ઔદ્યોગિક કાર્બન : ઉદ્યોગમાં વપરાતા કાર્બનનાં વિવિધ અપરરૂપો (allotropes). કાજળ (મેશ, lampblack), કાર્બન બ્લૅક, સક્રિયત (activated) કાર્બન વગેરે કાર્બનનાં અસ્ફટિકમય સ્વરૂપો છે. ગ્રૅફાઇટ અને હીરો સ્ફટિકમય અપરૂપનાં બે ભિન્ન સ્વરૂપો છે.
રાસાયણિક રીતે કાર્બન નિષ્ક્રિય છે અને સામાન્ય દબાણે પીગળતો નથી. કેટલાક ઔદ્યોગિક ઉપયોગો કાર્બનની નિષ્ક્રિયતા ઉપર આધારિત છે. અસ્ફટિકમય કાર્બનને સક્રિયત કરતાં તે વાયુ કે પ્રવાહી સ્વરૂપમાંના પદાર્થો પ્રત્યે વરણાત્મક અધિશોષણ દર્શાવે છે. અધાતુ પદાર્થોમાં કાર્બન અને ગ્રૅફાઇટ સંતોષજનક ઉષ્મા અને વિદ્યુતપ્રવાહકતા દર્શાવે છે. અસ્ફટિકમય કાર્બન અને ગ્રૅફાઇટી કાર્બનમાંથી બનાવેલ માલનો તાપીય પ્રસરણાંક (thermal expansion coefficient) અતિ નીચો હોય છે. તેની તાપીય વાહકતા સારી હોય છે. તેથી તે તાપીય આઘાત ખમી શકે છે. આ વિશિષ્ટ ગુણોને કારણે આધુનિક સંકીર્ણ જીવનપ્રણાલી સાથે કાર્બન ઉદ્યોગો ઘનિષ્ઠ રીતે સંકળાયેલા હોઈ તેમનો વિકાસ અતિ ઝડપી થયો છે.
કાજળ : પ્રાચીન સમયથી જાણીતું કાર્બનનું સ્વરૂપ છે. રેઝિન, પેટ્રોલિયમ અથવા કોલટારની ઉપપેદાશોનું અંશત: દહન કરવાથી કાજળ વર્ષોથી બનાવવામાં આવે છે. દહન મોટા ઓરડામાં કરાય છે અને પેદા થયેલ કાજળ ભેગું કરીને ઉપયોગમાં લેવાય છે. કાજળનો રંગ વાદળી પડતો ભૂખરો કાળો છે, જે ધાતુની પૉલિશ માટે તથા પેન્સિલોની બનાવટ માટે વધુ અનુકૂળ છે. હાલમાં કાજળના બદલે કાર્બન બ્લૅક ખાસ કરીને વર્ણક (pigment) તરીકે વધુ વપરાશમાં આવી રહેલ છે. કાજળ વીજળીનાં સાધનો માટેનાં કાર્બન બ્રશ, સિનેમા પ્રોજેક્ટરની વિદ્યુત ચાપ માટેના તથા સર્ચલાઈટ માટેના કાર્બન ધ્રુવોની બનાવટમાં ઉપયોગી છે.
કાર્બન બ્લૅક : આ માટે અપૂર્ણદહન (ચૅનલ, ઑઇલ ફર્નેસ અથવા ગૅસફર્નેસ પદ્ધતિથી) અથવા ભંજન (cracking) પ્રવિધિનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. હાલમાં લગભગ 90 % કાર્બન બ્લૅક ઑઇલ ફર્નેસ પદ્ધતિથી ઉત્પન્ન કરાય છે. વધુ ઍરોમૅટિક પદાર્થો ધરાવતા તેલોનું 1,4000થી 1,6500 સે. સુધીમાં અપૂર્ણ દહન અને તાપ-અપઘટન (pyrolysis)થી યોગ્ય ગુણો ધરાવતું કાર્બન બ્લૅક મળે છે. ભઠ્ઠીમાંથી બહાર આવતા ધુમાડાને પાણીથી 2000 સે. ઠારીને તેમાંના કાર્બન બ્લૅકને અવક્ષેપિત્રો (precipitators) અને ચક્રવાતો (cyclones) વડે અવક્ષિપ્ત કરીને છેવટે કોથળીરૂપ ફિલ્ટરમાંથી પસાર કરીને બધો જ કાર્બન બ્લૅક મેળવી લેવાય છે. આ ભૂકારૂપ પદાર્થને ઉપયોગની સરળતા માટે નાની ગાંગડીઓ(pellets)માં રૂપાંતરિત કરાય છે. કાર્બન બ્લૅકની નીપજનું પ્રમાણ કાર્બનના 23 %થી 70 % જેટલું હોય છે.
ભંજન પ્રવિધિમાં ઉચ્ચ તાપસહ્ય અસ્તરવાળી ભઠ્ઠીમાં કુદરતી વાયુને 1,1000 સે.થી 1,6500 સે. ગરમ કરતાં કાર્બન બ્લૅક મળે છે.
