Využitie aktívneho uhlia pri sanácii podzemných vôd a pôdneho vzduchu

Dr. Christian Röhr a Wolfram Holzapfel

9. Filter s aktívnym uhlím

9.1 Základy

V oblasti renovácie sa používajú prevažne stĺpcové adsorbéry s pevným lôžkom. Jedná sa v podstate o valcovité nádoby s náplňou s aktívnym uhlím a so vstupom a výstupom. Často sa im hovorí jednoducho filtre s aktívnym uhlím.

Spôsob jeho fungovania je pomerne jednoduchý: kvapalina (vzduch alebo voda) nabitá znečisťujúcou látkou prúdi určitou rýchlosťou cez vrstvu aktívneho uhlia a uvoľňuje znečisťujúcu látku do aktívneho uhlia. Každé zníženie koncentrácie v tekutine vedie k zvýšeniu zaťaženia aktívnym uhlím. V lôžku s aktívnym uhlím sa vytvorí záťažový profil a zodpovedajúci koncentračný profil v roztoku obsiahnutom v medzizrnovom objeme.

V prípade filtrov s aktívnym uhlím na čistenie vody sú všeobecne k dispozícii zariadenia na spätné preplachovanie, ktoré umožňujú odstrániť uhlíkový prach pred uvedením do prevádzky. Pri spätnom premývaní s veľkým objemovým prietokom sa uhlíkové lôžko rozšíri až o 50%. V nádobe musí byť dostatok miesta.

Príslušné vodivé zariadenia vo vnútri zásobníka musia zabezpečiť, aby tekutina prednostne netečievala po stene zásobníka (problém priepustnosti po okraj), ale aby využívala celý prierez aktívneho uhlia.

Je potrebné poznamenať, že aktívne uhlie v zásade zadržiava iba parné alebo rozpustené látky. Prípadný prach alebo suspendované látky sa musia najskôr oddeliť pomocou iných filtrov, inak by kontaminovali aktívne uhlie.

9.2 Adsorpčná zóna

V prípade filtra s aktívnym uhlím sa čistená kvapalina nanáša na vstup a čistí na výstupe. V stĺpci s aktívnym uhlím je stanovený koncentračný gradient. V závislosti na príslušnom zaťažení sa po určitej dobe prevádzky rozlišujú tri oblasti. Uhlie je blízko vchodu úplne zaťažené znečisťujúcou látkou podľa vstupnej koncentrácie a príslušnej izotermy. Tekutina preteká cez toto uhlie nezmenená. Blízko východu je uhlie stále čerstvé a tekutina, ktorá ním preteká, sa čistí. Medzi týmito oblasťami, v ktorých momentálne prebieha adsorpcia, sa vytvára viac alebo menej silná oblasť: adsorpčná zóna. Charakterizuje dynamické správanie (kinetiku) systému aktívneho uhlia v kolóne, pretože tu dochádza k reakciám.

Obrázok 14: Štruktúra zóny vo filtri s aktívnym uhlím (úplne naplnená aktívnym uhlím)

Aby bolo možné filter optimálne používať, je potrebné dosiahnuť čo najtenšiu adsorpčnú zónu. Hrúbka adsorpčnej zóny závisí v podstate od

Koncentrácia a adsorpčné správanie znečisťujúcej látky
Rýchlosť prúdenia
Veľkosť častíc aktívneho uhlia
Difúzny koeficient
teplota

Pri čistení vzduchu treba počítať s hrúbkou adsorpčnej zóny 5 - 30 cm, pri čistení vodou býva adsorpčná zóna hrubá asi jeden meter.

Pre praktickú prevádzku je rozhodujúci možný prietok kontaminovanej kvapaliny, kým sa nedosiahne medzná hodnota stanovená pre počiatočnú koncentráciu. Zmena koncentrácie na výstupe z pevného lôžka sa nazýva krivka prieniku. Krivka prieniku je určená tvarom adsorpčnej zóny. Pretože má adsorpčná zóna určitú hrúbku, po vyčerpaní lôžka aktívneho uhlia výstupná koncentrácia náhle nezvýši z nuly na hodnotu vstupnej koncentrácie, ale skôr sa k tejto hodnote približuje kontinuálne. Pri tenkej adsorpčnej zóne sa to deje rýchlejšie ako pri silnejšej. V súvislosti s týmto zvýšením počiatočnej koncentrácie sa zvyčajne prekračuje hraničná hodnota, ktorá sa má dodržiavať, a musí sa vymeniť filter s aktívnym uhlím.

