Използването на активен въглен за възстановяване на подпочвените води и почвения въздух

от д-р Кристиан Рьор и Волфрам Холцапфел

9. Филтър с активен въглен

9.1 Основни положения

В зоната на обновяване се използват предимно адсорбери с фиксирано легло. Това са по същество цилиндрични контейнери с пълнеж от активен въглен и с вход и изход. Те често се наричат просто филтри с активен въглен.

Начинът, по който работи, е сравнително прост: течността (въздух или вода), натоварена със замърсителя, протича с определена скорост през слой активен въглен и освобождава замърсителя до активния въглен. Всяко намаляване на концентрацията в течността води до увеличаване на натоварването върху активния въглен. Профил на зареждане се формира в слоя с активен въглен и съответстващ профил на концентрация в разтвора, съдържащ се в междузърнестия обем.

В случай на филтри с активен въглен за пречистване на вода, обикновено се предлагат устройства за обратно промиване, за да могат да се отстранят въглеродните прахове преди пускане в експлоатация. При обратно промиване с голям обем поток, въглеродният слой се разширява с до 50%. Трябва да има достатъчно място в контейнера.

Подходящите проводящи устройства вътре в контейнера трябва да гарантират, че течността не тече за предпочитане по стената на контейнера (проблем с пропускливостта до ръба), а използва пълното напречно сечение на активния въглен.

Трябва да се отбележи, че активният въглен основно задържа само изпарени или разтворени вещества. Всеки прах или окачени вещества, които могат да присъстват, първо трябва да бъдат отстранени от други филтри, в противен случай те биха замърсили активния въглен.

9.2 Адсорбционна зона

С филтъра с активен въглен течността, която трябва да се почисти, се освобождава на входа и се освобождава в изчистено състояние на изхода. Градиент на концентрация се установява в колоната с активен въглен. В зависимост от съответното натоварване се прави разлика между три зони след известно време на работа. Близо до входа въглищата са напълно заредени със замърсител според концентрацията на входа и съответната изотерма. Течността тече през този въглен непроменена. Близо до изхода въглищата са все още свежи и течността, която тече през него, се почиства. Между тези области се образува повече или по-малко дебела зона, в която в момента се извършва адсорбция: адсорбционната зона. Той характеризира динамичното поведение (кинетика) на системата с активен въглен в колоната, тъй като тук протичат реакциите.

Фиг. 14: Зонова структура във филтър с активен въглен (изцяло изпълнен с активен въглен)

За да можем да използваме филтъра оптимално, целта е да има възможно най-тънка зона на адсорбция. Дебелината на адсорбционната зона зависи основно от

Концентрация и адсорбционно поведение на замърсителя
Скорост на потока
Размер на частиците активен въглен
Коефициент на дифузия
температура

При почистване на въздуха трябва да се очаква дебелина на адсорбционната зона от 5 - 30 см; при почистване на водата адсорбционната зона обикновено е с дебелина около един метър.

Решаващият фактор за практическа експлоатация е възможната пропускателна способност на замърсената течност, докато не се достигне гранична стойност, посочена за първоначалната концентрация. Промяната в концентрацията на изхода от неподвижното легло се нарича крива на пробив. Кривата на пробив се определя от формата на адсорбционната зона. Тъй като адсорбционната зона има определена дебелина, когато слоят на активния въглен се изчерпи, изходната концентрация не се повишава внезапно от нула до стойността на входящата концентрация, а по-скоро се приближава непрекъснато до тази стойност. Това се случва по-бързо при тънка адсорбционна зона, отколкото при дебела. По време на това увеличение на първоначалната концентрация обикновено се надвишава граничната стойност, която трябва да се спазва, и филтърът с активен въглен трябва да бъде заменен.

Фиг. 15: Развитие на натоварването в адсорбера с неподвижно легло във времето

Фиг. 16: По-добро използване на активен въглен чрез по-дълги филтри. Отношението на височината на адсорбционната зона към зоната на натоварения активен въглен е по-благоприятно при по-голяма височина на слоя. По-голяма височина на леглото се симулира чрез последователно свързване на два филтъра. Пробивът може да бъде открит рано, като се вземат проби по средата на леглото.

