Применение активированных углей в очистке воды
После такой обработки остаётся только углеродный «скелет» материала. При этом улетучивающиеся продукты формируют в нём разветвлённую систему пор. Именно этим объясняется высокая степень развития поверхности получаемого продукта. Однако размеры пор и их структура могут различаться в зависимости от происхождения угля и режима обработки, которой он подвергался. Это является причиной различия свойств активируемых углей, которые получаются в результате. Среди таких свойств можно выделить адсорбционную способность и хрупкость.
Заметим, что проблему хрупкости этого материала можно решить, изготавливая уголь в виде восстановленных гранул, например, в форме цилиндров размером в несколько миллиметров.Опыт показывает, что «хорошие» активированные угли являются эффективными адсорбентами с широким спектром действия. Они способны улавливать большинство органических молекул, за исключением наиболее полярных и линейных молекул с очень малой молярной массой, таких как простые спирты и лёгкие органические кислоты.
Активированный уголь хорошо адсорбирует молекулы с низкой полярностью, которые отвечают за возникновение вкусов и запахов. Также он эффективно улавливает молекулы с относительно высокой молярной массой по различным причинам.
Помимо способности поглощать вещества (адсорбции), активированные угли могут служить благоприятной средой для размножения бактерий, которые разлагают биоразлагаемые компоненты веществ, поглощённых углём. Благодаря этому, частично можно восстановить активность угля биологическим путём. Кроме того, все активированные угли обладают свойством восстанавливать окислители.
Основные области применения:
— доочистка питьевой воды и воды высокой степени чистоты для промышленного использования. Активированный уголь абсорбирует растворённые органические соединения, которые не были разрушены естественным биологическим процессом (самоочищением водных потоков) и не были удалены в ходе первичной физико-химической обработки. Стоит отметить, что изначально активированный уголь применяли в основном для улучшения органолептических свойств воды, удаляя из неё органические вещества, которые придавали ей запах, вкус и цвет. По мере роста загрязнения природных вод активированный уголь стали использовать для удаления различных загрязнений и микроэлементов.Речь идет о фенолах, углеводородах, пестицидах, моющих средствах и даже не которых тяжелых металлах, которые не полностью удаляются на стадии осветления воды. Активированные угли применяются также для удаления предшественников тригалогенметанов и побочных продуктов обеззараживания;
— очистка поверхностных сточных вод. Активированный уголь применяется в случаях, когда сточные воды невозможно очистить биологическими методами или когда они содержат токсичные органические вещества, препятствующие использованию биологических способов очистки. Он позволяет извлечь эти токсичные вещества, после чего сточные воды можно будет подвергнуть биологической обработке.
— третичная очистка сточных вод. Активированный уголь эффективно связывает и удаляет органические соединения, которые не были разложены в ходе предыдущих этапов биологической очистки. Это позволяет значительно снизить содержание так называемой «стойкой ХПК» в очищенной воде.
— восстановление окислителей. Одной из особенностей активированного угля является его способность восстанавливать окислители, такие как хлор, диоксид хлора, перманганат, хлорамины и озон. Благодаря этому свойству активированный уголь может использоваться для удаления избыточного хлора из воды, прошедшей обработку хлорированием.
Дехлорирующее действие активированного угля определяется длиной полудехлорирования. Это расстояние соответствует высоте фильтрующего слоя, способного при определённой скорости фильтрации уменьшить содержание хлора в воде в два раза. Значение pH среды влияет на эту величину.
На практике в зависимости от температуры воды, содержания свободного хлора и максимально допустимого уровня остаточного хлора, объёмная нагрузка может составлять от пяти до пятнадцати объёмов воды в час на один объём активированного угля. Это восстановительное действие также распространяется на хлорамины, которые распадаются на азот и соляную кислоту. Однако эта реакция происходит медленнее, чем взаимодействие со свободным хлором. Поэтому для получения сопоставимых результатов необходимо значительно снижать объёмную нагрузку.
Активированный уголь используется для устранения остаточного содержания некоторых реагентов. Например, он помогает избавиться от запаха и коррозионного действия озона, а также от окрашивания, вызванного перманганатом.
Активированный уголь теряет способность к дехлорированию при взаимодействии с веществами, которые мешают его контакту с водой. К таким веществам относятся отложения карбоната кальция и загрязняющие вещества, которые адсорбируются на поверхности угля. Кроме того, окисление поверхности угля может снизить его эффективность в адсорбции наиболее легко адсорбируемых загрязняющих веществ.
