Застосування активованого вугілля для відновлення підземних вод і ґрунтового повітря

доктор Крістіан Рер та Вольфрам Хольцапфель

9. Фільтр з активованим вугіллям

9.1 Основи

В районі реконструкції переважно використовуються стовпчасті адсорбери з нерухомим шаром. Це, по суті, циліндричні контейнери з наповненим активованим вугіллям і з входом і виходом. Їх часто називають просто фільтрами з активованим вугіллям.

Це працює відносно просто: рідина (повітря або вода), завантажена забруднювачем, протікає з певною швидкістю через шар активованого вугілля і вивільняє забруднювач до активованого вугілля. Кожне зменшення концентрації в рідині призводить до збільшення навантаження на активоване вугілля. Профіль завантаження формується в шарі активованого вугілля і відповідний профіль концентрації в розчині, що міститься в міжзерновому об’ємі.

У випадку з фільтрами з активованим вугіллям для очищення води, як правило, доступні пристрої для зворотного промивання для видалення вугільного пилу перед введенням в експлуатацію. При зворотній промивці з великим об’ємним потоком вуглецевий шар розширюється до 50%. У контейнері повинно бути достатньо місця.

Відповідні провідні пристрої всередині контейнера повинні забезпечувати, щоб рідина переважно не текла вздовж стінки контейнера (проблема проникності до краю), а використовувала повний переріз активованого вугілля.

Слід зазначити, що активоване вугілля в основному утримує лише пароподібні або розчинені речовини. Будь-який пил або суспендовані речовини, які можуть бути присутніми, спочатку слід відокремити за допомогою інших фільтрів, інакше вони забруднюють активоване вугілля.

9.2 Зона адсорбції

У випадку з фільтром з активованим вугіллям рідина, що підлягає очищенню, подається на вхід і очищається на виході. Градієнт концентрації встановлюється всередині колонки активованого вугілля. Залежно від відповідного навантаження розрізняють три зони через деякий час роботи. Біля входу вугілля повністю завантажується забруднювачем відповідно до вхідної концентрації та відповідної ізотерми. Рідина протікає через це вугілля без змін. Біля виходу вугілля ще свіже, а рідина, що протікає через нього, очищається. Між цими областями, в яких зараз відбувається адсорбція, утворюється більш-менш товста зона: зона адсорбції. Він характеризує динамічну поведінку (кінетику) системи активованого вугілля в колонці, оскільки саме тут відбуваються реакції.

підземних

14: Структура зони у фільтрі з активованим вугіллям (повністю заповненим активованим вугіллям)

Для того, щоб мати можливість оптимально використовувати фільтр, метою є максимально тонка зона адсорбції. Товщина зони адсорбції істотно залежить від

  • Концентрація та адсорбційна поведінка забруднювача
  • Швидкість потоку
  • Розмір частинок активованого вугілля
  • Коефіцієнт дифузії
  • температури

При очищенні повітря слід очікувати товщину зони адсорбції 5 - 30 см; при очищенні води зона адсорбції зазвичай має товщину близько одного метра.

Вирішальним фактором для практичної експлуатації є можлива пропускна здатність забрудненої рідини до досягнення граничного значення, вказаного для початкової концентрації. Зміна концентрації на виході з нерухомого шару називається кривою прориву. Крива прориву визначається формою зони адсорбції. Оскільки зона адсорбції має певну товщину, при вичерпанні шару активованого вугілля вихідна концентрація не раптово зростає з нуля до значення вхідної концентрації, а наближається до цього значення постійно. Це відбувається швидше при тонкій зоні адсорбції, ніж при товстій. Під час цього збільшення початкової концентрації граничне значення, яке слід спостерігати, зазвичай перевищується, і фільтр з активованим вугіллям слід замінити.

Рис. 15: Розвиток навантаження в адсорбері нерухомого шару з плином часу

Рис. 16: Краще використання активованого вугілля через довші фільтри. Відношення висоти зони адсорбції до зони завантаженого активованого вугілля є більш сприятливим при більшій висоті шару. Більша висота ліжка моделюється підключенням двох фільтрів послідовно. Прорив можна виявити рано, взявши проби на половині ліжка.