9.3 Консумация на активен въглен

След като достижимото натоварване на активен въглен е известно от изотермите при дадена концентрация на замърсител, може да се определи времето за работа на филтъра с активен въглен. Като първо приближение това става при предположението за пренебрежимо тънка адсорбционна зона и по този начин внезапен пробив на замърсителя на изхода на филтъра. Обща мярка е консумацията на активен въглен. Изчислява се както следва:

(1) Въведено количество замърсители

Sm = Volstr * Conc * 24/1 000 000

Sm = количество замърсители в кг/ден
Volstr = обемен поток в m³/h (въздух или вода)
Conc = концентрация на замърсителя в mg/m³

Пример: 150 m³/h почвен въздух с 220 mg/m³ бензол води до количество замърсител от 0,792 kg/ден.

Akv = Sm/Load * 100%

Akv = консумация на активен въглен в кг/ден
Натоварване = натоварване в% от теглото
Sm = количество замърсители в кг/ден

Пример: Използвайки изотермата, концентрация на бензен от 220 mg/m³ дава натоварване от 9 тегловни%. При количество замърсител от 0,792 кг/ден, това води до консумация на активен въглен от 8,8 кг/ден.

(3) Живот на филтъра с активен въглен до изчерпване

Sz = време на престой в дни
Akg = теглото на активния въглен във филтъра
Akv = консумация на активен въглен в кг/ден

Пример: 125 kg активен въглен се претеглят във филтъра за активен въглен. При консумация на активен въглен от 8,8 кг/ден, филтърът ще се изтощи след около 14 дни.

9.4 Адсорбция на няколко компонента във филтъра с активен въглен

Натоварването на активен въглен с няколко замърсители едновременно вече беше обсъдено по-горе. Показано е, че натоварването на замърсител е намалено при многокомпонентната адсорбция в сравнение с еднокомпонентната адсорбция. Тъй като течността, която трябва да се почиства, непрекъснато протича през адсорбера с неподвижен слой, има и значителни ефекти, които по същество се изразяват в различна предна скорост за всеки замърсител и в изместването на замърсителите.

Под предна скорост се разбира средната скорост на напредване на адсорбционната зона през слоя с активен въглен по посока на изхода. Предната скорост може лесно да се определи числено чрез описания по-горе експлоатационен живот и височината на леглото на слоя с активен въглен. Колкото по-малко е натоварването на активния въглен при постоянна концентрация, толкова по-бързо зоната на адсорбция ще мигрира през въглеродния слой.

Ако сега сместа от замърсители трябва да бъде почистена с филтър с активен въглен, различните скорости на фронта ще доведат до отделяне на сместа за всеки отделен замърсител. Замърсителят с най-малко натоварване ще се появи първо, в чист вид, на изхода на адсорбера. Останалите замърсители се добавят по-късно.

При отстраняване на многокомпонентни CHC увреждания, този хроматографски ефект от отделянето на замърсителите се изразява във факта, че винилхлоридът може да бъде открит на изхода на активния въглен, след това дихлорометан и след това цис 1,2 дихлороетен. Основните замърсители три- и тетрахлороетен достигат до изхода много по-късно.

Различните предни скорости също имат ефекта, че замърсителите, които се движат напред, по-късно се изместват от тези, които се движат по-бавно. В двукомпонентната смес например цис 1,2 дихлороетен (Cis) - тетрахлороетен (Per), цис обикновено се движи напред като единичен компонент във въглищното легло и зарежда въглищата според изотермата на едно вещество. При концентрация на цис във въздуха от 100 mg/m³ въглищата се зареждат с около 3% тегловни цис (виж раздел 7.2, фиг. 9). Ако тази част, която е заредена само с цис, бъде достигната по-късно чрез последващия фронт, се прилагат условията на адсорбция за цис-на смес. При допълнителни 500 mg/m³ Per, натоварването с Cis тогава е само около 0,5% тегловни (Фиг. 9). Разликата до предишните 3% тегловни Cis се отстранява отново от въглищата и по този начин се увеличава концентрацията в течащата течност. Пер е изхвърлил остри от въглища. Поради изместването са възможни дори по-високи концентрации на изхода на филтъра, отколкото на входа на филтъра.

