کربن فعال

کربن فعال چیست؟

کربن فعال به گروهی از مواد متخلخل کربنی اطلاق می‌شود که علاوه بر ساختار متخلخل، دارای ظرفیت جذب و قابلیت فعال سازی سطحی بالا هستند؛ هزینه‌ی آن‌ها نیز در مقایسه با سایر جاذب‌های آلی مانند زئولیت پایین‌تر می‌باشد، علت این امر نیز مساحت سطحی قابل توجه آن‌ها است. به طور کلی می‌توان گفت که کربن اکتیو یک ماده منحصر به فرد است زیرا قوی‌ترین نیروهای جذب فیزیکی یا بیشترین حجم تخلخل مناسب جذب را در بین تمامی مواد شناخته شده دارد؛ به طوری که مساحت سطحی زغال فعال می‌تواند بیش از 1000 مترمربع بر گرم باشد، این بدین معنا است که 3 گرم از این ماده می‌تواند مساحتی به اندازه یک زمین فوتبال داشته باشد. زغال اکتیو را می‌توان از منابع مختلف کربنی مانند نارگیل، پوست آجیل‌ها مانند فندق، بادام و ...، زغال سنگ، ذغال سنگ نارس، چوب و ... تولید کرد و آن را می‌توان برای جداسازی بو، رنگ و یا طعم نامطلوب از آب‌های خانگی یا صنعتی مورد استفاده قرار داد. ذغال فعال بیش از 2500 کاربرد تجاری دارد و در صنایع مختلف مانند تصفیه هوا، فراوری مواد غذایی و نوشیدنی، صنایع شیمیایی و ... به کار برده می‌شود. ذغال‌های اکتیو با ‌توجه به ابعادشان در مدل‌های مختلف پودری (PAC)، گرانولی (GAC) و میله‌ای (EAC) در بازار موجود می‌باشند.

کربن فعال

تاریخچه استفاده از کربن فعال

استفاده از کربن فعال در طول تاریخ قدمتی طولانی دارد و تعیین منشا اولیه آن سخت است. پیش از استفاده از آن‌چه امروزه کربن اکتیو می‌نامیم که ساختاری بسیار متخلخل و توسعه یافته دارد؛ از زغال چوب یا زغال سنگ به عنوان جاذب استفاده می‌کردند. اولین مورد ثبت شده به 3750 سال قبل از میلاد برمی‌گردد، زمانی که مصری‌ها و سومری‌ها از زغال چوب برای کاهش مس، روی و قلع در تولید برنز و همچنین به عنوان یک سوخت بدون دود استفاده می‌کردند. بعدها در حدود سال 400 قبل میلاد بقراط پیشنهاد کرد که آب را قبل از مصرف با استفاده از زغال چوب فیلتر کرد تا طعم و بوی بد آن حذف شود و از بروز برخی بیماری‌ها جلوگیری گردد. اولین استفاده از کربن فعال به عنوان جاذب فاز گازی در سال 1793 میلادی توسط دکتر Kehl برای کاهش بوی ناشی از فساد صورت گرفت. اولین استفاده از کربن اکتیو در مقیاس صنعتی نیز در سال 1794 در انگلستان و به عنوان عامل رنگزدا در صنعت شکر انجام شد و این رویداد آغاز تحقیقات با کربن فعال در فاز مایع بود. اولین کاربرد کربن فعال در مقیاس بزرگ و در فاز گازی نیز در میانه قرن 19 میلادی صورت گرفت. عبارت "جذب" برای اولین بار در سال 1881 توسط Kayser برای برداشت گازها توسط زغال استفاده شد. در همین سال نیز کربن فعال امروزی توسط Ostrejko کشف شد و به همین دلیل او را پدر یا مخترع کربن اکتیو نامیدند. در سال 1910 نیز  Wijnberg و Sauer برای اولین بار از کربن فعال در صنعت شکر استفاده کردند. جنگ جهانی اول نیز به توسعه تولید و مصرف کربن فعال کمک بسیار زیادی کرد؛ به طوری که برای مقابله با گازهای سمی از کربن فعال در ماسک‌ها استفاده کردند. بدون شک جنگ جهانی اول نقطه شروع توسعه کربن فعال بود. با رشد سریع جوامع در قرن بیستم نیز کربن فعال در صنایع مختلف به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت.