9.3 Споживання активованого вугілля

Як тільки досяжне завантаження активованого вугілля буде відоме з ізотерм при заданій концентрації забруднювача, можна визначити час роботи фільтра з активованим вугіллям. В першому наближенні це відбувається за умови припустимо тонкої зони адсорбції і, отже, раптового прориву забруднювача на виході з фільтра. Загальним показником є ​​споживання активованого вугілля. Він обчислюється наступним чином:

(1) Введена кількість забруднюючих речовин

Sm = Volstr * Conc * 24/1 000 000

Sm = кількість забруднюючих речовин у кг/добу
Volstr = об'ємний потік в м3/год (повітря або вода)
Conc = концентрація забруднювача в мг/м3

Приклад: 150 м³/год ґрунтового повітря з бензолом 220 мг/м3 призводить до забруднення 0,792 кг/добу.

Akv = Sm/Навантаження * 100%

Akv = споживання активованого вугілля в кг/добу
Навантаження = навантаження у% від ваги
Sm = кількість забруднюючих речовин у кг/добу

Приклад: Використовуючи ізотерму, концентрація бензолу 220 мг/м3 дає завантаження 9% по масі. При кількості забруднюючих речовин 0,792 кг/день це призводить до споживання активованого вугілля 8,8 кг/день.

(3) Термін служби фільтра з активованим вугіллям до виснаження

Sz = час стояння в днях
Akg = вага активованого вугілля у фільтрі
Akv = споживання активованого вугілля в кг/добу

Приклад: 125 кг активованого вугілля зважували у фільтр активованого вугілля. При спожитому активованому вугіллі 8,8 кг/день фільтр вичерпується приблизно через 14 днів.

9.4 Адсорбція декількох компонентів у фільтрі з активованим вугіллям

Навантаження активованого вугілля одночасно кількома забруднюючими речовинами вже обговорювалося вище. Було показано, що навантаження забруднювача зменшується при багатокомпонентній адсорбції порівняно з однокомпонентною адсорбцією. Оскільки рідина, що підлягає очищенню, постійно протікає через адсорбер із нерухомим шаром, є також значні ефекти, які по суті виражаються в різній швидкості фронту для кожного забруднювача та у витісненні забруднювачів.

Передня швидкість розуміється як середня швидкість просування зони адсорбції через шар активованого вугілля у напрямку виходу. Передню швидкість можна легко визначити чисельно за допомогою описаного вище терміну служби та висоти шару шару з активованим вугіллям. Чим менше навантаження на активоване вугілля при постійній концентрації, тим швидше зона адсорбції буде мігрувати через вуглецевий шар.

Якщо зараз суміш забруднювачів очищати фільтром з активованим вугіллям, різні швидкості фронту призведуть до поділу суміші для кожного окремого забруднювача. Забруднювач з найменшим навантаженням з’явиться першим у чистому вигляді на виході з адсорбера. Інші забруднювачі додаються пізніше.

Під час усунення багатокомпонентних пошкоджень ХГК цей хроматографічний ефект виділення забруднювачів виражається в тому, що на виході з активованого вугілля можна виявити вінілхлорид, потім дихлорметан, а потім цис-1,2 дихлоретен. Основні забруднюючі речовини три- і тетрахлороетен лише набагато пізніше досягають місця виходу.

Різні швидкості руху фронту також впливають на те, що забруднюючі речовини, які рухаються вперед, згодом витісняються тими, хто рухається повільніше. Наприклад, у двокомпонентній суміші цис-1,2-дихлоретен (Cis) - тетрахлороетен (Per) цис зазвичай рухається вперед як єдиний компонент у шарі вугілля і завантажує вугілля відповідно до ізотерми однієї речовини. При концентрації цис у повітрі 100 мг/м3 вугілля завантажується приблизно 3% по масі цис (див. Розділ 7.2, рис. 9). Якщо ця частина, яка завантажена лише цис-методом, пізніше буде досягнута наступним першим фронтом, застосовуються умови адсорбції для цис-пер-суміші. З додатковими 500 мг/м³ на добу, завантаження цисом становить лише близько 0,5% за вагою (рис. 9). Різниця до раніше існуючих 3% ваги Cis знову видаляється з вугілля і, таким чином, збільшується концентрація в рідині, що протікає. Пер витіснив з гострого вугілля. Через переміщення можливі навіть більш високі концентрації на виході з фільтра, ніж на вході у фільтр.