Поради различните скорости на фронта на отделните вещества и произтичащите от това изместващи ефекти, адсорбционният процес в адсорбера с неподвижно легло е много сложен. Тези процеси и по този начин също така в крайна сметка интересна крива на пробив могат по принцип да бъдат описани и решени чрез система от диференциални уравнения. На практика обаче това би било възможно само с неоправдани усилия.

9.5 Многокомпонентна адсорбция при пречистването на подземните води

Разликите в предната скорост на различните вещества играят особено важна роля при почистването на подпочвените води, тъй като във всяка вода се срещат естествени органични съединения, които обикновено се наричат хуминови вещества. Съдържанието им може да се определи чрез анализ на параметъра сума DOC (разтворен органичен въглерод). Съдържанието на DOC обикновено е в диапазона между 500 и няколко хиляди mg/m³, а в райони с блата е значително по-високо. Съдържанието на хумус често надвишава концентрацията на замърсител.

При почистване на подпочвените води с филтри с активен въглен, адсорбцията на тези естествени органични вещества не е желана, но неизбежна. Понастоящем хуминовите вещества обикновено мигрират по-бързо от органичните замърсители през слоя с активен въглен, където водят до предварителна адсорбция с хуминови вещества. Все още пресният активен въглен е покрит с хуминови вещества и вече няма пълната товароносимост за последваща адсорбция на CHC или BTX. Този процес е известен като замърсяване и води до значително намаляване на използваемия капацитет на активирания въглен за отстраняване на замърсителите в сравнение с изотермите с едно вещество (Baldauf 1986, Zimmer & Sontheimer 1989).

При обикновено дългите времена на празен ход от една година процесът на адсорбция дори се определя в голяма степен от замърсяването. За трихлороетен като правило се постига само натоварване от 25% от равновесната изотерма (фиг. 17), за тетрахлороетен дори само 5 до 10%.

Фиг. 17: Адсорбционни изотерми на трихлороетен от чиста вода и от подземни води с хуминови вещества (ефект на замърсяване, Baldauf 1986)

Качеството на активирания въглен и видът и количеството хуминови вещества изненадващо трудно играят роля. В случай на изотерми на адсорбция за различни СНС, дадени на фиг. 18, ефектът на замърсяване все още трябва да се вземе предвид за практическо приложение.

Ефектът на замърсяване може да бъде намален чрез последователно свързване на няколко филтъра с активен въглен.

Фиг. 18: Адсорбционни изотерми на различни СНС във вода (20 ° C)

9.6 Дизайн на филтър с активен въглен

Когато се проектира адсорбер с фиксирано легло, човек се опитва да избере размерите на апарата, така че често противоположните влияещи фактори да се комбинират във възможно най-добрия компромис. В допълнение към диаметъра, височината и вида на активен въглен, загубата на налягане и разходите трябва да бъдат под един покрив.

Диаметърът на адсорбера с неподвижно легло се избира при пречистването на въздуха така, че да се постигне дебит между 0,1 и 0,5 m/s, базиран на празния контейнер, с дадения обем на потока. За пречистване на водата са необходими по-дълги времена на престой поради по-бавната дифузия. Контейнерът е разположен така, че водата да достигне скорост на филтър от 5 - 20 m/h.

Височината на слоя с активен въглен в адсорбера трябва да бъде възможно най-голяма спрямо дебелината на адсорбционната зона, така че въглеродът да може да се използва ефективно. На практика височината на леглото обикновено е между 1 и 3 m. Чрез свързване на няколко филтърни единици последователно, могат да се симулират по-високи легла (Фиг. 16).

Спадът на налягането в колона се влияе от размера и формата на частиците активен въглен. Поради високия дебит загубата на налягане играе важна роля, особено при почистване на въздуха. Тук се предпочита външно гладкият, пресован формован въглерод. В случай на формован въглерод, загубата на налягане също може да бъде по-добре контролирана поради регулируемата геометрия на зърната. Загубата на налягане във филтъра с активен въглен е важна при оразмеряването на помпите и вентилаторите, тъй като загубата на налягане трябва да се противодейства със съответния разход на електрическа енергия. Това генерира емисии на замърсители в електроцентралите и разходи за електроенергия за оператора (Quanz & Röhr 1992).