انواع کربن فعال

کربن فعال پودری (PAC: Powder Activated Carbon)

کربن فعال پودری عموما از آسیاب کردن کربن فعال گرانولی ایجاد می‌شود و به دلیل اندازه کوچک تر در مقایسه با سایر کربن‌ها، سینتیک سریع‌تر و ظرفیت بیشتری برای حذف آلاینده‌ها دارد. مطابق ASTM کربن فعال پودری به ذراتی اطلاق می‌شوند که از الک با شماره مش 80 با اندازه حفرات 0.177 میلی‌متر عبور می‌کنند. به طور کلی می‌توان گفت که ذرات کربن فعال پودری ابعادی کمتر از 1 میلی‌متر دارند و میانگین قطر آن‌ها در حدود 0.15 تا 0.25 میلی‌لیتر می‌باشد. مهم‌ترین مزیت کربن فعال پودری مساحت سطحی بالای آن در واحد حجم است؛ اما باید توجه داشت که به دلیل اندازه کوچک ذرات افت فشار زیادی ایجاد می‌شود.

کربن فعال پودری

کربن فعال گرانولی (GAC: Granular Activated Carbon)

کربن فعال گرانولی یا دانه‌ای عموما ذراتی با شکل نامنظم هستند که ابعادی در حدود 0.2 تا 5 میلی‌متر دارند. اندازه ذرات کربن فعال گرانولی بیشتر از کربن فعال پودری است درنتیجه مساحت سطحی کوچک‌تری دارد. با توجه به نرخ نفوذ بالای گازها و مایعات، این نوع کربن فعال برای جذب بخار مناسب می‌باشد. کربن‌های فعال گرانوله در تصفیه و بو زدایی از آب و جداسازی مواد از جریان‌های آبی به ویژه در حوضچه‌های اختلاط سریع کاربرد دارند. کربن‌های فعال گرانولی در ابعاد 20×8، 40×20 و 30×8 برای استفاده در فاز مایع و کربن‌های فعال گرانولی در ابعاد 6×4، 8×4، 10×4 برای استفاده در فاز گازی مناسب می‌باشند. کربن فعال گرانوله با ابعاد 20×40 از ذراتی تشکیل شده است که عدد مش آن‌ها در بازه 20 تا 40 است و از الک استاندارد آمریکایی شماره 20 (قطر حفرات 0.84 میلی‌متر) عبور می‌کند اما بر روی الک استاندارد شماره 40 (قطر حفرات 0.42 میلی‌متر) باقی میماند‌ و عبور نمی‌کند. محبوب‌ترین انواع کربن‌های دانه‌ای در فاز مایع سایزهای 30×8 و 40×12 هستند. دلیل این امر نیز ایجاد تعادل بین پارامترهای مختلف مانند اندازه، مساحت سطحی و افت فشار در این مدل‌ها می‌باشد.

کربن فعال گرانولی

کربن فعال میله‌ای (EAC: Extruded activated carbon)

کربن فعال میله‌ای یا اکسترود یا مدادی به شکل استوانه‌هایی هستند که قطری در حدود 0.8 تا 130 میلی‌متر دارند. برای تولید کربن فعال میله‌ای از کربن فعال پودری استفاده می‌کنند و آن‌ها را با یک چسابننده یا پیوند دهنده مخلوط کرده و در قالب‌های استوانه‌ای قرار می‌دهند. کربن فعال میله‌ای یا اکسترود ویژگی‌هایی نظیر افت فشار کم، قدرت مکانیکی بالا و مقدار گرد و غبار کم دارد و عمدتا برای جذب فاز گازی استفاده می‌شود. همچنین به صورت فیلتر CTO (کلر، طعم و بو) نیز به فروش می‌رسند.

کربن فعال میله ای

کاربردهای کربن فعال

کربن فعال با توجه ویژگی‌های منحصر به فردش، کاربردهای بسیار گسترده ای دارد که برخی از آن‌ها عبارتند از:کاربردهای کربن فعال
• تصفیه گاز طبیعی و حذف H2S
• تجهیزات آزمایشگاهی
• تصفیه گاز دودکش در زباله سوزها و حذف فلزات سنگین و دیوکسین‌ها
• جداسازی آلاینده‌ها از سیستم‌های هوادهی و تهویه
• تصفیه آب و فاضلاب
• رنگ زدایی و خالص سازی محصولات نهایی و میانی در صنایع داروسازی
• رنگ زدایی و تصفیه محلول‌های مورد استفاده در تولید گلوکز و سایر محصولات نشاسته‌ای
• تصفیه روغن‌های گیاهی و حیوانی
• بازیابی فلزات
• حذف بو، طعم، رنگ و ... در صنایع غذایی و نوشیدنی
• صنایع تولید محصولات آرایشی و بهداشتی
• صنایع نساجی
• صنایع خودروسازی