Через різні швидкості фронту окремих речовин та наслідки витіснення, процес адсорбції в адсорбері з нерухомим шаром є дуже складним. Ці процеси, а отже, і крива розбиття, яка в кінцевому рахунку представляє інтерес, в принципі можуть бути описані та вирішені системою диференціальних рівнянь. Однак на практиці це було б можливим лише при невиправданих зусиллях.

9.5 Багатокомпонентна адсорбція при очищенні підземних вод

Відмінності швидкості руху різних речовин відіграють особливо важливу роль у очищенні підземних вод, оскільки в кожній воді трапляються природні органічні сполуки, які зазвичай називають гуміновими речовинами. Їх вміст можна визначити, проаналізувавши параметр суми DOC (розчинений органічний вуглець). Вміст DOC зазвичай становить від 500 до декількох тисяч мг/м3, у районах з болотами він значно вищий. Вміст гумусу часто перевищує концентрацію забруднюючих речовин.

При очищенні підземних вод фільтрами з активованим вугіллям адсорбція цих природних органічних речовин не є бажаною, але неминучою. В даний час гумінові речовини зазвичай мігрують швидше, ніж органічні забруднювачі, через нерухоме шару з активованим вугіллям, де вони ведуть до попередньої адсорбції гуміновими речовинами. Ще свіже активоване вугілля покрите гуміновими речовинами і більше не має повну завантажувальну здатність для подальшої адсорбції CHC або BTX. Цей процес відомий як забруднення і призводить до значного зменшення корисної здатності активованого вугілля для видалення забруднюючих речовин порівняно з ізотермами однієї речовини (Baldauf 1986, Zimmer & Sontheimer 1989).

Зазвичай тривалий час простою одного року процес адсорбції навіть значною мірою визначається забрудненням. Для трихлоретену, як правило, досягається лише навантаження 25% рівноважної ізотерми (рис. 17), для тетрахлоретену навіть лише 5-10%.

Рис. 17: Ізотерми адсорбції трихлоретену з чистої води та підземних вод з гуміновими речовинами (ефект забруднення, Балдауф 1986)

Якість активованого вугілля та тип та кількість гумінових речовин напрочуд навряд чи відіграють роль. З ізотермами адсорбції для різних ХГК, наведеними на рис. 18, ефект забруднення все ще слід враховувати для практичного застосування.

Ефект забруднення можна зменшити шляхом послідовного підключення декількох фільтрів з активованим вугіллям.

18: Ізотерми адсорбції різних СНС у воді (20 ° C)

9.6 Конструкція фільтра з активованим вугіллям

Розробляючи адсорбер із фіксованим шаром, намагаються вибрати розміри апарату таким чином, щоб часто протилежні фактори впливу поєднувались в найкращий можливий компроміс. На додаток до діаметра, висоти та типу активованого вугілля, втрати тиску та витрати повинні бути під одним дахом.

Діаметр адсорбера з нерухомим шаром вибирається при очищенні повітря таким чином, щоб при заданому об'ємному потоці досягалася швидкість потоку від 0,1 до 0,5 м/с на основі порожнього контейнера. Більш тривалий час перебування необхідний для очищення води через повільнішої дифузії. Ємність розкладають так, щоб вода досягала швидкості фільтра 5 - 20 м/год.

Висота шару активованого вугілля в адсорбері повинна бути якомога більшою по відношенню до товщини зони адсорбції, щоб вуглець можна було ефективно використовувати. На практиці висота ліжок зазвичай становить від 1 до 3 м. Завдяки послідовному підключенню декількох фільтруючих блоків можна змоделювати більш високі шари (рис. 16).

На перепад тиску в колоні впливають розмір і форма частинок активованого вугілля. Через велику швидкість потоку втрата тиску відіграє важливу роль, особливо при очищенні повітря. Тут кращим є зовнішній гладкий, пресований формований вуглець. У випадку формованого вуглецю втрати тиску також можна краще контролювати завдяки регульованій геометрії зерен. Втрати тиску у фільтрі з активованим вугіллям важливі при вимірюванні насосів та повітродувок, оскільки втрати тиску повинні бути протиставлені відповідним витратам електричної енергії. Це генерує викиди забруднюючих речовин на електростанціях та витрати на електроенергію для оператора (Quanz & Röhr 1992).

