Употреба на активен јаглен при санација на подземните води и воздухот на почвата

од д-р. Кристијан Рер и Волфрам Холзапфел

9. Филтер со активен јаглен

9.1 Основи

Во областа за реновирање, претежно се користат колонообразни адсорбери на фиксни кревети. Овие се во суштина цилиндрични контејнери со полнење со активен јаглен и со влез и излез. Тие честопати едноставно се нарекуваат филтри со активен јаглен.

Начинот на работа е релативно едноставен: флуидот (воздухот или водата) натоварен со загадувачот тече со одредена брзина низ слој од активиран јаглерод и го ослободува загадувачот до активираниот јаглерод. Секое намалување на концентрацијата во течноста доведува до зголемување на оптоварувањето на активниот јаглен. Во креветот на активиран јаглерод се формира профил на полнење и соодветен профил на концентрација во растворот содржан во волуменот на меѓусебните зрна.

Во случај на филтри со активен јаглен за прочистување на водата, уредите за миење на грбот се генерално достапни за да може да се отстрани јаглеродната прашина пред пуштањето во употреба. Кога се мие наназад со проток на голем волумен, јаглеродното корито се шири до 50%. Мора да има доволно простор во контејнерот.

Соодветните проводни уреди внатре во контејнерот мора да осигураат дека течноста преференцијално не тече по wallидот на контејнерот (проблем на пропустливост до работ), туку го користи целосниот пресек на активираниот јаглерод.

Треба да се напомене дека активниот јаглен во основа задржува само парни или растворени супстанции. Секоја прашина или суспендирана материја што може да биде присутна, прво мора да се отстранат со други филтри, во спротивно тие ќе го загадат активираниот јаглерод.

9.2 Зона на адсорпција

Во случај на филтер со активен јаглен, течноста што треба да се исчисти се нанесува на влезот и се чисти на излезот. Градиент на концентрација е воспоставен во рамките на колоната со активен јаглен. Во зависност од соодветното оптоварување, се прави разлика помеѓу три области по одредено време на работа. Во близина на влезот, јагленот е целосно наполнет со загадувачот во согласност со концентрацијата на влезот и соодветната изотерма. Течноста тече низ овој јаглен непроменета. Во близина на излезот, јагленот е сè уште свеж и течноста што тече низ неа се чисти. Помеѓу овие области се формира повеќе или помалку густа област, во која моментално се одвива адсорпција: зона на адсорпција. Го карактеризира динамичкото однесување (кинетика) на системот со активен јаглен во колоната, бидејќи тука се случуваат реакциите.

Сл. 14: Структура на зоната во филтер со активен јаглен (целосно исполнет со активен јаглен)

За да може оптимално да се користи филтерот, целта е да се има што е можно потенка зона на адсорпција. Дебелината на зоната на адсорпција во суштина зависи од

Однесување на концентрација и адсорпција на загадувачот
Брзина на проток
Големина на честичките на активиран јаглерод
Коефициент на дифузија
температура

При чистење на воздухот, мора да се очекува дебелина на адсорпционата зона од 5 - 30 см, со чистење вода, зоната на адсорпција е обично дебела околу еден метар.

Одлучувачки фактор за практично работење е можниот проток на контаминирана течност сè додека не се постигне гранична вредност одредена за почетната концентрација. Промената на концентрацијата на излезот од фиксниот кревет се нарекува крива на чекор напред. Кривата на чекор напред се одредува според обликот на зоната на адсорпција. Бидејќи зоната на адсорпција има одредена дебелина, кога ќе се исцрпи креветот на активиран јаглерод, излезната концентрација одеднаш не се искачува од нула до вредноста на влезната концентрација, туку таа се приближува кон оваа вредност континуирано. Ова се случува побрзо со тенка зона на адсорпција отколку со густа. Во контекст на ова зголемување на почетната концентрација, граничната вредност што треба да се набудува обично се надминува и филтерот со активен јаглен мора да се замени.

Сл. 15: Развој на вчитувањето во абсорберот на фиксиран кревет со текот на времето

Сл. 16: Подобра употреба на активен јаглен преку подолги филтри. Односот на висината на зоната на адсорпција до зоната на наполнетиот активиран јаглерод е поповолен со поголема висина на креветот. Поголема висина на креветот се симулира со поврзување на два филтри во серија. Пробивот може да се открие рано со земање примероци на половина од креветот.