کاربرد کربن فعال در تصفیه آب و فاضلاب

در تصفیه آب و فاضلاب بسته به نوع کاربرد از کربن فعال‌های پودری (به صورت سوسپانسیون) یا گرانولی (بستر ثابت یا نفوذ) استفاده می‌شود. سال‌های زیادی است که کربن فعال در حذف کلر، بو و رنگ از آب کاربرد دارد؛ اما در سال‌های اخیر از این ماده برای تصفیه آب آشامیدنی، آب‌های زیرزمینی و ... نیز به کار برده شده است. از کربن فعال همچنین در فرایندهای تصفیه فاضلاب بیولوژیکی برای حذف باکتری‌ها و مواد خطرناک نیز می‌توان استفاده کرد. در تصفیه خانه‌های فاضلاب، در مرحله سوم تصفیه، برای بهبود کیفیت تصفیه و حذف آلاینده‌های مقاوم در برابر روش‌های مرسوم نیز کربن فعال به کار گرفته می‌شود.

محاسن استفاده از کربن فعال در تصفیه آب و فاضلاب

EPA اعلام کرده است که استفاده از کربن فعال در تصفیه آب و فاضلاب محاسن بسیار زیادی دارد که از جمله‌ی آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
• توانایی حذف طیف گسترده‌ای از مواد آلی و غیرآلی از آب و فاضلاب
• حذف خوب طعم و بوی آب
• نصب و راه اندازی ساده
• مقرون به صرفه بودن و قابلیت احیا
• اثبات شده در استفاده در مقیاس‌های بزرگ

منابع مورد استفاده جهت تولید کربن فعال

در گذشته بیشتر کربن اکتیو موجود در بازار از منابعی مانند زغال سنگ، لیگنین، زغال سنگ نارس، بقایای نفت و چوب که منابعی گران قیمت و تمام شدنی بودند؛ تولید می‌شد. در حالی که در سال‌های اخیر تولید زغال فعال از زباله‌های زیستی کشاورزی، شهری، صنعتی و جنگلی افزایش یافته است. این منابع زیستی و طبیعی محاسنی نظیر قیمت ارزان، دسترسی راحت، تجدید پذیری و سازگاری زیست محیطی دارند. کربن تولید شده از بیومس (زیست توده) ویژگی‌های سطحی عالی همراه با درجه تخلخل و سطح ویژه بالا از خود نشان داده است. ضایعات کشاورزی مورد استفاده جهت تولید زغال اکتیو عبارتند از پوسته نخل، پوست میوه‌ها، پوست بادام زمینی، پوست نارگیل و دانه‌های مختلف و ... . بخش‌های مختلف گیاهان مانند ریشه، ساقه، پوست، گل، برگ، پوست میوه و ... نیز جزو زباله‌های زیستی محسوب می‌شوند. به طور کلی زباله‌ها را می‌توان به دو دسته منابع چوبی و غیر چوبی تقسیم بندی کرد:
• منابع چوبی: عمدتا شامل سلولز، همی سلولز و لیگنین 
• منابع غیرچوبی: عمدتا شامل سلولز، همی‌سلولز، لیگنین، لیپیدها، پروتئین‌، شکر، آب، هیدروکربن، نشاسته و بسیاری از گروه‌های عملکردی
به طور کلی برای انتخاب مواد خام مورد نیاز جهت تولید کربن اکتیو باید به موارد زیر توجه کرد:
• دارای مقادیر بالای کربن
• دارای مقادیر کم مواد غیرآلی جهت کاهش خاکستر در محصول نهایی
• چگالی بالا و دارای مقادیر بالای مواد فرار
• فراوانی بالای ماده‌ی خام جهت کاهش هزینه‌ها 
• دارای پتانسیل فعال سازی
• نرخ تخریب پایین هنگام ذخیره سازی
• امکان تولید کربن اکتیو با درصد بالا
در عمل امکان ندارد که هر هفت ویژگی ذکر شده در ماده‌ای وجود داشته باشد. مقادیر کربن اکثر زیست توده‌ها نسبت به زغال سنگ کمتر است؛ درنتیجه عملکرد ضعیف تری دارند. با توجه به نگرانی‌های زیست محیطی، هزینه بالا و عدم تجدید پذیری، استفاده از زغال سنگ نمی‌تواند یک انتخاب دائمی باشد. از سوی دیگر با توجه به هزینه پایین، سهولت دسترسی و سازگاری زیست محیطی استفاده از زباله‌های زیستی یک انتخاب منطقی‌تر است.