10. Регенерація активованого вугілля

В результаті адсорбції забруднювачі були зв’язані з активованим вугіллям у концентрованій формі. Активоване вугілля класифікується в Гессені до категорії II і не може бути утилізовано разом із побутовими відходами. Виробник сміття повинен перевірити, чи можна відходи переробити. Зазвичай це трапляється, оскільки активоване вугілля можна регенерувати. Тому активоване вугілля із зони реконструкції стає проблемою відходів лише у виняткових випадках. Як правило, при адсорбції активованим вугіллям не залишається залишків та відходів.

Метою регенерації завантаженого активованого вугілля є відновлення вихідної адсорбційної здатності. На практиці це робиться шляхом десорбції забруднюючих речовин при підвищених температурах. По суті, для цього використовуються два процеси: протікання з перегрітою парою (трохи більше 100 ° C) або реактивація при дуже високих температурах, як на виробництві.

10.1 Регенерація перегрітої пари

Регенерація перегрітої пари використовується з активованим вугіллям, яке використовувалось для очищення повітря. Якщо гаряча водяна пара дозволяє протікати через завантажене активоване вугілля, забруднювачі десорбуються з активованого вугілля через підвищену температуру та витіснення водою і залишають ємність разом з водяною парою. Вода та забруднюючі речовини конденсуються в охолоджувачі. CKW і BTX навряд чи змішуються з водою. Тому утворюються дві рідкі фази, які можна розділити в гравітаційному сепараторі. Отже, забруднювачі знову накопичуються у вигляді фази і можуть повертатися назад в економічний цикл. Суміші розчинників можна знову розщепити на чисті речовини дистиляцією.

З міркувань економії забруднювачі не повністю десорбуються з вугілля перегрітою парою, оскільки споживання енергії буде занадто великим. Тому початкова адсорбційна здатність знову не досягається. Через залишкове навантаження забруднювачів, це регенероване активоване вугілля більше не можна використовувати універсально для кожного випадку реконструкції.

У великих випадках реконструкції перегріту пару можна також здійснити безпосередньо на місці пошкодження у вигляді самодесорбуючих систем з активованим вугіллям (SDA).

10.2 Реактивація

Реактивація подібна до процесу виробництва активованого вугілля. Спочатку вугілля сушать. Вода випаровується, і летючі СНС починають десорбувати. Деякі речовини, такі як гумінові кислоти, важко десорбуються. Вони піролітично розкладаються при більш високих температурах. Під час цього розкладання в поровій системі залишається залишок, який коксується в діапазоні 400 - 800 ° C, тобто викидаються компоненти водню та кисню. Кокс, що залишився при розкладанні, блокує мікропори. Аналогічно першій активації вугілля під час видобутку, цей залишок коксу газифікується між 900 і 1000 ° C, тобто перетворюється на CO2, CO і H2 в реакції з водяною парою. Частина активованого вугілля втрачається через стирання та ерозію. Забруднювачі в кінцевому підсумку спалюються до вуглекислого газу, води та соляної кислоти. Тут також залишається невелика кількість забруднюючих речовин на вугіллі.

11. Бібліографія

  • Baldauf, G. (1986): Вплив природних органічних речовин у воді на адсорбцію мікроелементів у фільтрах з активованим вугіллям. - Vom Wasser, 67, 11-21
  • Каст, В. (1988): Адсорбція з газової фази, VCH Verlags GmbH, Weinheim
  • Kienle, H. von (1990): Активоване вугілля - виробництво, властивості та сфери застосування, лекція на конференції форуму 25 вересня 1990 р.
  • Kienle, H. von (1990): Термічна реактивація відпрацьованого активованого вугілля. Лекція на конференції форуму 25 вересня 1990 р
  • Kienle, H. von (1980): Активоване вугілля та його промислове застосування, Enke-Verlag
  • Lurgi GmbH: Гідрафін. Порошкові та гранульовані активовані вугілля для очищення води та стічних вод.
  • Norit: Активоване вугілля - вступ, брошура компанії
  • Norit: універсальність активованого вугілля, брошура компанії
  • Кванц, К.-П. & Röhr, C. (1992): Екологічний баланс рекультивації ґрунту шляхом всмоктування ґрунтового повітря - вода WLB, повітря, грунт, 1-2
  • Storp, K. & Krill, H.: Використання активованого вугілля для контролю забруднення повітря. Lurgi GmbH, Франкфурт-на-Майні, No 1117
  • Zimmer, G. & Sontheimer, H. (1989): Опис адсорбції органічних мікроелементів у фільтрі з активованим вугіллям. - Vom Wasser, 72, 1-19