Obrázok 15: Vývoj zaťaženia v adsorbéri s pevným lôžkom v priebehu času

Obrázok 16: Lepšie využitie aktívneho uhlia prostredníctvom dlhších filtrov. Výškový pomer adsorpčnej zóny k zóne naplneného aktívneho uhlia je priaznivejší pri väčšej výške lôžka. Väčšia výška lôžka sa simuluje spojením dvoch filtrov do série. Prielom možno zistiť skoro odobratím vzoriek do polovice postele.

9.3 Spotreba aktívneho uhlia

Keď je z izotermy pri danej koncentrácii znečisťujúcej látky známe dosiahnuteľné zaťaženie aktívnym uhlím, možno určiť prevádzkovú dobu filtra s aktívnym uhlím. Ako prvá aproximácia sa to deje za predpokladu zanedbateľne tenkej adsorpčnej zóny a teda náhleho prieniku znečisťujúcej látky na výstupe filtra. Spoločným opatrením je spotreba aktívneho uhlia. Vypočíta sa takto:

(1) Množstvo zadaných znečisťujúcich látok

Sm = Volstr * Conc * 24/1 000 000

Sm = množstvo znečisťujúcich látok v kg/deň
Volstr = objemový prietok v m³/h (vzduch alebo voda)
Konc = koncentrácia znečisťujúcej látky v mg/m³

Príklad: pôdny vzduch 150 m³/h s 220 mg/m³ benzénu vedie k množstvu znečisťujúcej látky 0,792 kg/deň.

Akv = Sm/zaťaženie * 100%

Akv = spotreba aktívneho uhlia v kg/deň
Zaťaženie = zaťaženie v% hmotnosti
Sm = množstvo znečisťujúcich látok v kg/deň

Príklad: Použitím izotermy poskytuje koncentrácia benzénu 220 mg/m3 obsah 9% hmotnostných. Pri množstve znečisťujúcej látky 0,792 kg/deň to vedie k spotrebe aktívneho uhlia 8,8 kg/deň.

(3) Životnosť filtra s aktívnym uhlím do vyčerpania

Sz = doba státia v dňoch
Akg = hmotnosť aktívneho uhlia vo filtri
Akv = spotreba aktívneho uhlia v kg/deň

Príklad: Do filtra s aktívnym uhlím sa navážilo 125 kg aktívneho uhlia. Pri spotrebe aktívneho uhlia 8,8 kg/deň sa filter vyčerpá asi po 14 dňoch.

9.4 Adsorpcia niekoľkých zložiek vo filtri s aktívnym uhlím

O náplni aktívneho uhlia niekoľkými znečisťujúcimi látkami súčasne sa už hovorilo vyššie. Ukázalo sa, že obsah znečisťujúcej látky je znížený vo viaczložkovej adsorpcii v porovnaní s jednozložkovou adsorpciou. Pretože kvapalina, ktorá sa má čistiť, neustále preteká adsorbérom s pevným lôžkom, existujú tu aj významné účinky, ktoré sú v podstate vyjadrené inou prednou rýchlosťou pre každú znečisťujúcu látku a vytesňovaním znečisťujúcich látok.

Prednou rýchlosťou sa rozumie stredná rýchlosť postupu adsorpčnej zóny cez vrstvu aktívneho uhlia v smere k východu. Rýchlosť prednej nápravy sa dá ľahko určiť numericky prostredníctvom vyššie opísanej životnosti a výšky lôžka lôžka s aktívnym uhlím. Čím menšie je zaťaženie aktívnym uhlím pri konštantnej koncentrácii, tým rýchlejšie bude adsorpčná zóna migrovať cez uhlíkové lôžko.