منابع مورد استفاده جهت تولید کربن فعال

روش‌های تولید کربن فعال

برای تولید کربن فعال دو فرایند حرارتی و شیمیایی وجود دارد؛ فرایند حرارتی خود شامل دو مرحله است. در مرحله اول از یک منبع کربنی مانند ذغال سنگ، ذغال سنگ نارس، پوست نارگیل و ... با استفاده از روش پیرولیز، کربن خالص ایجاد می‌شود؛ سپس این کربن، فعال می‌گردد؛ درحالی که در روش شیمیایی این دو مرحله همزمان صورت می‌گیرد. لازم به ذکر است که پارامترهای مختلفی نظیر مواد خام مصرفی، دمای اعمالی، زمان فعال سازی و روش انتخابی جهت تولید کربن فعال بر کیفیت محصول تولید شده اثر دارد. در ادامه توضیحاتی در رابطه با روش های تولید زغال اکتیو ارائه شده است.

روش حرارتی

مرحله اول تولید کربن فعال به روش حرارتی، کربن سازی یا کربونیزاسیون است. کربن سازی فرایندی است که در آن با حرارت دادن از یک ماده ی غنی از کربن، کربن خالص تولید می‌کنند؛ به این فرایند پیرولیز نیز می‌گویند که از یک تکنیک قدیمی برای تولید ذغال سنگ نشات گرفته است. بدین منظور مواد خام غنی از کربن در یک کوره کوچک (در مقایسه با مقدار مواد خام) قرار می‌گیرند و تا دمای 2000 درجه سلسیوس پخته می‌شوند. درنهایت 20 تا 30 درصد از وزن مواد اولیه باقی می‌ماند که بیشتر از کربن و مقدار کمی از خاکستر تشکیل شده است. برای فعال سازی کربن خالص می‌توان آن را به صورت مستقیم در یک محفظه گرمایی که گاز به آن پمپ می‌شود قرار داد. بدین ترتیب کربن در معرض اکسیژن قرار می‌گیرد و فرایند اکسیداسیون انجام می‌شود و درنتیجه کربن فعال متخلخل تولید می‌گردد. برای فعال سازی فیزیکی گازی می‌بایست فرایند پیرولیز در محیط بی اثر و در دمای 600 تا 900 درجه سلسیوس انجام شود، سپس اکسیژن به محیط پمپ شود و دما در بین 900 تا 1200 درجه سلسیوس گرم گردد. این کار منجر به تشکیل پیوند بین سطح کربن و اکسیژن و تشکیل کربن فعال می‌شود.

روش شیمیایی

فعال سازی شیمیایی اندکی با فعال سازی حرارتی متفاوت است. در این فرایند کربن سازی و فعال سازی همزمان انجام می‌شود. بدین منظور یک حمام از اسید، باز یا دیگر ترکیبات شیمیایی ایجاد می‌شود و مواد به داخل آن قرار داده می‌شوند. سپس این حمام تا دمای 450 الی 900 درجه سلسیوس گرم می‌شود که بسیار کمتر از گرمای موردنیاز برای فعال سازی حرارتی است. درنتیجه در طی این فرایند مواد خام با سرعت بیشتری به کربن و سپس کربن فعال تبدیل می‌شوند. البته باید توجه داشت که در هنگام گرم شدن، ممکن است مقدار کمی از عناصر حمام جذب کربن شوند و از میزان خلوص کربن فعال تولید شده کم کنند.

فرایند جذب به چه معنا است؟

جذب یک فرایند فیزیکی، شیمیایی می‌باشد که در آن ماده آلاینده به عنوان ماده جذب شونده از درون مایع بر روی سطح یک جامد منتقل می‌شود و سپس توسط اندرکنش‌های شیمیایی یا فیزیکی به سطح جامد می‌چسبد. فرآیند اشاره شده شامل عبور آب حاوی آلاینده از یک بستر گسترده جامد، سپس تماس آلاینده در فرآیند ناپیوسته و جذب آلاینده توسط مدیا می‌باشد. در شکل زیر فرآیند جذب روی جاذب به صورت شماتیک به همراه اصطلاحات پایه جذب آورده شده است.

فرآیند جذب روی جاذببه صورت شماتیک

فرایند جذب بر روی کربن فعال

جذب فرایندی است که در آن مولکول‌های مایع توسط نیروهای فیزیکی روی سطح یک جامد تجمع می‌یابند. نیرویی که منجر به جذب فیزیکی بر سطح کربن اکتیو می‌شود، نیروی پراکندگی لاندن (London dispersion force) است؛ که این نیرو خود فرمی از نیروهای واندروالس می‌باشد و در اثر جاذبه بین مولکولی ایجاد می‌شود. درنتیجه، در طول فرایند جذب، کربن و مولکول جذب شده بدون تغییر شیمیایی باقی می‌مانند. با این حال در طی فرایندی که جذب شیمیایی نامیده می‌شود؛ مولکول‌های آلاینده به صورت شیمیایی با سطح کربن واکنش می‌دهند و توسط پیوندهای شیمیایی نگه داشته می‌شوند؛ این نیروها در مقایسه با نیروهای پراکندگی لاندن بسیار قوی تر هستند. لازم به ذکر است که نیروهای پراکندگی لاندن یک فعل و انفعال بین مولکولی است که در بین تمامی مولکول‌ها اعم از قطبی و غیرقطبی وجود دارد اما بسیار کوتاه مدت می‌باشند.

