تأثير الفحم النشط على كفاءة تنقية الهواء

لقد أصبحت الأنظمة الحديثة لتنقية الهواء أكثر تعقيدًا وكفاءة بسبب تنوع استخدامات الفحم المنشط في تصفية الملوثات الهوائية التي تنجو من المرحلة الأولى من الترشيح. في حين أن مرشحات HEPA مصممة خصيصًا للمواد الجسيمية، يعمل الفحم المنشط على إزالة الملوثات الغازية والروائح والمركبات العضوية المتطايرة التي تؤثر على الهواء الداخلي\/الخارجي. وعلى عكس باقي الملوثات، فإن هذه الملوثات الغازية تميل إلى أن تكون غير مرئية للعين المجردة، ولذلك تكون أجهزة تنقية الهواء التي تحتوي على فحم منشط، وأنظمة التدفئة وتكييف الهواء (HVAC) وأجهزة تنقية الصناعية الأخرى فعالة جدًا في تعزيز أداء التنقية. ويهدف هذا المقال إلى توضيح الطرق المختلفة ومدى مساهمة الفحم المنشط في تنقية الهواء، وتأكيد فعاليته المثبتة.

الية الامتزاز للملوثات الغازية

السبب في أن الفحم النشط يحسن كفاءة جهاز تنقية الهواء أكثر من أي شيء آخر، هو قدرته الفريدة على `الامتزاز` الملوثات الغازية. خلال عمليات التنشيط ذات درجات الحرارة العالية، يطور الفحم النشط ترتيبًا على مستوى الميكرون للمسام، مما يؤدي إلى وصول مساحة سطح الفحم النشط إلى مئات الأمتار المربعة لكل غرام. عندما تُستخدم أسرّة الفحم، يُمرر الهواء الملوث عبر هذه الأسرّة، وتُجذب جزيئات الهواء الغازي إلى مسام الفحم عبر الانتقال الحيوي. تُستخدم هذه العملية بشكل رئيسي للهواء الملوث الذي يحتوي على مركبات عضوية متطايرة مثل التولوين في منتجات التنظيف، والفورمالديهايد في الوقود والدهانات، وغيرها. من الملوثات الغازية الأخرى التي يمكن لهذه العملية إزالتها الأمونيا وثاني أكسيد الكبريت. عندما يتشبع الهواء، فإن بنية الفحم لن تمر بأي تغييرات ولن تترك أي مخلفات، لأن أي تفاعلات كيميائية لن تحدث.

الإزالة المستهدفة للمواد العضوية المتطايرة (VOCs)

من المعروف أن التعرض للمواد العضوية المتطايرة (VOCs) في الهواء يسبب تهيج الجهاز التنفسي ويؤدي إلى مضاعفات صحية طويلة الأمد، وذلك لقدرة هذه المواد على تجاوز الفلاتر الشائعة. ويتم حل هذه المشكلة المتعلقة بتنقية الهواء من المواد العضوية المتطايرة من خلال استخدام الكربون المنشط، الذي يُعرف بقدرته العالية على امتصاص VOCs بكفاءة. ويجعل ذلك من فلاتر الهواء التي تحتوي على الكربون المنشط بديلاً ممتازًا في المباني الجديدة ومكاتب الطباعة والبيئات الغنية بـ VOCs. وقد أثبتت فلاتر الكربون المنشط قدرتها على إزالة VOCs بجميع الأحجام القطبية والجزيئية المختلفة بفضل تركيبتها المسامية المميزة. على سبيل المثال، يتم التقاط مادتي الفورمالديهايد والزيلين، اللتين تبلغ أوزانهما الجزيئية 30.03 غرام/مول و106.16 غرام/مول على التوالي، بواسطة المسامات الدقيقة (micropores) والمتوسطة (mesopores) التي يقل قطرها عن 2 نانومتر و2-50 نانومتر على التوالي. ويعود هذا الامتصاص السريع والموثوق به إلى أداء فلاتر الهواء التي تحتوي على الكربون المنشط أفضل من أداء الفلاتر التنفسية ذات المسام المتوسطة العادية.