Ak sa má zmes znečisťujúcich látok čistiť filtrom s aktívnym uhlím, budú mať rôzne rýchlosti vpredu za následok oddelenie zmesi pre každú jednotlivú znečisťujúcu látku. Znečisťujúca látka s najmenším zaťažením sa objaví ako prvá v čistej forme na výstupe z adsorbéra. Ostatné znečisťujúce látky sa pridajú neskôr.

Pri opravách viaczložkových poškodení CHC sa tento chromatografický účinok separácie znečisťujúcich látok vyjadruje v skutočnosti, že vinylchlorid je možné detegovať na výstupe aktívneho uhlia, potom dichlórmetánu a potom cis 1,2-dichlóreténu. Hlavné znečisťujúce látky, tri- a tetrachlóretén, sa dostanú do výpustu až oveľa neskôr.

Rôzne predné rýchlosti majú tiež vplyv na to, že znečisťujúce látky, ktoré idú dopredu, sa neskôr vytesnia tými, ktoré sa pohybujú pomalšie. Napríklad v dvojzložkovej zmesi cis 1,2-dichlóretén (Cis) - tetrachlóretén (Per) sa cis obvykle pohybuje dopredu ako jednozložkový v uhoľnom lôžku a nakladá uhlie podľa jednozložkovej izotermy. Pri koncentrácii cis vo vzduchu 100 mg/m³ je uhlie nabité asi 3% hmotnostnými cis (pozri časť 7.2, obr. 9). Ak sa táto časť, ktorá je naplnená iba cis, neskôr dosiahne nasledujúcim spredom, platia adsorpčné podmienky pre zmes cis-per. S ďalšími 500 mg/m³ Per je potom obsah cis len asi 0,5% hmotn. (Obr. 9). Rozdiel oproti predtým existujúcim 3% hmotn. Cis sa opäť odstráni z uhlia, a tým sa zvýši koncentrácia v tekutine, ktorá preteká. Per vyhnal ostré z uhlia. Vďaka posunutiu sú možné ešte vyššie koncentrácie na výstupe filtra ako na vstupe filtra.

Vďaka rôznym predným rýchlostiam jednotlivých látok a výsledným efektom vytesnenia je adsorpčný proces v adsorbéri s pevným lôžkom veľmi zložitý. Tieto procesy a teda aj v konečnom dôsledku zaujímavú krivku prieniku je možné v zásade popísať a vyriešiť sústavou diferenciálnych rovníc. V praxi by to však bolo možné len s neoprávneným úsilím.

9.5 Viaczložková adsorpcia pri čistení podzemnej vody

Rozdiely v prednej rýchlosti rôznych látok hrajú pri čistení podzemných vôd obzvlášť dôležitú úlohu, pretože v každej vode sa vyskytujú prírodné organické zlúčeniny, ktoré sa všeobecne označujú ako humínové látky. Ich obsah je možné určiť analýzou súhrnného parametra DOC (rozpustený organický uhlík). Obsah DOC je zvyčajne v rozmedzí od 500 do niekoľkých tisíc mg/m³, v oblastiach s močariskami je výrazne vyšší. Humínový obsah často presahuje koncentráciu znečisťujúcich látok.

Pri čistení podzemnej vody pomocou filtrov s aktívnym uhlím nie je adsorpcia týchto prirodzene sa vyskytujúcich organických látok žiaduca, ale nevyhnutná. Humínové látky teraz všeobecne migrujú rýchlejšie ako organické znečisťujúce látky cez pevné lôžko s aktívnym uhlím, kde vedú k pre-adsorpcii s humínovými látkami. Stále čerstvé aktívne uhlie je pokryté humínovými látkami a už nemá plnú kapacitu pre následnú adsorpciu CHC alebo BTX. Tento proces je známy ako zanášanie a vedie k značnému zníženiu využiteľnej kapacity aktívneho uhlia pre znečisťujúce látky, ktoré sa majú odstrániť, v porovnaní s jednozložkovými izotermami (Baldauf 1986, Zimmer & Sontheimer 1989).