چه آلاینده‌هایی جذب کربن فعال می‌شوند؟

به طورکلی تمامی ترکیبات تا حدی قابلیت جذب شدن را دارند اما در عمل کربن فعال عمدتا برای جذب مواد آلی و برخی ترکیبات معدنی با وزن مولکولی بالا مانند ید و جیوه استفاده می‌شود. باید توجه داشت که قابلیت جذب یک ماده با موارد زیر افزایش می‌یابد:
• افزایش وزن مولکولی
• تعداد بیشتر گروه‌های عملکردی نظیر پیوندهای دوگانه یا ترکیبات هالوژن
• افزایش قطبیت پذیری مولکول که مرتبط با ابرهای الکترونی درون مولکول است
در ادامه توضیحاتی در رابطه آلاینده‌های قابل حذف توسط کربن اکتیو ارائه شده است:
آفت کش‌ها: در کشاورزی از سموم دفع آفات یا آفت کش‌ها جهت از بین بردن آفات و جلوگیری از آسیب رسیدن به محصولات استفاده می‌شود. این سموم دفع آفات به منابع آب شیرین نظیر رودخانه‎‌ها، دریاچه‌ها و آب‌های زیرزمینی وارد می‌شوند. برای حذف این سموم می‌توان از کربن اکتیو استفاده کرد. تا کنون 14 مورد از آفت کش‌ها مانند کلردکون، کلردان، لیندان و ... که توسط زغال فعال حذف می‌شوند، شناسایی شده‌اند.
کلر: جهت جلوگیری از آلوده شدن آب در سیستم لوله‌کشی همواره مقداری کلر اضافه در آب وجود دارد. این کلر ممکن است بو و طعم نامطلوبی به آب بدهد؛ برای از بین بردن این طعم و بو می‌توان از فیلتر کربن فعال استفاده کرد. این فیلتر می‌تواند تا 95% کلر آزاد را از آب لوله کشی حذف کند.
محصولات جانبی کلر: یکی از مهم‌ترین نگرانی‌ها در استفاده از آب شیر، وجود محصولات جانبی کلر نظیر تری‌هالومتان‌ها است. این محصولات جانبی به طور بالقوه قابلیت ایجاد سرطان دارند. مطابق EPA کربن اکتیو در مقایسه با سایر تکنولوژی‌ها در حذف این محصولات جانبی بسیار موثر است و می‌تواند تا 32 محصول جانبی کلر را حذف کند.
نیترات‌ها: نیترات یکی از مهم‌ترین مواد مغذی است و نقش مهمی در رشد گیاهان دارد. به طورکلی نیترات برای انسان مضر نیست اما زمانی که مقادیر آن زیاد شود، می‌تواند منجر به مشکلاتی مانند متهموگلوبینمی (Methemoglobinemia) که در اثر کمبود اکسیژن ایجاد می‌شود، گردد. در صورت استفاده از کربن فعال‌های اصلاح شده می‌توان میزان نیترات موجود در آب را در حدود 50 تا 70 درصد کاهش داد.
میکروپلاستیک‌ها: میکروپلاستیک‌ها قطعات بسیارکوچکی از پلاستیک هستند که به منابع آب شیرین وارد شده‌اند و امروزه به یکی از مشکلات اصلی در تمامی کشورها تبدیل گشته‌اند. با توجه به اندازه کوچک میکروپلاستیک‌ها، نمی‌توان آن‌ها را با چشم غیرمسلح دید. استفاده از فیلترهای کربن اکتیو به حذف تمامی میکروپلاستیک‌ها کمک می‌کند.