આમાં નીપજનું પ્રમાણ કાર્બનના 30 %થી 45 % જેટલું હોય છે.
એસેટિલીનના 8000 સે. પર કરાતા ભંજનથી મળતો વિશિષ્ટ કાર્બન બ્લૅક શુષ્ક કોષોમાં તથા રબર અને પ્લાસ્ટિકને વિદ્યુત અને ઉષ્માવાહકતા આપવા માટે વપરાય છે.
કાર્બન બ્લૅક અતિસૂક્ષ્મ અછિદ્રાળુ પદાર્થ છે. કાર્બન બ્લૅકમાંના 50 %થી 80 % પરમાણુઓ ગોળાકાર કાર્બન કણો રૂપે હોય છે અને તેમનો વ્યાસ 10થી 75 nm જેટલો હોય છે. આ કણો દ્રાક્ષનાં ઝૂમખાંની જેમ એકબીજાને ચોંટેલા હોય છે. દરેક કણ હજારો સૂક્ષ્મ સ્ફટિકીય (microcrystalline) સમૂહોનો બનેલો હોય છે. આ પ્રત્યેક સમૂહમાં 3થી 5 અંડાકાર કણો રહેલા હોય છે. મોટરગાડીઓ, વિમાનો, ટ્રૅક્ટર વગેરેનાં ટાયરોના આયુષ્યનો આધાર રબરમાં ઉમેરાતા કાર્બન બ્લૅકના ગુણો ઉપર રહેલો હોઈ કાર્બન બ્લૅકના ભૌતિક બંધારણનો ઘનિષ્ઠ અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો છે. તેલ ફૂંકવાના નોઝલનો વ્યાસ, પ્રક્રિયા ચેમ્બરનો આકાર, તાપમાન, સંપર્ક સમય અને વાયુના પ્રક્ષોભ(turbulence)ની તીવ્રતા વગેરે ઉપર નિયંત્રણ રાખીને એકસરખી ગુણવત્તાવાળું કાર્બન બ્લૅક મેળવાય છે.
મોટર ટાયરમાં 35 % કાર્બન બ્લૅક હોય છે. કુલ ઉત્પાદનના 67 % કાર્બન બ્લૅક ટાયર ઉદ્યોગમાં વપરાય છે. સંશ્લેષિત રબરનો ઉપયોગ કાર્બન બ્લૅકને લીધે જ શક્ય બન્યો છે. આ ઉપરાંત તે છાપકામની શાહીમાં અને વર્ણક તરીકે પ્લાસ્ટિક, પેઇન્ટ, લેકર્સ, ઇનેમલ, ટાઇપ-રાઇટરની રિબન અને કાર્બન પેપરમાં વપરાય છે.
સક્રિયિત કાર્બન : કાષ્ઠના વિઘટનથી મળતા કોલસામાં રંગ દૂર કરવાની ક્ષમતા છે તે બાબત પંદરમી સદીમાં જાણમાં હતી. 1794માં બ્રિટનમાં સૌપ્રથમ ખાંડ ઉદ્યોગમાં રંગ દૂર કરવા માટે કાર્બનનો ઉપયોગ થયો હતો. 1812માં હાડકાના કોલસાની શોધ ફિયુરે કરી. સક્રિયિત કાર્બન પહેલાં વિશ્વયુદ્ધના સમયે ઝેરી વાયુઓના અધિશોષણ માટે સૌપ્રથમ ગૅસ માસ્કમાં વપરાયો હતો. સક્રિયિત કાર્બનની સપાટીનું ક્ષેત્રફળ ગ્રામદીઠ 300થી 2,500 ચોમી. જેટલું હોય છે.
સક્રિયિત કાર્બન દાણાદાર (granular) અને ભૂકારૂપ – એમ બે પ્રકારનો હોય છે. નાળિયેરની કાચલી, ફળોના કઠણ ભાગો, ખનિજ કોલસા અને કાષ્ઠ કોલસાના બ્રિકેટમાંથી દાણાદાર કાર્બન અને લાકડાના વહેર તથા લિગ્નાઇટમાંથી ભૂકારૂપ કાર્બન બનાવવામાં આવે છે. સક્રિયિત કાર્બનની બનાવટમાં ઉપર જણાવેલ પદાર્થોનું કાર્બનીકરણ કરવામાં આવે છે. આ માટેનું તાપમાન એવું હોય છે કે ઘણુંખરું બાષ્પીય દ્રવ્ય દૂર થાય છે, પણ આ દ્રવ્યનું વિઘટન થાય તેટલું ઊંચું આ તાપમાન હોતું નથી. કાર્બનીકરણ કરાયેલ પદાર્થને 8000 સે.થી 9800 સે. પર વરાળ કે કાર્બન ડાયૉક્સાઇડ સાથે ગરમ કરતાં તેનું સક્રિયીકરણ થાય છે. લાકડાના વહેર અથવા લિગ્નાઇટને ઝિંક ક્લૉરાઇડ કે ફૉસ્ફૉરિક ઍસિડ સાથે મિશ્ર કરીને સૂકવીને 8500 સે. પર કાર્બનીકરણ કરતાં ભૂકારૂપ સક્રિયિત કાર્બન મળે છે. આ રાસાયણિક સક્રિયકરણ છે. પ્રવિધિને અંતે રસાયણોને પાણીથી દૂર કરાય છે.