9.3 Потрошувачка на активен јаглен

Откако ќе се знае достигнувањето на полнењето на активираниот јаглерод од изотермите во дадена концентрација на загадувач, може да се одреди времето на работа на филтерот со активен јаглен. Како прва апроксимација, ова се одвива под претпоставка на занемарлива тенка зона на адсорпција и со тоа ненадеен пробив на загадувачот на излезот од филтерот. Заедничка мерка е потрошувачката на активен јаглен. Се пресметува како што следува:

(1) Внесена количина на загадувачи

Sm = Volstr * Conc * 24/1.000.000

Sm = количина на загадувачи во kg/ден
Volstr = проток на волумен во m³/h (воздух или вода)
Заклучок = концентрација на загадувачот во mg/m³

Пример: 150 m³/h почвен воздух со 220 mg/m³ бензен резултира во количина на загадувач од 0,792 kg/ден.

Akv = Sm/Load * 100%

Akv = потрошувачка на активен јаглен во kg/ден
Оптоварување = оптоварување во% по тежина
Sm = количина на загадувачи во kg/ден

Пример: Користејќи ја изотермата, концентрација на бензен од 220 mg/m³ дава оптоварување од 9% по тежина. Со количина на загадувач од 0,792 кг/ден, ова резултира со потрошувачка на активен јаглен од 8,8 кг/ден.

(3) Рок на траење на филтерот со активен јаглен до исцрпеност

Sz = време на стоење во денови
Akg = тежина на активиран јаглерод во филтерот
Akv = потрошувачка на активен јаглен во kg/ден

Пример: 125 кг активиран јаглерод беа измерени во филтерот за активиран јаглерод. Со активирана потрошувачка на јаглен од 8,8 кг/ден, филтерот ќе се исцрпи по околу 14 дена.

9.4 Адсорпција на неколку компоненти во филтерот за активиран јаглерод

Вчитувањето на активен јаглен со неколку загадувачи во исто време веќе беше дискутирано погоре. Се покажа дека полнењето на загадувачот е намалено во мулти-компонентна адсорпција во споредба со единечна компонента. Бидејќи течноста што треба да се чисти постојано тече низ адсорбер со фиксен кревет, има и значајни ефекти кои се суштински изразени во различна брзина на предната страна за секое загадувачко средство и во поместувањето на загадувачите.

Се разбира дека предната брзина е просечна брзина на напредување на зоната на адсорпција преку креветот на активиран јаглерод во насока на излезот. Предната брзина лесно може да се одреди нумерички преку горенаведениот век на траење и висината на креветот на креветот со активен јаглен. Колку е помал товарот на активиран јаглерод во постојана концентрација, толку побрзо зоната на адсорпција ќе мигрира низ јаглеродното корито.

Доколку смесата за загадување треба да се исчисти со филтер за активиран јаглерод, различните брзини на предната страна ќе резултираат со одвојување на смесата за секое одделно загадувачко средство. Загадувачот со најмало оптоварување ќе се појави прво, во чиста форма, на излезот од адсорберот. Останатите загадувачи се додаваат подоцна.

При поправка на повеќекомпонентно оштетување на CHC, овој ефект на хроматографија при раздвојување на загадувачите се изразува во фактот дека винил хлорид може да се открие на излезот од активираниот јаглерод, потоа дихлорометан, а потоа и од цис 1,2 дихлороетен. Главните загадувачи три- и тетрахлороетен достигнуваат до излезот многу подоцна.

Различните брзини на предниот дел исто така имаат ефект дека загадувачите што се движат напред подоцна се раселени од оние што се движат побавно. На пример, во двокомпонентна мешавина на цис 1,2 дихлороетен (Цис) - тетрахлороетен (Пер), цис обично се движи напред како единствена компонента во јагленското корито и го вчитува јагленот во согласност со едно-супстанцијата на изотермата. Со концентрација на цис во воздухот од 100 mg/m³, јагленот се полни со околу 3% од тежината на cis (види Дел 7.2, слика 9). Ако овој дел, кој е натоварен само со cis, подоцна го достигне последователниот по-фронт, важат условите за адсорпција на мешавината cis-per. Со дополнителни 500 mg/m³ на ден, оптоварувањето со Cis е тогаш само околу 0,5% по тежина (Слика 9). Разликата во претходно постоечките 3% по тежина на Cis се отстранува повторно од јагленот и со тоа се зголемува концентрацијата во течноста што тече низ. Пер го исфрли остриот јаглен. Поради поместувањето, можни се уште поголеми концентрации на излезот на филтерот отколку на влезот на филтерот.