اشباع و احیای کربن فعال

در بیشتر صنایعی که از کربن فعال به عنوان جاذب استفاده می‌کنند؛ فرایند جذب به صورت پیوسته انجام می‌گیرد. بدین صورت که عموما گاز یا مایعی که قرار است تصفیه شود به طور پیوسته از یک ستونی که با کربن فعال پر شده است، عبور می‌کند. با گذشت زمان، خلل و فرج موجود بر سطح کربن فعال از مواد جذب شونده اشباع می‌شود؛ درنتیجه محل‌های خالی موجود برای جذب و به عبارتی ظرفیت جاذب به تدریج کاهش می‌یابد تا در نهایت به مرحله‌ای می‌رسد که نیاز است که کربن اکتیو احیا شود یا با کربن فعال جدید تعویض گردد. در ظاهر به نظر می‌رسد که احیای کربن فعال به صرفه تر است زیرا از سویی کربن فعال کمتری مصرف می‌گردد و از سوی دیگر امکان بازیابی مواد جذب شده با ارزش نیز فراهم می‌شود. اما باید توجه داشت که احیای کربن فعال خود هزینه دارد و همیشه به صرفه نیست. همچنین کربن فعال احیا شده معمولا ظرفیت کمتری نسبت به کربن فعال جدید دارد و با هر بار احیا نیز ظرفیت جذب آن کاهش می‌یابد. لازم به ذکر است که کربن فعال پودری به سختی احیا می‌شود و فرایند احیا عمدتا برای کربن فعال گرانولی صورت می‌گیرد. برای احیای کربن اکتیو نیز روش‌های مختلفی نظیر احیای حرارتی، احیای با بخار، احیا با حلال‌ها، احیا با سیالات فوق بحرانی، احیای شیمیایی و احیای بیولوژیکی وجود دارد.

ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی کربن فعال

یک کربن فعال برای این که کیفیت بالایی داشته باشد، نیاز است که ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آن در محدوده‌های مشخصی باشد؛ در ادامه ویژگی‌های مختلف فیزیکی و شیمیایی معرفی شده اند.

ساختار منافذ و تخلخل (Pore Structure and Porosity)

کربن فعال در واقع شکل خام گرافیت با ساختار رندوم یا آمورف است که تخلخل بالایی دارد. اندازه منافذ کربن اکتیو بسیار متنوع و گسترده است به طوری که برخی از ترک‌ها و شکاف‌های آن قابل مشاهده هستند، درحالی که برخی در ابعاد مولکولی می‌باشند. تصفیه و خالص سازی توسط کربن فعال بر فرایند جذب استوار است؛ در فرایند جذب مولکول‌های مایع یا گاز توسط سطح داخلی یا خارجی یک جامد به دام می‌افتند. این پدیده تا حدی شبیه نگه داشته شدن براده‌های آهن توسط آهنربا است. کربن فعال سطح ویژه بسیار بالایی (تا 1500 مترمربع بر گرم) دارد و در نتیجه ماده‌ای ایده‌آل برای جذب است.
میزان تخلخل و ساختار منافذ کربن‌های فعال با یکدیگر متفاوت است و به منبع اولیه و روش تولید آن بستگی دارد. ساختار منافذ همراه با نیروهای جذب کننده عواملی هستند که امکان جذب آلاینده بر سطح زغال فعال را فراهم می‌کنند. حجم حفرات موجود در کربن فعال عموما بیش از 0.2 میلی‌لیتر بر گرم است و مساحت سطحی داخلی نیز معمولا بیشتر از 400 مترمربع بر گرم می‌باشد که توسط BET اندازه‌گیری می‌شود. مطابق اتحادیه بین المللی شیمی خالص و کاربردی (IUPAC) و با توجه به اندازه منافذ، سه نوع منفذ وجود دارد که عبارتند از:
• ماکرو تخلخل (Macropores): قطر حفرات بیش از 50 نانومتر 
• مزو تخلخل (Mesopores): قطر حفرات بین 2 تا 50 نانومتر
• میکروتخلخل (Micropores): قطر حفرات کمتر از 2 نانومتر
میکروتخلخل‌ها یا ریزمنفذها عموما بخش اصلی سطح ویژه داخلی را تشکیل می‌دهند؛ درحالی که ماکروتخلخل‌ها و مزوتخلخل‌ها عمدتا به عنوان شاهراه ذرات کربن محسوب می‌شوند و از نظر سینتیکی مهم هستند.

ساختار منافذ و تخلخل

اندازه ذرات (Particle Size)

