活性炭具有超过2,500种商业产品应用。大多数污水处理厂使用来净化水和空气离开设施。但是,您不会在“正规”教育中找到他们的特征和属性。你在工作中了解他们。

活性炭是一种惰性固体吸附剂材料,通常用于从水中去除各种溶解的污染物并处理气相流。它由几乎任何含有的原料制成,包括椰子壳和煤炭家族成员,正如许多读者已经知道的那样。

吸附是气体或液体在液体或固体基质表面上的积聚,与吸收相反,其中侵入物质进入基质的体积或体积。

活性炭是多孔的,廉价的并且易于用作吸附剂,提供大的表面积以除去污染物。它具有比可用于物理吸附的任何其他材料更有用的每克表面积。事实上,一茶匙活性炭比橄榄球场具有更多的表面积。

物理现象

由于其罕见的特性,活性炭具有捕获水溶性污染物的特殊能力,包括味道,气味,颜色和毒性促进物种。基于污染物和碳石墨片表面之间的表面相互作用,通过吸附现象进行去除。

这些污染物 - 碳表面相互作用通过范德瓦尔力和诱导偶极相互作用发生。活性碳石墨血小板将中性有机分子诱导成分子内偶极子。诱导偶极子使分子彼此吸引并粘在一起,因此它们从碳纳米尺寸的孔或吸附空间中的溶液中析出。这被称为过早冷凝,由活性炭促进。

PR-PACS,活性炭

图1.这些表示显示了由木材,椰子壳和烟煤制成的活性炭。所有图形均由PACS Activated Carbon提供。

 

活性炭制造商使用不同的原料和工艺参数来制备各种孔径分布。适当的孔隙结构选择对于解决活性炭的水相和气相问题至关重要。

图1显示了由木材,椰子壳和烟煤制成的活性炭的真实表示。这些碳类型以不同的形式出售和使用:粉末,颗粒,颗粒,块状物和复合物。如图中所示,不同之处在于由粗黑线表示的石墨片的大小以及它们在一起的程度。

粉状活性炭

与具有较大粒径的碳相比,粉末状微米级活性炭颗粒由毫米颗粒活性炭研磨并表现出更快的动力学和更大的污染物去除能力。

粉状活性炭可用于散发污染物,例如藻类大量繁殖和工业溢出,污染市政进水。可以将粉末添加到澄清过程沉降单元中以用活性炭去除这些污染物。它还可以保护固定的活性颗粒碳床免受突然的进水污染。

如果植物缺乏使用颗粒状活性炭的基础设施或者在流入物和流出物之间没有足够的颗粒碳以经济地用于在散发的污染物事件中去除,则植物可以使用粉末。一次性粉末状活性炭用作批量处理,以将污染物去除到可接受的调节的最大污染水平(MCL),但不一定是零或未检测到的污染。

颗粒状活性炭

毫米级粒状活性炭可以将污染物去除到低于分析检测限的浓度,并且与粉末相比,它仅需要进水和出水之间的碳量的约四分之一。

然而,工厂需要适当的基础设施来安装新鲜碳并去除用过的炉子再活化的废粒状活性炭。再活化的活性炭成本约为新鲜或未使用的颗粒状活性炭的一半。粒状活性炭的使用是一个连续的过程,它是一种基于热再活化的多用途产品。热再活化使碳被归类为“绿色化学”。

如果工业污染的可能性相对较高,则必须有更多的活性炭可用于可能的紧急情况。它可以保存在进水和出水之间的固定容器中,也需要更多的粉末碳。

最后,颗粒或超大碳颗粒用于控制气相城市废水硫化氢和其他气味。这些相对大形式的活性炭使得气流能够不受抑制地流过碳床。这减少了将气流吹过紧密床所需的风扇和能量的使用。常规和催化碳用于硫化氢气味控制。

使用常规碳,可移动的硫化氢被氧化成固定的硫,其积聚在碳表面上。在工作碳上使用元素硫积累确定何时需要在实验室用碳替换碳。催化碳通过氧化将硫化氢转化为硫酸。该催化碳上的硫酸可以用水从用过的碳中洗去,并在现场多次重复使用。

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图2.水平床配置如下所示,而垂直床则利用重力流动。

 

传质区

随着更多污染的水或气体通过床,水相和气相应用开发出移动的污染物质传输区(MTZ)。碳床通常为3至10英尺深,由分层活性炭组成,其中较小尺寸的颗粒位于工作碳床的顶部,最大尺寸的颗粒位于底部。

不要在过程中混合使用过的和未使用过的碳。图2中所示的MTZ具有水平床配置,但床通常是垂直的以利用重力流动。反洗后必须保持床层,以除去可能积聚在床顶上的固体。

活性炭通过反洗从水中除去水溶性有机物和固体。该MTZ有三个工作区:

  1.  区域1(A和B之间,碳床总长度的一部分)完全使用,不再去除水溶性污染物。
  2.  区域2(B和C之间)去除了可变量的污染物。该曲线的形状将反映在穿透时离开碳床的污染物的浓度分布。水应用通常在B和C之间具有比气相应用更长的MTZ距离,其通常具有小得多的MTZ。MTZ形状可以是尖锐的或宽的,这取决于碳吸附吸附物的强度。
  3.  区域3(C和D之间)是未使用的活性炭。随着床使用时间的增加和污染物的暴露,A和B之间的距离增加,C和D之间的距离减小。从B到C的MTZ距离是恒定的。

最大化性能

为了改善性能和经济性,多床活性炭操作的典型配置是顺序系列。系列中的多个床通过突破实现碳床的完全使用,其中流入物和流出物的污染物浓度相当。这是因为在操作中,系列中任何剩余的备用床都会根据需要启动另一个MTZ。

这种铅 - 滞后床配置能够处理每磅活性炭最多加仑的水,然后必须用新鲜的碳替换废碳。

工作目标是以最低的成本获得高质量的饮用水。顺序系列中的最终活性炭床完成抛光以去除痕量污染物,并提供安全,优质的饮用水。通过用新鲜碳更换早期完全耗尽的碳床(当床流入物和流出物浓度相等时),后期床作为最终抛光机的功能更长,并提供安全余量。

当采集样品来分析碳床时,应从顶部,中部和底部取出。这种类型的采样允许更准确地估计定位MTZ和碳床的剩余使用时间。

用过的活性炭

活性炭不会永远持续下去。它需要定期更换新鲜的原始碳或重新活化的碳。在石墨片晶之间具有纳米尺寸体积的孔或物理吸附空间最终填充并且不再能够去除吸附物。碳孔是不均匀的并且吸附能量从强到弱变化。注意图1中的石墨血小板间距。靠近在一起的碳石墨血小板提供高吸附势能,宽血小板间距具有相对低的吸附能。

饮用水厂有两个主要的改变选择:购买原始或未使用的碳或使用重新激活的碳。在几次重新激活循环后,再活化碳的功效将减弱,必须用新鲜的原始碳代替。

有时通过再活化来扩大孔径分布是有益的,特别是对于较大分子和较高分子量的吸附物。然而,痕量浓度的水溶性低分子量化合物如三卤甲烷可能不易吸附,并且当与具有较宽孔径分布的再活化碳一起使用时可能产生更长的MTZ。

对该主题的进一步讨论将涵盖测试方法,以帮助水厂工作人员为特定应用选择最佳活性炭,并通过最终处置监测碳的功效和生命周期。