Порошковый активированный уголь
Порошковый активированный уголь (ПАУ) представляет собой мелкие частицы размером от 10 до 50 микрометров. Этот материал широко используется в технологии осветления воды. Когда ПАУ непрерывно добавляют в воду вместе с флокулянтами, частицы угля объединяются с другими частицами в крупные структуры, называемые флокулами. Затем эти флокулы, содержащие частицы угля, извлекаются из воды вместе с осадком.
Для эффективного использования ПАУ рекомендуется применять отстойники с рециркуляцией осадка или со взвешенным слоем осадка. Такие отстойники позволяют значительно увеличить время контакта между водой и углём, приближая процесс насыщения угля к равновесному состоянию. Благодаря этому при использовании отстойника со взвешенным слоем осадка вместо обычного статического отстойника можно достичь такого же качества воды, при этом сэкономив до 15-40% ПАУ.
— Порошковые активированные угли стоят примерно в два-три раза дешевле гранулированных.
— Их количество можно регулировать в зависимости от концентрации загрязняющих веществ (если она известна).
— Если линия обработки включает только одну стадию флокуляции и отстаивания, то использование ПАУ требует относительно небольших капитальных затрат. Для этого достаточно установить только один блок дозирования активированного угля.
— Порошковый активированный уголь обладает высокой скоростью адсорбции. Это происходит благодаря тому, что молекулы адсорбата получают прямой доступ к большой поверхности микрочастиц адсорбента. Кроме того, он способствует процессу отстаивания, так как его частицы утяжеляют флокулы (хлопья осадка).
Недостатки:
— Невозможно восстановить порошковый активированный уголь, если он присутствует в составе извлекаемого осадка.
— Трудно полностью удалить остатки загрязняющих примесей без использования избыточного количества ПАУ.
— Чтобы использовать ПАУ в случае резкого увеличения загрязнения, необходимо иметь аналитические приборы обнаружения скачков.
Вот почему в большинстве случаев ПАУ используют в режимах периодического дозирования или при небольшой концентрации (менее 10-25 граммов на кубический метр в определённых ситуациях). Если же это не так, то из соображений экономии выгоднее применять уголь в виде гранул, которые можно регенерировать.
Гранулированный активированный уголь
Гранулированный уголь используется как фильтрующий слой, через который проходит обрабатываемая вода. В процессе фильтрации примеси, содержащиеся в воде, задерживаются углём. По мере прохождения воды через слой угля её качество улучшается: вода постепенно очищается от загрязнений, взаимодействуя с активными гранулами.Эффективность очистки с использованием активированного угля в основном зависит от его способности поглощать загрязнения. Эта способность измеряется в граммах загрязнений (ХПК, ООУ), которые могут быть адсорбированы на 1 кг активированного угля. Чем выше полезная ёмкость угля, тем меньше его потребуется для очистки. Полезная ёмкость активированного угля зависит от следующих факторов:
— толщина слоя. Чем больше толщина слоя, тем лучше он справляется с задачей по удержанию загрязнений, не позволяя им пройти сквозь него. Это понятие аналогично тому, что используется при описании ионообмена, где стремятся к идеальному насыщению верхней части слоя. На практике для фильтрации загрязнений с повышенной концентрацией используют слой адсорбента высотой от 0,8 до 3 метров и даже более.
— скорость адсорбции; Практика показывает, что в случае сильного загрязнения воды обычно не удаётся достичь расхода воды более трёх объёмов воды на один объём гранулированного активированного угля в час. При обработке питьевой воды с небольшим количеством адсорбируемых загрязнений для расчёта оптимальной экономической эффективности процесса необходимо учитывать значительную долю капитальных вложений. Это вынуждает снижать степень насыщения гранулированного активированного угля, используя более высокие объёмные нагрузки — 5-10 объёмов воды на один объём угля в час.
— Загрязнение воды органическими веществами, которое можно определить по перманганатной окисляемости или содержанию общего органического углерода. Во время очистки воды органические вещества вступают в реакцию с микрозагрязнителями, стремясь занять свободные места на поверхности гранул активированного угля. Это приводит к снижению способности угля удалять микрозагрязнения, если в исходной воде присутствует большое количество органических веществ.