اندازه ذرات به طور مستقیم بر سینتیک جذب، ویژگی‌های جریان و قابلیت فیلتر کردن کربن فعال اثر می‌گذارد. هرچه اندازه ذرات کربن اکتیو کوچک‌تر باشد، دسترسی به سطح بیشتر می‌شود و نرخ سینتیک جذب تسریع می‌گردد. در سیستم‌های در فاز بخار این امر باید در برابر افت فشار در نظر گرفته شود زیرا بر هزینه‌های انرژی اثر خواهد گذاشت. ملاحظه دقیق توزیع اندازه ذرات می‌تواند مزایای عملیاتی قابل توجهی را ارائه دهد. با این وجود برای جذب مواد معدنی مانند طلا با استفاده از کربن فعال نیاز است که اندازه ذرات در محدوده 1.4 تا 3.35 میلی‌متر باشد. زغال‌های فعال با اندازه کمتر از 1 میلی‌متر برای شستشو و احیا (حذف مواد معدنی از کربن فعال) مناسب نیستند.
محدوده اندازه ذرات کربن فعال دانه‌ای یا گرانولی (GAC) معمولا به صورت اندازه الک که برحسب میلی‌متر یا مش آمریکا که بیشتر دانه‌های GAC در بین آن قرار دارد، بیان می‌شود. بدین منظور دانه‌های کربن فعال گرانولی را بر روی یک سری الک مشخص تکان می‌دهند. در سیستم متریک اندازه ذرات برابر با عرض بین سیم‌های الک بر حسب میلی‌متر است؛ درحالی که در سیستم مش آمریکا عدد اندازه الک به فواصل بین سیم‌های الک بر حسب اینچ اشاره دارد. برای مثال، کربن اکتیو با مش 30×8 بدین معنا است که حداقل 93% وزنی از گرانول‌های کربن فعال از مش 30 (0.6 میلی‌متر) بزرگتر هستند و حداقل 90% وزنی گرانول‌های زغال فعال از مش 8 (2.36 میلی‌متر) کوچک‌تر می‌باشند. سایر اندازه ذرات به صورت مش 40×12 (0.42 تا 1.7 میلی‌متر) و مش 16×6 (1.18 تا 3.35 میلی‌متر) هستند.

رطوبت (Moisture)

میزان رطوبت کربن فعال با میزان کاهش وزن آن اندازه گیری می‌شود؛ بدین صورت که کربن فعال را تا دمای 150 درجه سانتی‌گراد حرارت می‌دهند و سپس فرصت می‌دهند تا خشک شود و به وزن ثابت برسد (معمولا پس از 3 ساعت) و سپس میزان کاهش وزن را محاسبه می‌کنند. میزان رطوبت کربن فعال بسته بندی شده عموما در طی حمل و نقل و انبار داری افزایش می‌یابد. در حالت ایده آل، میزان رطوبت فیزیکی موجود در کربن فعال باید در حدود 3 تا 6 درصد باشد.

عدد یدی (Iodine Number)

عدد یدی یا مقدار ید کربن فعال بیانگر مساحت سطحی موجود در هر مترمربع بر گرم کربن خالص است. اگرچه عدد یدی مترادف میزان فعالیت کربن فعال است و به طور گسترده به عنوان یک پارامتر کنترل کیفیت (QC: Quality Control) در تولید و فعال سازی مجدد کربن اکتیو مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ اما لزوما میزان توانایی کربن در جذب سایر گونه‌ها را نشان نمی‌دهد. عدد یدی در واقع به صورت میلی‌گرم ید جذب شده توسط هر گرم از ماده در زمانی که غلظت ید باقی مانده از فیلتر مطابق ASTM D4607 برابر با 0.2 نرمال یا 0.01 مول بر لیتر باشد، تعریف می‌شود و این بر اساس ایزوترم سه نقطه‌ای است. لازم به ذکر است که عموما عدد یدی کربن فعال در محدوده 500 تا 1200 میلی‌گرم بر گرم می‌باشد.

میزان pH

میزان pH کربن فعال بیانگر میزان اسیدی یا بازی بودن آن است. pH کربن فعال‌های مبتنی بر پوست نارگیل به طور معمول بین 9 تا 11 می باشد. لازم به ذکر است که روش انتخاب شده جهت فعال سازی و مواد فعال ساز مورد استفاده نیز بر pH کربن فعال تولید شده اثر دارند. pH کربن اکتیو بر فرایند جذب در فاز مایع تاثیر به سزایی دارد. همچنین pH بر شیمی سطح و بار سطحی نیز اثر دارد. به عنوان مثال، در pH های پایین، سطح کربن اکتیو دارای بار مثبت می‌شود و درنتیجه میزان جذب کاتیون‌ها به علت وجود دافعه الکترواستاتیک کاهش خواهد یافت. اغلب برای پیش‌بینی تغییرات احتمالی، میزان pH را زمان افزودن کربن فعال به مایع اندازه‌گیری می‌کنند.

چگالی ظاهری (Apparent Density)

چگالی ظاهری کربن فعال که گاهی اوقات به آن چگالی توده‎‌ای (Bulk Density) یا چگالی حجمی (Volumetric Density) نیز می‌گویند؛ به صورت جرم تعداد زیادی از ذرات کربن اکتیو بر حجم اشغالی توسط آن‎‌ها تعریف می‌شود. حجم کل شامل حجم ذرات، حجم فضای خالی بین ذرات و حجم منافذ داخلی می‌باشد. لازم به ذکر است که چگالی ظاهری بر جذب بر واحد جرم اثر نمی‌گذارد بلکه بر جرم بر واحد حجم تاثیر دارد.