Pri obvykle dlhých nečinných obdobiach jedného roka je adsorpčný proces dokonca do značnej miery určený znečistením. Pre trichlóretén sa spravidla dosahuje iba 25% rovnovážnej izotermy (obr. 17), pre tetrachlóretén dokonca iba 5 až 10%.

Obrázok 17: Adsorpčné izotermy trichlóretylénu z čistej vody a z podzemných vôd s humínovými látkami (efekt zanášania, Baldauf 1986).

Kvalita aktívneho uhlia a druh a množstvo humínových látok prekvapivo ťažko hrá rolu. S adsorpčnými izotermami pre rôzne CHC uvedenými na obrázku 18 musí byť pre praktickú aplikáciu stále braný do úvahy efekt znečistenia.

Účinok znečistenia je možné znížiť postupným pripojením niekoľkých filtrov s aktívnym uhlím.

Obrázok 18: Adsorpčné izotermy rôznych CHC vo vode (20 ° C)

9.6 Konštrukcia filtra s aktívnym uhlím

Pri navrhovaní adsorbéra s pevným lôžkom sa človek snaží zvoliť rozmery prístroja tak, aby sa často protichodné ovplyvňujúce faktory spojili do čo najlepšieho kompromisu. Okrem priemeru, výšky a typu aktívneho uhlia treba pod jednu strechu preniesť aj tlakovú stratu a náklady.

Priemer adsorbéra s pevným lôžkom sa zvolí pri čistení vzduchu tak, aby sa pri danom objemovom prietoku dosiahol prietok medzi 0,1 a 0,5 m/s, vztiahnuté na prázdnu nádobu. Kvôli pomalšej difúzii sú na čistenie vody potrebné dlhšie doby zdržania. Nádoba je rozložená tak, aby voda dosahovala rýchlosť filtra 5 - 20 m/h.

Výška lôžka aktívneho uhlia v adsorbéri by mala byť čo najväčšia vzhľadom na hrúbku adsorpčnej zóny, aby bolo možné uhlík efektívne využívať. V praxi sú výšky postelí väčšinou medzi 1 a 3 m. Spojením viacerých filtračných jednotiek do série je možné simulovať vyššie postele (obr. 16).

Pokles tlaku v kolóne je ovplyvnený veľkosťou a tvarom častíc aktívneho uhlia. Z dôvodu vysokého prietoku zohráva tlaková strata hlavnú úlohu, najmä pri čistení vzduchu. Tu sa uprednostňuje externe hladký lisovaný uhlík. V prípade tvarovaného uhlíka možno stratu tlaku lepšie regulovať vďaka nastaviteľnej geometrii zŕn. Strata tlaku vo filtri s aktívnym uhlím je dôležitá pri dimenzovaní čerpadiel a dúchadiel, pretože proti tlakovej strate je potrebné čeliť zodpovedajúcim výdajom elektrickej energie. Toto generuje emisie znečisťujúcich látok v elektrárňach a náklady na elektrinu pre operátora (Quanz & Röhr 1992).

10. Regenerácia aktívneho uhlia

Adsorpciou sa znečisťujúce látky viazali na aktívne uhlie v koncentrovanej forme. Aktívne uhlie je v Hesensku zaradené do kategórie II a všeobecne ho nemožno likvidovať s domovým odpadom. Producent odpadu musí skontrolovať, či je možné odpad recyklovať. Spravidla je to tak, pretože aktívne uhlie je možné regenerovať. Preto sa aktívne uhlie z oblasti renovácie stáva problémom s odpadom iba vo výnimočných prípadoch. Pri adsorpcii s aktívnym uhlím zvyčajne nie sú žiadne zvyšky alebo odpad.

Cieľom regenerácie naplneného aktívneho uhlia je obnovenie pôvodnej adsorpčnej kapacity. V praxi sa to deje desorpciou znečisťujúcich látok pri zvýšených teplotách. Používajú sa na to v zásade dva procesy: prietok prehriatou parou (niečo nad 100 ° C) alebo reaktivácia pri veľmi vysokých teplotách ako pri výrobe.