10. Регенериране на активния въглен

В резултат на адсорбцията замърсителите се свързват с активирания въглен в концентрирана форма. Активният въглен е класифициран в категория II в Хесен и не може да се изхвърля с битови отпадъци. Производителят на отпадъци трябва да провери дали отпадъците могат да бъдат рециклирани. Това обикновено е така, защото активният въглен може да се регенерира. Следователно, активен въглен от зоната за обновяване се превръща в проблем с отпадъците само в изключителни случаи. Когато се адсорбира с активен въглен, обикновено няма остатъци или отпадъци.

Целта на регенерацията на натоварен активен въглен е да се възстанови първоначалната адсорбционна способност. На практика това се прави чрез десорбция на замърсителите при повишени температури. По същество за това се използват два процеса: протичане с прегрята пара (малко над 100 ° C) или повторно активиране при много високи температури, както при производството.

10.1 Регенерация на прегрята пара

Регенерацията на прегрятата пара се използва с активен въглен, който се използва за пречистване на въздуха. Ако горещата водна пара се оставя да тече през натоварения активен въглен, замърсителите се десорбират от активния въглен поради повишената температура и изместването от водата и оставят контейнера заедно с водните пари. Водата и замърсителите се кондензират в охладител. CKW и BTX трудно се смесват с вода. Следователно се образуват две течни фази, които могат да бъдат разделени в гравитационен сепаратор. Следователно замърсителите се натрупват отново като фаза и могат да бъдат подадени обратно в икономическия цикъл. Смесите от разтворители могат да се разделят отново на чисти вещества чрез дестилация.

От съображения за икономичност замърсителите не са напълно десорбирани от въглищата с прегрятата пара, тъй като консумацията на енергия би била твърде висока. Следователно първоначалната способност за адсорбция не се постига отново. Поради оставащото натоварване със замърсители, този регенериран активен въглен вече не може да се използва универсално за всеки случай на обновяване.

В големи случаи на реновиране регенерацията на прегрятата пара може да се осъществи и директно в точката на повреда под формата на самодесорбиращи се системи с активен въглен (SDA).

10.2 Повторно активиране

Реактивирането е подобно на производствения процес за активен въглен. Първо въглищата се изсушават. Водата се изпарява и летливите CHC започват да се десорбират. Някои вещества, като хуминови киселини, трудно се десорбират. Те се разлагат пиролитично при по-високи температури. По време на това разлагане в системата на порите остава остатък, който се коксува в диапазона 400 - 800 ° C, т.е. компонентите на водорода и кислорода се изхвърлят. Останалият разлагащ кокс блокира микропорите. Аналогично на първото активиране на въглищата по време на производството, този остатък от кокс се газифицира между 900 и 1000 ° C, т.е. превръща се в CO2, CO и H2 в реакцията с водни пари. Част от активния въглен се губи чрез абразия и ерозия. В крайна сметка замърсителите се изгарят до въглероден диоксид, вода и солна киселина. Малки количества замърсители и тук остават върху въглищата.

11. Библиография

Baldauf, G. (1986): Влияние на естествените органични вещества във водата върху адсорбцията на микроелементи във филтри с активен въглен. - Vom Wasser, 67, 11-21
Kast, W. (1988): Адсорбция от газовата фаза, VCH Verlags GmbH, Weinheim
Kienle, H. von (1990): Активен въглен - производство, свойства и области на приложение, лекция на конференцията на форума на 25 септември 1990 г.
Kienle, H. von (1990): Термично реактивиране на изчерпания активен въглен. Лекция на конференцията на форума на 25 септември 1990 г.
Kienle, H. von (1980): Активният въглен и неговото промишлено приложение, Enke-Verlag
Lurgi GmbH: Хидрафин. Активни въглища на прах и гранули за пречистване на вода и отпадъчни води.
Norit: Активен въглен - въведение, фирмена брошура
Norit: Универсалността на активен въглен, фирмена брошура
Quanz, K.-P. & Röhr, C. (1992): Екологичен баланс на възстановяването на почвата чрез всмукване на почвен въздух - WLB вода, въздух, почва, 1-2
Storp, K. & Krill, H.: Използване на активен въглен за контрол на замърсяването на въздуха. Lurgi GmbH Франкфурт на Майн, № 1117
Zimmer, G. & Sontheimer, H. (1989): Описание на адсорбцията на органични микроелементи във филтър с активен въглен. - Vom Wasser, 72, 1-19