 مقدار خاکستر کل (Ash Content)

خاکستر کل کربن فعال را با اندازه‌گیری میزان اکسید معدنی کربن اکتیو بر اساس وزن محاسبه می‌کنند. برای اندازه‌گیری آن از تبدیل اجزای معدنی به اکسیدهای مربوطه در دمای 800 درجه سلسیوس استفاده می‌شود. خاکستر عمدتا از سیلیس و آلومینیوم تشکیل شده و مقادیر آن‌ها به مواد اولیه پایه مورد استفاده برای تولید زغال فعال بستگی دارد. مقادیر مرسوم خاکستر برای کربن فعال بر پایه پوست نارگیل 3-2% وزنی، کربن اکتیو بر پایه چوب 5% وزنی و کربن فعال بر پایه زغال سنگ 15-8% وزنی است. آنالیز خاکستر کل شاخص خوبی برای تعیین کیفیت کربن مصرف شده در تصفیه آب‌های زیرزمینی و آب‌های آشامیدنی است. مقادیر بالای خاکستر می‌تواند نشانه‌ای از رسوب کلسیم، منگنز یا آهن بر روی کربن اکتیو یا بیانگر حضور ماسه باشد. میزان خاکستر کربن فعال در واقع اندازه‌ای از قسمت‌های بی اثر، آمورف، غیرآلی و غیرقابل استفاده ماده است. لازم به ذکر است که میزان خاکستر باید تا جایی که امکان دارد کم باشد زیرا هرچه میزان خاکستر کربن اکتیو کاهش یابد؛ کیفیت زغال فعال افزایش می‌یابد.

سختی یا عدد ساییدگی (Abrasion Number/Hardness)

عدد سختی میزان یکپارچگی خارجی در برابر ساییدگی در قسمت بیرونی و شکستن نقاط کوچک کربن فعال را اندازه‌گیری می‌کند. عدد سختی را به صورت درصدی از، از دست دادن بر روی یک الک خاص پس از تکان دادن گرانول‌ها تحت شرایط خاص بیان می‌کنند. عدد ساییدگی یا سایش نیز مقاومت ساختاری زغال فعال گرانولی را اندازه‌گیری می‌کند؛ به عبارتی این عدد توانایی ذره در ایستادگی در برابر نیروهای برشی ناشی از مالش ذرات به یکدیگر یا مالش ذرات به سطح دیگری نظیر دیواره ستون یا صفحه نگهدارنده را اندازه‌گیری می‌کند. عدد سایش را با تکان دادن گرانول‌ها همراه با گلوله‌های فولادی درون یک محفظه و تحت شرایط مشخص اندازه‌گیری می‌کنند و به صورت درصد کاهش در قطر میانگین ذرات بیان می‌شود. لازم به ذکر است که سختی/ ساییدگی یک فاکتور اصلی در انتخاب است زیرا در بسیاری از موارد نیاز به زغال اکتیوی است که ذراتش قدرت بالا و مقاومت بالایی در برابر اصطکاک داشته باشند. کربن‌ اکتیوهای بر پایه پوست نارگیل بیشترین سختی را در بین انواع ذغال‌های فعال دارند.

مساحت سطحی کربن فعال (Surface Area)

مساحت سطحی کربن فعال عموما با استفاده از روش BET که مخفف Brunauer Emmett-Teller است، اندازه‌گیری می‌شود که از جذب نیتروژن در فشارهای مختلف در دمای نیتروژن مایع استفاده می‌کند. واحد مساحت سطحی کربن فعال m2/g است. لازم به ذکر است که عموما مساحت سطحی کربن فعال در بازه 900 تا 1100 مترمربع بر گرم می‌باشد.

فعالیت کربن تتراکلریدی (CTC: Carbon Tetrachloride Activity)

با توجه به این که کربن تتراکلرید ماده ای بسیار سمی است و سریع به بخار تبدیل می‌شود؛ اندازه‌گیری فعالیت کربن تتراکلرید مهم است. این پارامتر درصد وزنی بارگذاری کربن تتراکلرید بر کربن را در غلظت‌های نزدیک به اشباع در هوا اندازه‌گیری می‌کند. این پارامتر در واقع یک تست تضمین کیفیت برای تولید کربن فعال است. البته با توجه به ممنوعیت استفاده از تتراکلرید کربن، این تست با آزمایش فعالیت بوتان جایگزین شده است؛ از طریق رابطه زیر می‌توان  فعالیت کربن تتراکلرید را محاسبه کرد.
فعالیت بوتان×2.55= فعالیت کربن تتراکلرید