبعث من أشياء مثل علب الدهان، ورذاذ التنظيف الموجود تحت مغاسلنا، والأثاث الجديد، بل وحتى بعض مواد البناء المستخدمة أثناء الإنشاء. المشكلة هي أن هذه المواد الكيميائية العالقة في الهواء تؤدي فعليًا إلى تدهور جودة الهواء الداخلي ويمكن أن تسبب طائفة من المشكلات الصحية. قد يعاني الأشخاص من الصداع أو الشعور بالدوار فورًا، ولكن هناك أيضًا أدلة تربط التعرض الطويل الأمد بهذه المركبات باضطرابات في الجهاز التنفسي ووظائف الدماغ. ونظرًا لأن معظم السكان في الولايات المتحدة يقضون حوالي 90 بالمئة من حياتهم داخل المباني وفقًا لتقرير وكالة حماية البيئة (EPA) لعام 2023، فإن ذلك يعني أن المركبات العضوية المتطايرة أصبحت مصدر قلق جدي في المنازل والمكاتب على امتداد البلاد.

كيف يعمل الكربون المنشط: العلم وراء عملية الامتزاز لإزالة المركبات العضوية المتطايرة من الداخل

يعمل الفحم النشط من خلال التقاط المركبات العضوية المتطايرة عبر ما يُعرف بالامتزاز. ببساطة، تلتصق جزيئات الغاز بسطح الكربون بسبب وجود هذه المسام الصغيرة جدًا. في الواقع، تحتوي كل غرام واحد على آلاف المسام المجهرية التي تتراوح أبعادها بين أقل من 2 نانومتر وحوالي 50 نانومتر. توفر هذه المسام للفحم النشط مساحة سطح هائلة تتراوح بين 1,000 و3,000 متر مربع لكل غرام، أي ما يعادل تقريبًا مساحة 2 إلى 5 ملاعب تنس كاملة الحجم! ويقوم هذا المادّة باحتجاز المواد الضارة مثل الفورمالدهيد الذي يبلغ عرضه حوالي 0.45 نانومتر والبنزين الذي يبلغ حوالي 0.6 نانومتر. ويتم ذلك بفضل قوى التجاذب الضعيفة المعروفة بقوى فان دير فالس، بالإضافة إلى بعض الروابط الكيميائية المباشرة أيضًا. وهناك فرق بين هذه العملية وعملية الامتصاص العادية، حيث يتم إذابة الأشياء داخل مادة أخرى. أما في حالة الامتزاز، فإن الجزيئات تلتصق حرفيًا بالمواد المرشحة.

لماذا يعتبر الترشيح الكيميائي ضروريًا للملوثات الغازية في المنازل والمكاتب

تلتقط مرشحات HEPA القياسية الجسيمات ولكنها لا تزيل المركبات العضوية المتطايرة الغازية. تُظهر الأبحاث أن مرشحات الكربون المنشط يمكنها إزالة 60–90% من المواد الكيميائية العالقة في الهواء خلال 48 ساعة. هذه العملية الترشيحية مهمة جدًا في البيئات التي تحتوي على أثاث جديد، أو مواد تنظيف، أو مصادر احتراق، حيث يمكن أن تكون مستويات المركبات العضوية المتطايرة أعلى بـ 2 إلى 5 مرات من المستويات الخارجية.

بنية المسام والمساحة السطحية: كيف تؤثر على كفاءة امتزاز المركبات العضوية المتطايرة

المسام الدقيقة مقابل المسام المتوسطة: مطابقة حجم المسام لأبعاد جزيئات المركبات العضوية المتطايرة