ભૂકારૂપ સક્રિયિત કાર્બન ખાંડના શુદ્ધીકરણમાં, પીવાના પાણીમાંથી સ્વાદ અને ગંધ દૂર કરવામાં, તૈલી પદાર્થો, આલ્કોહૉલિક પીણાં, રસાયણો તથા ઔષધોનો રંગ દૂર કરવામાં વપરાય છે. સક્રિયિત કાર્બનના સ્તંભ ઉપર સ્ટ્રૅપ્ટોમાઇસિનનું અધિશોષણ કરીને તેને અલગ કરાય છે. વાયુઓના શોષણમાં પણ તે ઉપયોગી હોઈ ગૅસ માસ્કમાં, વાતાનુકૂલનમાં (હવામાંની વાસ દૂર કરવા), સિગારેટના ફિલ્ટરમાં અને ઉદ્યોગમાં વિવિધ વાયુઓ અને બાષ્પની પુન: પ્રાપ્તિમાં દાણાદાર કાર્બન વપરાય છે. એક વાર વપરાઈ ગયા પછી સક્રિયિત કાર્બન ગરમ કરીને ફરીથી ઉપયોગમાં લઈ શકાય છે.
ગ્રૅફાઇટ : કુદરતમાં મળતા ગ્રૅફાઇટની જાણકારી મનુષ્યને સદીઓથી હતી. વર્નર નામના ભૂસ્તરશાસ્ત્રીએ (graphein = લખવું ઉપરથી) 1879માં તેનું આ નામ પાડ્યું હતું. કુદરતી ગ્રૅફાઇટ ભઠ્ઠીઓની દીવાલો ઉપર જડાય (facing) છે. તે પેન્સિલ તથા બ્રેક-લાઇનરની બનાવટમાં, બૅટરીમાં તથા ઊંજક તરીકે વપરાય છે.
અચીશને 1896માં (પેટ્રોલિયમ કે ડામરના) કોકને વિદ્યુત ભઠ્ઠીમાં 3,0000 સે. પર ગરમ કરીને ગ્રૅફાઇટ બનાવવાનું શોધી કાઢ્યું. કોકના ભૂકાને ડામર જેવા બંધક સાથે મિશ્ર કરીને વિવિધ ઘાટના બ્લૉક તૈયાર કરાય છે અને 9000 સે. પર ગરમ કરતાં બંધકનું કાર્બનીકરણ થાય છે. પછી તેને વિદ્યુત ભઠ્ઠીમાં ગરમ કરતાં ગ્રૅફાઇટ તૈયાર થાય છે. કાજળમાંથી ગ્રૅફાઇટ બની શકતું નથી.
C (અસ્ફટિકમય) → C (ગ્રૅફાઇટ) ΔH = -10.5 કિ. જૂલ
ગ્રૅફાઇટમાં શૂન્યાવકાશ-દબાણ ચક્ર(cycle)ના ઉપયોગ દ્વારા તેનાં છિદ્રોમાં રેઝિન દાખલ કરીને તેને અપ્રવેશ્ય (impervious) બનાવી શકાય છે.
ગ્રૅફાઇટની વિદ્યુત અને ઉષ્માવાહકતા તથા રસાયણો તરફની નિષ્ક્રિયતાને કારણે તથા તેનાં યંત્રોની મદદથી વિવિધ ઘાટ તૈયાર કરી શકાતા હોઈ તે રાસાયણિક સંયંત્રમાં નિર્માણ દ્રવ્ય (structural meterial) તરીકે મોટા પ્રમાણમાં વપરાય છે. રૉકેટના ભાગો, ઉષ્મા વિનિમયકો, પંપ, વાલ્વ, પાઇપ, ટાવર, ઇલેક્ટ્રૉડ, ભઠ્ઠીઓનું અસ્તર તથા પરમાણુ-ભઠ્ઠીઓમાં તે વપરાય છે.
રૉકેટના આવરણ (shields), ઍરોપ્લેનની બ્રેક વગેરે માટે કાર્બનના રેસા અતિઉપયોગી નીવડ્યા છે. રેયૉન, પૉલિએક્રિલોના- ઇટ્રાઇલ વગેરેના રેસાનું ઉચ્ચ તાપમાને કાર્બનીકરણ (carbonization) કરવાથી આ રેસા મળી શકે છે.
પ્રવીણસાગર સત્યપંથી