إزالة الروائح والروائح الكريهة

غالبًا ما تُسبّب الروائح الكريهة، بل وحتى المُزعجة منها، مُركبات غازية مثل كبريتيد الهيدروجين (الرائحة التي تشبه رائحة البيض الفاسد)، والمركبتان (الرائحة التي تشبه رائحة الصرف الصحي)، بل وحتى بعض الأحماض الدهنية المتطايرة (الروائح المرتبطة ببعض أطعمة الطهي)، وهي تُعدّ مصدر إزعاج كبير لجودة الهواء في البيئات السكنية والتجارية، خاصة في المطاعم وحتى منشآت إدارة النفايات. يمكن تحسين فعالية وجودة الهواء وراحته باستخدام الفحم النشط، الذي ينظّف الهواء بشكل كبير، بل ويُزيل المُركبات المُزعجة والكريهة أحيانًا الموجودة في الهواء. يتم التقاط جزيئات الروائح المُسبّبة لها، ويتم تحييدها بدلًا من تغطيتها فقط، وهو ما ينتج عن المساحة السطحية الكبيرة والبنية المجهرية المسامية للفحم النشط. في مرشّفات هواء المطابخ، على سبيل المثال، تكون رائحة الطهي والطعام، بل وحتى الأبخرة الناتجة عن الطهي، موجودة غالبًا. وفي المنازل التي يُسمح فيها بوجود الحيوانات الأليفة، يتم التقاط الأمونيا الناتجة عن البول، والروائح الناتجة عن القشرة الجلدية للحيوانات، بل وحتى بول الحيوانات الأليفة نفسه. تُميّز خاصية إزالة الروائح الفحم النشط باعتباره عنصرًا أساسيًا في مرشّفات الهواء. وذلك يعود بشكل رئيسي إلى أنه يُلبّي الحاجة التي تفشل مرشّفات الجُسيمات في تلبيتها.

دور مكمل مع ترشيح الجسيمات

تعمل مرشحات الجسيمات (مثل مرشحات HEPA) بشكل أكثر فعالية عندما تُستخدم مع مرشحات الفحم المنشط، مما يخفف من عبء العمل على النظام. فمرشحات HEPA تقوم بحجز الجسيمات العالقة في الهواء مثل الغبار وحبوب اللقاح والأبواغ الفطرية وجلود الحيوانات، لكن هذه المرشحات لا تزال غير قادرة على التعامل مع المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) والغازات. وهنا تظهر فعالية الجمع بين مرشحات الفحم المنشط ومرشحات HEPA، حيث يمكنها إزالة الملوثات الجسيمية والغازية معًا، وهو ما يمكن أن يكون مفيدًا جدًا للصحة. مثال على ذلك هو تكوين المرشحات المستخدمة في أجهزة تنقية الهواء المنزلية. يمر الهواء أولاً عبر المرشح الأولي الذي يلتقط الجسيمات الأكبر حجمًا، ثم يليه مرشح الفحم المنشط الذي يمتص الملوثات الغازية. وأخيرًا يأتي مرشح HEPA الذي يلتقط الجسيمات الدقيقة. يجب أن يكون تجميع كل هذه المرشحات قادرًا على إزالة أكثر الملوثات الحيوانية شيوعًا ضمن فئة أوسع من الترشيح، وهو ما سيكون أكثر فعالية بكثير من استخدام مرشح واحد فقط.

تحسين أداء نظام تهوية وتدفئة وتكييف الهواء

تُحسّن استخدام فلاتر الكربون المُنشَّط في وحدات تكييف الهواء من فعاليتها في تنقية الهواء بشكل ملحوظ. وبما أن وحدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء تحتوي على فلاتر تقوم بفصل المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) والدخان والروائح من الهواء، فإن هذه الفلاتر تمنع إعادة تدوير الملوثات. كما يتم امتصاص الغازات الأخرى مثل الغازات المسببة للتآكل والتي قد تؤدي بسرعة إلى تآكل وتلف ملفات ومراوح وحدات تكييف الهواء، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة استهلاك الطاقة وزيادة عمر النظام الافتراضي.