إن قدرة الكربون المنشط على إزالة المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) من الداخل تعتمد فعليًا على مدى تطابق مسامه مع حجم الملوثات. فالمسام الصغيرة التي يقل قطرها عن نانومترَين تكون فعّالة جدًا في التقاط المركبات العضوية المتطايرة الصغيرة مثل الفورمالدهيد، الذي يبلغ عرضه حوالي 0.45 نانومتر. أما المسام الأكبر التي تتراوح بين 2 و50 نانومتر فهي أكثر ملاءمة لالتقاط الجزيئات الأكبر مثل التولوين، الذي يبلغ حجمه نحو 0.67 نانومتر. وقد أظهرت دراسة نُشرت عام 2022 في مجلة Building and Environment أمرًا مثيرًا بشأن إزالة البنزين أيضًا. فقد اكتشف الباحثون أن الامتصاص الأقصى يحدث عندما يتوفّر ما يقارب 0.6 إلى 0.9 نانومتر من المساحة المجهرية (micropore). إن اختيار المسام المناسب أمر بالغ الأهمية لأنه يُنشئ ما يُعرف بتأثير الغربال الجزيئي. وعندما تتوافق الأمور بشكل صحيح، فإن الكربون يلتقط ملوثات أكثر دون إهدار أي من إمكاناته الامتصاصية.

المساحة السطحية وعلاقتها بكفاءة الفلتر في إزالة المركبات العضوية المتطايرة داخل الأماكن المغلقة

تؤثر كمية المساحة المتاحة على سطح مرشح الكربون بشكل مباشر على عدد جزيئات المركبات العضوية المتطايرة (VOC) التي يمكنه التقاطها. عادةً ما تُظهر المرشحات الكربونية ذات مساحات السطح حسب تصنيف BET التي تزيد عن 1000 متر مربع لكل غرام قدرة أفضل بنسبة 40 في المئة تقريبًا على الامتصاص بالنسبة للملوثات الداخلية النموذجية. فكّر في هذا: كل غرام من هذا الكربون المنشط يمتلك مساحة سطح تساوي تقريبًا مساحة 1.5 ملعب تنس مجتمعة. هذه المساحة السطحية الكبيرة تخلق العديد من المواقع التي يمكن أن تلتصق بها الملوثات الغازية. تُظهر الاختبارات المعملية أن هذه الكربونات عالية المساحة السطحية يمكنها إزالة حوالي 98٪ من المركبات العضوية المتطايرة، بما في ذلك مواد مثل الليمونين والزايلين، عندما تكون الظروف مثالية. ومع ذلك، فإن ما يحدث في الحياة الواقعية يعتمد بشكل كبير على عوامل مثل معدلات تدفق الهواء ومستويات الرطوبة في البيئة.

بصيرة بيانات: مساحات السطح حسب تصنيف BET التي تتجاوز 1000 م²/غ تحسّن إزالة المركبات العضوية المتطايرة داخل الأماكن المغلقة

أظهرت الاختبارات أن المواد الكربونية التي تمتلك مساحات سطحية بحسب طريقة BET تزيد عن 1200 متر مربع لكل غرام يمكنها الاحتفاظ بنحو 92% من المركبات العضوية المتطايرة عندما تكون التراكيز أقل من جزء واحد من المليون حجماً. وهذا أمر مثير للإعجاب بالمقارنة مع معدل احتفاظ قدره 68% فقط في المواد التي تبلغ مساحتها السطحية 800 متر مربع لكل غرام. لماذا يحدث هذا؟ الحقيقة أن هذه النتائج المتفوقة تعزى إلى مدى ترابط المسام داخل البنية المادية. فكلما زاد ترابط المسام، قلّت مقاومة الجزيئات التي تحاول الالتصاق بالسطح أثناء عمليات الامتزاز. وعادة ما تدوم مرشحات الأداء العالي المصنوعة من هذه المواد بين ستة إلى تسعة أشهر في المنازل، أي ما يقارب 30% أطول مما نراه مع خيارات المرشحات العادية المتاحة في السوق اليوم. وعلى الرغم من أن تكلفتها الأولية قد تكون أعلى، فإن معظم أصحاب المنازل يجدون أن هذه المرشحات توفر المال على المدى الطويل لأن الحاجة لاستبدالها تكون أقل تكراراً.