Utilizarea cărbunelui activ în remedierea apelor subterane și a aerului din sol

de Dr. Christian Röhr și Wolfram Holzapfel

9. Filtru de cărbune activ

9.1 Noțiuni de bază

În zona de renovare, se utilizează predominant adsorberi cu pat fix coloane. Acestea sunt în esență recipiente cilindrice cu umplere cu cărbune activ și cu intrare și ieșire. Ele sunt adesea numite pur și simplu filtre cu cărbune activ.

Modul în care funcționează este relativ simplu: fluidul (aerul sau apa) încărcat cu poluantul curge cu o anumită viteză printr-un strat de cărbune activ și eliberează poluantul către cărbunele activ. Fiecare scădere a concentrației în fluid duce la o creștere a sarcinii pe cărbunele activ. Se formează un profil de încărcare în patul de cărbune activ și un profil de concentrație corespunzător în soluția conținută în volumul intergrain.

În cazul filtrelor cu cărbune activ pentru purificarea apei, sunt disponibile în general dispozitive de spălare înapoi pentru a putea îndepărta praful de carbon înainte de punere în funcțiune. Când se spală cu un debit mare, patul de carbon se extinde cu până la 50%. În container trebuie să existe suficient spațiu.

Dispozitivele conductoare adecvate din interiorul containerului trebuie să se asigure că fluidul nu curge preferențial de-a lungul peretelui containerului (problema permeabilității la margine), ci folosește secțiunea transversală completă a cărbunelui activat.

Trebuie remarcat faptul că cărbunele activ reține doar substanțe vaporoase sau dizolvate. Orice praf sau materii în suspensie care ar putea fi prezente trebuie mai întâi separate folosind alte filtre, altfel ar contamina cărbunele activ.

9.2 Zona de adsorbție

În cazul filtrului de cărbune activ, fluidul de curățat se aplică la intrare și se curăță la ieșire. Un gradient de concentrație este stabilit în coloana de cărbune activ. În funcție de sarcină, se face distincția între trei zone după un timp de funcționare. Aproape de intrare, cărbunele este complet încărcat cu poluantul în funcție de concentrația de intrare și de izoterma corespunzătoare. Fluidul curge prin acest cărbune neschimbat. Aproape de ieșire, cărbunele este încă proaspăt și fluidul care curge prin el este curățat. Între aceste zone se formează o zonă mai mult sau mai puțin groasă în care are loc în prezent adsorbția: zona de adsorbție. Caracterizează comportamentul dinamic (cinetica) sistemului de cărbune activ din coloană, deoarece aici au loc reacțiile.

Fig. 14: Structura zonei într-un filtru de cărbune activ (complet umplut cu cărbune activ)

Pentru a putea utiliza filtrul în mod optim, scopul este de a avea o zonă de adsorbție cât mai subțire posibil. Grosimea zonei de adsorbție depinde în esență de

Comportamentul de concentrare și adsorbție a poluantului
Viteza de curgere
Dimensiunea particulelor de cărbune activ
Coeficient de difuzie
temperatura

La curățarea aerului, trebuie să se aștepte o grosime a zonei de adsorbție de 5 - 30 cm; la curățarea apei, zona de adsorbție are de obicei o grosime de aproximativ un metru.

Factorul decisiv pentru o funcționare practică este posibilul flux de fluid contaminat până la atingerea unei valori limită specificate pentru concentrația inițială. Schimbarea concentrației la ieșirea din patul fix se numește curbă de progres. Curba de descoperire este determinată de forma zonei de adsorbție. Deoarece zona de adsorbție are o anumită grosime, atunci când patul de cărbune activ este epuizat, concentrația de ieșire nu crește brusc de la zero la valoarea concentrației de intrare, ci mai degrabă se apropie de această valoare în mod continuu. Acest lucru se întâmplă mai repede cu o zonă de adsorbție subțire decât cu una groasă. În cursul acestei creșteri a concentrației inițiale, valoarea limită care trebuie observată este de obicei depășită și filtrul de cărbune activ trebuie înlocuit.

Fig. 15: Dezvoltarea încărcării în adsorberul cu pat fix în timp

Fig. 16: O mai bună utilizare a cărbunelui activ prin filtre mai lungi. Raportul de înălțime al zonei de adsorbție la zona cărbunelui activ încărcat este mai favorabil cu o înălțime mai mare a patului. O înălțime mai mare a patului este simulată prin conectarea a două filtre în serie. Descoperirea poate fi detectată devreme prin prelevarea de probe la jumătatea patului.