Поради различните брзини на фронтот на одделните супстанции и добиените ефекти на поместување, процесот на адсорпција во абсорберот на фиксен кревет е многу сложен. Овие процеси, а со тоа и кривата на распаѓање што е на крајот од интерес, во принцип може да се опишат и решат со систем на диференцијални равенки. Сепак, во пракса, ова би било можно само со неоправдан напор.

9.5 Мултикомпонентна адсорпција при прочистување на подземните води

Разликите во предната брзина на разни супстанции играат особено важна улога во чистењето на подземните води, бидејќи во секоја вода се појавуваат природни органски соединенија, кои обично се нарекуваат хумични супстанции. Нивната содржина може да се одреди со анализа на параметарот на збирот DOC (растворен органски јаглерод). Содржината на ДОЦ е обично во опсег од 500 до неколку илјади мг/м2, во области со блато е значително поголема. Содржината на хумијата често ја надминува концентрацијата на загадувачот.

При чистење на подземните води со филтри со активен јаглен, адсорпцијата на овие природни органски материи не е посакувана, но е неизбежна. Хумичните материи сега генерално мигрираат побрзо од органските загадувачи преку фиксиран кревет со активен јаглен, каде што доведуваат до претходна адсорпција со хумични материи. Сè уште свежиот активиран јаглерод е покриен со хумични супстанции и веќе го нема целиот капацитет на товарење за последователната адсорпција на CHC или BTX. Овој процес е познат како фаулирање и доведува до значително намалување на употребливиот капацитет на активниот јаглен за отстранување на загадувачите во споредба со изотермите со една супстанција (Балдауф 1986, Цимер и Зонтхајмер 1989).

Со вообичаено долгите периоди на мирување од една година, процесот на адсорпција е во голема мера одреден со фаулирање. За трихлороетен, обично се постигнува само полнење од 25% од рамнотежната изотерма (Слика 17), за тетрахлороетен дури само 5-10%.

Сл. 17: Изотерми за адсорпција на трихлороетилен од чиста вода и од подземни води со хумични супстанции (ефект на фаулирање, Балдауф 1986)

Квалитетот на активиран јаглерод и видот и количината на хумични материи изненадувачки тешко дека играат улога. Со изотермите за адсорпција за разни CHC дадени на слика 18, ефектот на вадење сепак мора да се земе предвид за практична примена.

Ефектот на загадување може да се намали со сукцесивно поврзување на неколку филтри со активен јаглен.

Сл. 18: Изотерми за адсорпција на разни CHC во вода (20 ° C)

9.6 Дизајн на филтер со активен јаглен

При дизајнирање на адсорбер со фиксен кревет, се обидува да ги избере димензиите на апаратот така што често спротивставените фактори на влијание се комбинираат во најдобриот можен компромис. Покрај дијаметарот, висината и видот на активиран јаглерод, загубата на притисок и трошоците мора да се донесат под еден покрив.

Дијаметарот на адсорберот со фиксиран кревет е избран при прочистување на воздухот така што протокот помеѓу 0,1 и 0,5 m/s, заснован на празниот контејнер, се постигнува со дадениот проток на волумен. Потребно е подолго време на престој за прочистување на водата поради побавната дифузија. Контејнерот е дизајниран така што водата достигнува брзина на филтерот од 5 - 20 m/h.

Висината на креветот на активиран јаглерод во адсорберот треба да биде што е можно поголема во однос на дебелината на зоната на адсорпција, така што јаглеродот може ефективно да се користи. Во пракса, висините на креветите се претежно помеѓу 1 и 3 м. Со поврзување на неколку филтерски единици во серија, може да се симулираат повисоки кревети (слика 16).

На падот на притисокот во колоната влијаат големината и обликот на честичките на активиран јаглерод. Поради високата стапка на проток, загубата на притисок игра голема улога, особено при чистење на воздухот. Овде се претпочита надворешно мазниот, притиснат лиен јаглерод. Во случај на лиен јаглерод, загубата на притисок исто така може подобро да се контролира поради прилагодливата геометрија на зрната. Губењето на притисокот во филтерот со активен јаглен е важно при димензионирање на пумпите и вентилаторите, бидејќи загубата на притисок мора да се спротивстави со соодветната потрошувачка на електрична енергија. Ова генерира емисии на загадувачи во електраните и трошоци за електрична енергија за операторот (Quanz & Röhr 1992).