10.1 Regenerácia prehriatej pary

Regenerácia prehriatej pary sa používa s aktívnym uhlím, ktoré sa používalo na čistenie vzduchu. Ak sa cez vložené aktívne uhlie nechá prúdiť horúca vodná para, znečisťujúce látky desorbujú z aktívneho uhlia z dôvodu zvýšenej teploty a vytláčania vodou a opustia nádobu spolu s vodnou parou. Voda a znečisťujúce látky kondenzujú v chladiči. CKW a BTX sú ťažko miešateľné s vodou. Preto sa tvoria dve kvapalné fázy, ktoré sa dajú oddeliť v gravitačnom odlučovači. Znečisťujúce látky sa preto opäť hromadia vo fáze a môžu sa vracať späť do ekonomického cyklu. Zmesi rozpúšťadiel sa môžu opäť rozdeliť na čisté látky destiláciou.

Z ekonomických dôvodov nie sú znečisťujúce látky z uhlia prehriatou parou úplne desorbované, pretože spotreba energie by bola príliš vysoká. Pôvodná adsorpčná kapacita sa preto opäť nedosahuje. Vzhľadom na zostávajúce zaťaženie znečisťujúcimi látkami sa toto regenerované aktívne uhlie už nedá univerzálne použiť pre každý prípad renovácie.

Pri väčších renováciách je možné regeneráciu prehriatej pary realizovať aj priamo na mieste poškodenia vo forme samoodpadového systému aktívneho uhlia (SDA).

10.2 Reaktivácia

Reaktivácia je podobná ako pri výrobe aktívneho uhlia. Najskôr sa uhlie vysuší. Voda sa odparí a prchavé CHC začnú desorbovať. Niektoré látky, napríklad humínové kyseliny, sa ťažko desorbujú. Tieto sa pri vyšších teplotách rozkladajú pyrolyticky. Počas tohto rozkladu zostáva v systéme pórov zvyšok, ktorý sa koksuje v rozmedzí 400 - 800 ° C, t. J. Vylučujú sa vodíkové a kyslíkové zložky. Zvyšný rozkladný koks blokuje mikropóry. Analogicky k prvej aktivácii uhlia počas výroby sa tento koksový zvyšok splynuje medzi 900 a 1 000 ° C, to znamená, že sa pri reakcii s vodnou parou premení na CO2, CO a H2. Časť aktívneho uhlia sa stráca opotrebovaním a eróziou. Znečisťujúce látky sa nakoniec spaľujú na oxid uhličitý, vodu a kyselinu chlorovodíkovú. Aj tu zostáva malé množstvo znečisťujúcich látok na uhlí.

11. Bibliografia

Baldauf, G. (1986): Vplyv prírodných organických látok vo vode na adsorpciu stopových látok vo filtroch s aktívnym uhlím. - Vom Wasser, 67, 11-21
Kast, W. (1988): Adsorpcia z plynnej fázy, VCH Verlags GmbH, Weinheim
Kienle, H. von (1990): Aktívne uhlie - výroba, vlastnosti a oblasti použitia, prednáška na konferencii 25. septembra 1990
Kienle, H. von (1990): Tepelná reaktivácia vyčerpaného aktívneho uhlia. Prednáška na konferencii fóra 25. septembra 1990
Kienle, H. von (1980): Aktívne uhlie a jeho priemyselné využitie, Enke-Verlag
Lurgi GmbH: Hydraffin. Práškové a granulované aktívne uhlie na úpravu vody a odpadových vôd.
Norit: Aktívne uhlie - úvod, brožúra spoločnosti
Norit: Všestrannosť aktívneho uhlia, brožúra spoločnosti
Quanz, K.-P. & Röhr, C. (1992): Ekologická rovnováha sanácie pôdy pomocou sania pôdneho vzduchu - WLB voda, vzduch, pôda, 1-2
Storp, K. & Krill, H.: Používanie aktívneho uhlia na kontrolu znečisťovania ovzdušia. Lurgi GmbH Frankfurt nad Mohanom, č. 1117
Zimmer, G. & Sontheimer, H. (1989): Popis adsorpcie organických stopových látok vo filtri s aktívnym uhlím. - Vom Wasser, 72, 1-19