9.3 Consumul de carbon activ

Odată ce încărcarea realizabilă a cărbunelui activ este cunoscută din izoterme la o concentrație dată de poluanți, se poate determina timpul de funcționare al unui filtru de cărbune activ. Ca o primă aproximare, acest lucru are loc sub presupunerea unei zone de adsorbție neglijabil subțire și, astfel, o descoperire bruscă a poluantului la ieșirea filtrului. O măsură comună este consumul de cărbune activ. Se calculează după cum urmează:

(1) Cantitatea de poluanți introduși

Sm = Volstr * Conc * 24/1.000.000

Sm = cantitatea de poluanți în kg/zi
Volstr = debitul volumic în m³/h (aer sau apă)
Conc = concentrația poluantului în mg/m³

Exemplu: 150 m³/h aer sol cu 220 mg/m³ benzen rezultă într-o cantitate de poluanți de 0,792 kg/zi.

Akv = Sm/Load * 100%

Akv = consumul de carbon activ în kg/zi
Încărcare = încărcare în% din greutate
Sm = cantitatea de poluanți în kg/zi

Exemplu: Folosind izoterma, o concentrație de benzen de 220 mg/m³ dă o încărcare de 9% în greutate. Cu o cantitate de poluanți de 0,792 kg/zi, rezultă un consum de cărbune activ de 8,8 kg/zi.

(3) Durata de viață a unui filtru de cărbune activ până la epuizare

Sz = timpul în picioare în zile
Akg = greutatea cărbunelui activ din filtru
Akv = consumul de carbon activ în kg/zi

Exemplu: 125 kg de cărbune activ au fost cântărite în filtrul de cărbune activ. Cu un consum de cărbune activ de 8,8 kg/zi, filtrul va fi epuizat după aproximativ 14 zile.

9.4 Adsorbția mai multor componente în filtrul de cărbune activ

Încărcarea cărbunelui activ cu mai mulți poluanți în același timp a fost deja discutată mai sus. S-a arătat că încărcarea unui poluant este redusă în adsorbția multi-componentă comparativ cu adsorbția monocomponentă. Deoarece fluidul de curățat curge constant printr-un adsorber cu pat fix, există și efecte semnificative care sunt exprimate în esență într-o viteză frontală diferită pentru fiecare poluant și în deplasarea poluanților.

Viteza frontală se înțelege a fi viteza medie de avans a zonei de adsorbție prin patul de cărbune activ în direcția de ieșire. Viteza frontală poate fi ușor determinată numeric prin durata de viață descrisă mai sus și înălțimea patului patului cu cărbune activ. Cu cât sarcina pe cărbunele activ este mai mică la o concentrație constantă, cu atât zona de adsorbție va migra mai repede prin patul de carbon.

Dacă un amestec de poluanți urmează să fie curățat cu un filtru de cărbune activ, diferitele viteze frontale vor avea ca rezultat o separare a amestecului pentru fiecare poluant individual. Poluantul cu cea mai mică sarcină va apărea mai întâi, în formă pură, la ieșirea adsorbantului. Ceilalți poluanți sunt adăugați ulterior.

Atunci când se repară deteriorarea CHC multicomponentă, acest efect cromatografic al separării poluanților se exprimă prin faptul că clorura de vinil poate fi detectată la ieșirea cărbunelui activ, apoi diclormetan și apoi cis 1,2 dicloroetenă. Principalii poluanți tri- și tetracloretenă ajung la ieșire doar mult mai târziu.

Diferitele viteze frontale au, de asemenea, efectul că poluanții care se deplasează înainte sunt deplasați ulterior de cei care se mișcă mai lent. În amestecul bicomponent de cis 1,2 dicloroetenă (Cis) - tetracloretenă (Per), de exemplu, cis se deplasează de obicei ca un singur component în patul de cărbune și încarcă cărbunele conform izotermei cu o singură substanță. Cu o concentrație cis în aer de 100 mg/m³, cărbunele este încărcat cu aproximativ 3% în greutate cis (vezi Capitolul 7.2, Fig. 9). Dacă această parte, care este încărcată numai cu cis, este atinsă ulterior de către frontul ulterior, se aplică condițiile de adsorbție pentru un amestec cis-per. Cu o cantitate suplimentară de 500 mg/m³ Per, încărcarea Cis este atunci de aproximativ 0,5% în greutate (Fig. 9). Diferența față de 3% din greutatea Cis existentă anterior este îndepărtată din nou din cărbune și astfel crește concentrația în fluidul care trece prin. Per a eliminat c ascuțit din cărbune. Datorită deplasării, concentrații chiar mai mari sunt posibile la ieșirea filtrului decât la intrarea filtrului.