10. Регенерација на активиран јаглерод

Преку адсорпција, загадувачите се врзани за активиран јаглерод во концентрирана форма. Активниот јаглен е класифициран во категоријата II во Хесен и не може да се отстранува со отпад од домаќинството. Производителот на отпад треба да провери дали отпадот може да се рециклира. Ова обично е така бидејќи активираниот јаглерод може да се обнови. Затоа, активниот јаглен од областа за реновирање станува проблем со отпад само во исклучителни случаи. Кога се апсорбираат со активиран јаглерод, нормално нема остатоци или отпад.

Целта на регенерацијата на наполнет активиран јаглерод е да се врати оригиналниот капацитет на адсорпција. Во пракса, ова се прави со десорпција на загадувачите при покачени температури. Во суштина, се користат два процеса за ова: проток преку прегреана пареа (нешто повеќе од 100 ° C) или реактивирање на многу високи температури како во производството.

10.1 Регенерација на загреана пареа

Регенерацијата на прегреана пареа се користи со активиран јаглерод, кој се користеше за прочистување на воздухот. Ако е дозволено проток на пареа од топла вода преку наполнет активиран јаглерод, загадувачите се отпираат од активираниот јаглерод поради зголемената температура и поместувањето од вода и го оставаат садот заедно со водената пареа. Водата и загадувачите се кондензираат во ладилникот. CKW и BTX тешко се мешаат со вода. Затоа, се формираат две течни фази, кои можат да се одделат во разделувач на гравитација. Загадувачите се акумулираат повторно како фаза и може да се вратат во економскиот циклус. Мешавините на растворувачи можат повторно да се распаднат во чисти материи со дестилација.

Заради економичност, загадувачите не се целосно десорбирани од јагленот со прегреана пареа, бидејќи потрошувачката на енергија би била превисока. Оригиналниот капацитет на адсорпција не е постигнат повторно. Поради преостанатиот товар на загадувачки материи, овој регенериран активиран јаглерод повеќе не може да се користи универзално за секој случај за реновирање.

Во поголеми случаи на реновирање, регенерацијата на прегреана пареа, исто така, може да се спроведе директно на местото на оштетување во форма на системи за активиран јаглен (само-припишување).

10.2 Реактивирање

Повторното активирање е слично на процесот на производство на активиран јаглерод. Прво јагленот се суши. Водата испарува и испарливите CHC почнуваат да се апсорбираат. Некои супстанции, како што се хуминските киселини, тешко е да се апсорбираат. Овие се пиролитички распаднати на повисоки температури. За време на ова распаѓање, во системот на пори останува остаток, кој се коксира во опсег од 400 - 800 ° C, односно компонентите на водород и кислород се исфрлаат. Останатиот кокс за распаѓање ги блокира микропорите. Аналогно на првото активирање на јагленот за време на производството, овој остаток од кокс се гасифицира помеѓу 900 и 1000 ° C, односно се претвора во СО2, СО и Н2 при реакција со водена пареа. Дел од активираниот јаглерод се губи преку абразија и ерозија. Загадувачите на крај се изгорени на јаглерод диоксид, вода и хлороводородна киселина. Мали количини на загадувачи остануваат и на јагленот овде.

11. Библиографија

Baldauf, G. (1986): Влијание на природните органски супстанции во водата врз адсорпцијата на супстанциите во трагови во филтрите со активен јаглен. - Вом Васер, 67, 11-21
Kast, W. (1988): Адсорпција од гасната фаза, VCH Verlags GmbH, Вајнхајм
Киенле, Х. фон (1990): Активиран јаглерод - производство, својства и области на примена, предавање на форумската конференција 25 септември 1990 година
Kienle, H. von (1990): Термичко реактивирање на исцрпен активиран јаглерод. Предавање на конференцијата на форумот 25 септември 1990 година
Киенле, Х. фон (1980): Активен јаглен и неговата индустриска примена, Енке-Верлаг
Lurgi GmbH: Хидрафин. Активирани јаглеродни прав и гранули за третман на вода и отпадни води.
Норит: Активен јаглен вовед, брошура за компанија
Норит: Разновидност на активен јаглен, брошура на компанија
Кванц, К.-П. & Röhr, C. (1992): Екобаланс на санација на почвата преку екстракција на воздухот на почвата - WLB вода, воздух, почва, 1-2
Storp, K. & Krill, H.: Употреба на активен јаглен за контрола на загадувањето на воздухот. Lurgi GmbH Франкфурт на Мајна, бр. 1117
Zimmer, G. & Sontheimer, H. (1989): Опис на адсорпцијата на органски материи во филтерот со активен јаглен. - Вом Васер, 72, 1-19