Активированный уголь для водоподготовки

Активированный уголь в промышленных объемах начали производить в начале XX века, и связано это было с развитием промышленного производства в химической отрасли, внедрением новых видов химического оружия и химзащиты. Применение его в качестве адсорбента дало толчок развитию новых производственных технологий для его получения, которые до сих пор непрерывно совершенствуются.

Сегодня активированный уголь используются повсеместно во многих производственных процессах. В инженерной экологии его важная роль связана с использованием в системах очистки воздуха и водоподготовки.

Преимущества активированного угля. Адсорбционные способности позволяют применять его для очистки:

• промышленных сточных вод,
• бытовых технических вод от котлов и бассейнов,
• загрязненных поверхностных и ливневых вод.

Активированный уголь успешно адсорбирует из растворов следующие органические соединения:

• нефтепродукты,
• пестициды,
• галогенсодержащие углеводороды.

Фильтры с угольной загрузкой улучшают органолептические показатели воды, очищаемой для питьевых нужд:

• снижают цветность и мутность,
• удаляют посторонние запахи и привкусы,
• адсорбируют органику.

Доочистка водопроводной воды угольными фильтрами удаляет из воды остатки хлорсодежащих соединений и озона, используемых для дезинфекции. Активированный уголь может служить материалом-носителем для микроорганизмов.

Производство активированного угля. Получают его из органического углеродного сырья. В зависимости от доступности тех или иных природных материалов. Существуют технологии получения активированного каменного или древесного угля из ореховой или кокосовой скорлупы. Активирование угля (раскрытие пор углеродного материала) проводится при помощи водяного пара, либо термохимическим методом с использованием специальных реагентов.

Исходный материал и способ активации влияют на качество активированного угля. Важные характеристики— размеры и удельная поверхность пор, гранулометрический состав (размер угольных частиц).

Технологии очистки воды углем

Чтобы добавить отмеренную дозу активированного угля в очищаемую воду, удобнее всего всыпать порошкообразный уголь или влить в загрязненную воду водную угольную суспензию. После завершения процесса очистки, когда уголь максимально адсорбирует на своей поверхности все загрязняющие вещества, угольную взвесь из воды необходимо удалить. Для удаления взвеси применяют методы коагуляции или фильтрования (многослойные фильтры, гравийные фильтры и другие методы).

Технологии очистки воды с неподвижным слоем загрузки заключаются в том, что загрязненную воду пропускают через один или несколько слоев активированного угля в гранулах. По конструкции фильтры могут быть открытые и закрытые, работающие за счет создаваемой разницы в давлении. При очистке больших объемов воды для размещения фильтров используют бетонные резервуары.

Активированный уголь, служащий фильтрующим материалом в системах водоподготовки с неподвижным слоем, можно регенерировать термическим способом, что, в целом, снижает затраты на водоочистку.

Так как угольная загрузка в процессе водоподготовки контактирует с питьевой водой, к ней применяются самые строгие санитарно-гигиенические требования. При этом руководствуются отечественными ГОСТами и СНиПами для питьевой воды, европейскими экологическими нормативами и стандартами качества.

Подбор угольной загрузки для водоочистки — важная задача при проектировании системы водоподготовки. Выбор активированного угля зависит от исходного содержания загрязняющих веществ и заданной степени снижения концентрации вредных примесей. Оптимальный подбор фильтрующих элементов происходит после проведения лабораторных анализов и получения рекомендаций от специалистов компании. Квалифицированные сотрудники лаборатории, работающие с адсорбционными материалами, подберут необходимую загрузку требуемого качества.

В ответственных случаях есть возможность организовать испытания, приближенные к полевым условиям. Для этого используют небольшие фильтры мобильного типа вместимостью до 0,5 м3 активированного угля и анализируют показатели адсорбции, расходов и эксплуатационных характеристик.

Европейские коммунальные системы водоподготовки часто используют системы очистки в виде фильтров с неподвижным слоем фильтрующих элементов из гранулированного угля. Вид загрузки подбирается в зависимости от химического состава очищаемой воды:

• Хлорсодержащие углеводороды, пестициды и биологически активные вещества лучше удаляются из воды углем, получаемым из скорлупы кокосовых орехов.
• Для удаления растворенной органики рекомендуется использовать активированный каменный уголь.

В Германии принято оценивать качество активированного угля по нитробензольному показателю — это количество угля, необходимое для удаления из воды на 90% заданного количества нитробензола. Так, для такой степени очистки необходимо менее 20 мг высокоэффективных кокосовых углей или 21–27 мг эффективных углей каменного происхождения.. Этот показатель имеет преимущество перед общеприменимым йодным числом, так как позволяет оценивать адсорбционный эффект для большего количества веществ.

Для очистки воды от многих видов органических веществ традиционно используют флокуляцию, окисление и фильтрацию. Для этих же целей может применяться высокоактивный порошкообразный активированный уголь с высокой адсорбционной способностью. Применение активированного угля в ряде случаев более выгодно, так как позволяет снизить дозу адсорбента и уменьшить затраты на водоочистку.

Для определения эффективной дозы адсорбента строят изотермы адсорбции с учетом реального химического состава очищаемой воды. Входящие в состав водного раствора примеси могут изменить реальный показатель адсорбции активированного угля и повлиять на конечную степень водоочистки.

Примеры использования

Европейская компания в сотрудничестве с российскими коммунальными службами изучали порошкообразный активированный уголь для удаления из воды минеральных углеводородов при стандартных температурных условиях (22-26 °C).

Растворы очищаемой воды приготовляли методом дозирования. Начальная концентрация минеральных масел составляла около 1,7 мг/л. Фракционный состав углеводородов был следующий:

• C₁₀–C₁₆ - 1 мг/л;
• C₁₇–C₂₀ - 0,4 мг/л;
• C₂₁–C₂₄ - 0,2 мг/л.

Для построения изотерм адсорбции применялся набор навесок порошкообразного угля от 2 до 10 мг/л. В зависимости от используемой дозы активированного угля из раствора удалялось от 60 до 90% от общего содержания углеводородных соединений.

Параллельные опыты изучали изменение характеристик активированного угля при добавлении в раствор дополнительных реагентов (хлорамина). Хлорамин получали внесением в раствор аммиака и гипохлорита натрия.

При более высокой концентрации в растворе углеводородов (до 4,2 мг/л) и в присутствии хлорамина заметно возросла адсорбция активированным углем углеводородных соединений. Такой эффект объясняется тем, что хлорамин химически взаимодействовал с органическими углеводородами и преобразовывал их в легко адсорбируемые соединения.