Datorită diferitelor viteze frontale ale substanțelor individuale și a efectelor de deplasare rezultate, procesul de adsorbție într-un adsorber cu pat fix este foarte complex. Aceste procese și, de asemenea, curba de descoperire interesantă în cele din urmă pot fi, în principiu, descrise și rezolvate printr-un sistem de ecuații diferențiale. În practică, însă, acest lucru ar fi posibil doar cu un efort nejustificat.

9.5 Adsorbția cu mai multe componente în purificarea apelor subterane

Diferențele în ceea ce privește viteza frontală a diferitelor substanțe joacă un rol deosebit de important în curățarea apelor subterane, deoarece compușii organici naturali apar în fiecare apă, care sunt denumite în general substanțe humice. Conținutul lor poate fi determinat prin analiza parametrului sumă DOC (carbon organic dizolvat). Conținutul DOC este de obicei cuprins între 500 și câteva mii de mg/m³, în zonele cu mlaștini este semnificativ mai mare. Conținutul humic depășește adesea concentrația de poluanți.

La curățarea apei subterane cu filtre cu cărbune activ, adsorbția acestor substanțe organice naturale nu este dorită, ci inevitabilă. Substanțele humice migrează acum în general mai repede decât poluanții organici prin patul fix cu cărbune activ, unde duc la pre-adsorbție cu substanțe humice. Cărbunele activ încă proaspăt este acoperit cu substanțe humice și nu mai are capacitatea de încărcare completă pentru adsorbția ulterioară a CHC sau BTX. Acest proces este cunoscut sub numele de murdărire și duce la o reducere considerabilă a capacității utilizabile a cărbunelui activ pentru îndepărtarea poluanților în comparație cu izotermele cu o singură substanță (Baldauf 1986, Zimmer & Sontheimer 1989).

Cu perioadele de repaus de obicei lungi de un an, procesul de adsorbție este chiar în mare măsură determinat de murdărie. Pentru tricloroetenă, de regulă, se realizează doar o încărcare de 25% din izoterma de echilibru (Fig. 17), pentru tetracloretenă chiar și numai 5 până la 10%.

Fig. 17: Izotermele de adsorbție a tricloroetenei din apa pură și din apele subterane cu substanțe humice (efect de murdărire, Baldauf 1986)

Calitatea cărbunelui activ și tipul și cantitatea de substanțe humice joacă un rol surprinzător. Cu izotermele de adsorbție pentru diferite CHC-uri date în Fig. 18, efectul de murdărire trebuie totuși luat în considerare pentru aplicarea practică.

Efectul de murdărire poate fi redus prin conectarea succesivă a mai multor filtre cu cărbune activ.

Fig. 18: Izotermele de adsorbție ale diferitelor CHC în apă (20 ° C)

9.6 Proiectarea unui filtru cu cărbune activ

Atunci când se proiectează un adsorber cu pat fix, se încearcă alegerea dimensiunilor aparatului astfel încât factorii de influență adesea opuși să fie combinați în cel mai bun compromis posibil. Pe lângă diametrul, înălțimea și tipul de cărbune activ, pierderile de presiune și costurile trebuie aduse sub un singur acoperiș.

Diametrul adsorbantului cu pat fix este ales în purificarea aerului astfel încât un debit între 0,1 și 0,5 m/s, pe baza containerului gol, să fie atins cu debitul volumic dat. Pentru purificarea apei sunt necesare timpi de ședere mai lungi din cauza difuziei mai lente. Recipientul este proiectat astfel încât apa să atingă o viteză de filtrare de 5 - 20 m/h.

Înălțimea patului de cărbune activ din adsorbant ar trebui să fie cât mai mare în raport cu grosimea zonei de adsorbție, astfel încât carbonul să poată fi utilizat eficient. În practică, înălțimile patului sunt de obicei între 1 și 3 m. Prin conectarea mai multor unități de filtrare în serie, pot fi simulate paturi superioare (Fig. 16).