تطبيقات تنقية الهواء الصناعية

أثبت الكربون المُنشَّط فعاليته في المناطق التي تعاني من تلوث هواء شديد. ومن أمثلة ذلك عمليات التنقية. في صناعات الطلاء الكيميائية، يُملأ الكربون المُنشَّط في أجهزة غسيل الهواء، حيث يعمل على إزالة أبخرة المواد الكيميائية والغازات السامة والمركبات العضوية المتطايرة والدخان الصناعي الخطر. كما أنه يحمي العمال والبيئة.
بجانب الأبخرة والانبعاثات الكيميائية، يحتوي العادم الكيميائي في الصناعة الكيميائية أيضًا على مواد ضارة مثل الكلورين والهيدروكلوريك. تزيل غسالات الكربون الفعال هذه المركبات الضارة، مما يخلق انبعاثات آمنة للبيئة. كما تحسن هذه الأنظمة من جودة الهواء في مكان العمل. في العديد من الدول، توجد لوائح صارمة لمعالجة كميات كبيرة من الهواء الملوث. يؤدي التحسن الكبير في جودة الهواء في مكان العمل إلى زيادة الامتثال لمثل هذه السياسات.

العوامل المؤثرة في كفاءة الكربون المنشط

يحتوي الفحم النشط على عوامل تؤثر على قدرته على تحسين الكفاءة في التنقية مثل نوع الفحم المستخدم والمسام الداخلية وزمن التلامس والرطوبة في الهواء. يتم استخدام حبيبات الفحم النشط بحجم GAC في المكيفات بسبب قدرتها العالية على الاحتفاظ والمتانة الطويلة. ويتم استخدام PAC في الماكينات الصغيرة لتنقية الهواء بسبب قدرتها الأسرع على الامتصاص. ويلعب المسام دوراً مهماً أيضاً — فالفحم الذي يحتوي على نسبة أعلى من المسام الدقيقة يكون أفضل في التقاط المركبات العضوية المتطايرة ذات الحجم الصغير، بينما تكون المسام المتوسطة أكثر فعالية مع الجزيئات الأكبر حجماً. ويعد زمن التلامس عاملاً مهماً أيضاً — وهو زمن مرور الهواء عبر طبقة الفحم. كلما زاد زمن التلامس، زادت كفاءة التنقية، ويقل تأثير الهواء.

يجب إزالة الرطوبة الزائدة لزيادة الكفاءة لأن الرطوبة تنافس البخار في الامتصاص. تُستخدم عمليات التجفيف في هذه الحالات لأنها تزيد من كفاءة الاحتفاظ، كما أن فوق نقطة الندى تكون نسبة البخار محدودة بالانتشار.

الصيانة من أجل الكفاءة المستدامة

من أجل الحفاظ على كفاءة جهاز تنقية الهواء، فإن الصيانة المناسبة للمكونات الكربونية أمر بالغ الأهمية. بمرور الوقت، تتلوث وحدات الامتصاص الكربونية وبالتالي تفقد قدرتها على الامتصاص. واعتمادًا على تركيز الملوثات وسرعة تدفق الهواء، فإن عمر جهاز تنقية الهواء يبلغ حوالي 3 إلى 6 أشهر. من ناحية أخرى، تعمل أنظمة الكربون النشط granular (GAC) في المنشآت الصناعية لفترة أطول بكثير حتى يُحتاج إلى تنظيفها. تعد عملية تنظيف الكربون باستخدام الحرارة طريقة رخيصة نسبيًا لتجديد الكربون المستخدم، ويمكن أن تكون وسيلة فعالة من حيث التكلفة لمستخدمي الأسرة الكربونية الصناعية. أما بالنسبة لمستخدم المنازل العادي، فمن الأفضل الالتزام بالجدول الزمني الموصى به للحفاظ على الفعالية. وعند وصول التلوث إلى حد معين، تفقد الفلاتر قدرتها على الاحتفاظ بالغازات والروائح.