Scăderea de presiune dintr-o coloană este influențată de dimensiunea și forma particulelor de cărbune activ. Datorită debitului ridicat, pierderea de presiune joacă un rol major, mai ales la curățarea aerului. Aici se preferă carbonul turnat, presat exterior. În cazul carbonului turnat, pierderea de presiune poate fi, de asemenea, mai bine controlată datorită geometriei reglabile a boabelor. Pierderea de presiune într-un filtru de cărbune activ este importantă la dimensionarea pompelor și a suflantelor, deoarece pierderea de presiune trebuie contracarată cu o cheltuială corespunzătoare de energie electrică. Acest lucru generează emisii poluante în centrale și costuri de energie electrică pentru operator (Quanz & Röhr 1992).

10. Regenerarea cărbunelui activ

Prin adsorbție, poluanții au fost legați de cărbunele activ în formă concentrată. Cărbunele activ este clasificat în categoria II în Hesse și nu poate fi eliminat împreună cu deșeurile menajere. Producătorul de deșeuri trebuie să verifice dacă deșeurile pot fi reciclate. Acesta este de obicei cazul, deoarece cărbunele activ poate fi regenerat. Prin urmare, cărbunele activ din zona de renovare devine o problemă a deșeurilor numai în cazuri excepționale. Când este adsorbit cu cărbune activ, în mod normal nu există reziduuri sau deșeuri.

Scopul regenerării unui cărbune activ încărcat este de a restabili capacitatea inițială de adsorbție. În practică, acest lucru se face prin desorbția poluanților la temperaturi ridicate. În esență, se utilizează două procese pentru aceasta: curgerea cu abur supraîncălzit (puțin peste 100 ° C) sau reactivarea la temperaturi foarte ridicate ca în producție.

10.1 Regenerarea aburului supraîncălzit

Regenerarea aburului supraîncălzit este utilizată cu cărbune activ, care a fost utilizat pentru purificarea aerului. Dacă vaporii de apă fierbinte sunt lăsați să curgă prin cărbune activ încărcat, poluanții se desorbită din cărbunele activ datorită temperaturii crescute și a deplasării de către apă și părăsesc recipientul împreună cu vaporii de apă. Apa și poluanții se condensează într-un răcitor. CKW și BTX sunt greu miscibile cu apa. Prin urmare, se formează două faze lichide, care pot fi separate într-un separator gravitațional. Astfel, poluanții se acumulează din nou ca fază și pot fi readuși în ciclul economic. Amestecurile de solvenți pot fi descompuse din nou în substanțe pure prin distilare.

Din motive economice, poluanții nu sunt complet desorbiți din cărbune cu aburul supraîncălzit, deoarece consumul de energie ar fi prea mare. Prin urmare, capacitatea de adsorbție originală nu este atinsă din nou. Datorită încărcării poluante rămase, acest cărbune activ regenerat nu mai poate fi utilizat universal pentru fiecare caz de renovare.

În cazurile majore de renovare, regenerarea aburului supraîncălzit poate fi implementată și direct la punctul de avarie sub formă de sisteme de cărbune activ autodesorbant (SDA).

10.2 Reactivare

Reactivarea este similară cu procesul de producție a cărbunelui activ. Mai întâi cărbunele este uscat. Apa se evaporă și CHC-urile volatile încep să se desorbească. Unele substanțe, cum ar fi acizii humici, sunt greu de desorbit. Acestea sunt descompuse pirolitic la temperaturi mai ridicate. În timpul acestei descompuneri, rămâne un reziduu în sistemul de pori, care este cocsificat în intervalul 400 - 800 ° C, adică componentele de hidrogen și oxigen sunt expulzate. Coca-cola de descompunere rămasă blochează microporii. Analog cu prima activare a cărbunelui în timpul producției, acest reziduu de cocs este gazificat între 900 și 1000 ° C, adică transformat în CO2, CO și H2 în reacția cu vapori de apă. O parte din cărbunele activ se pierde prin abraziune și eroziune. Poluanții sunt arși în cele din urmă în dioxid de carbon, apă și acid clorhidric. Cantități mici de poluanți rămân și pe cărbune și aici.

11. Bibliografie

Baldauf, G. (1986): Influența substanțelor organice naturale în apă asupra adsorbției substanțelor urme în filtrele de cărbune activ. - Vom Wasser, 67, 11-21
Kast, W. (1988): Adsorbție din faza gazoasă, VCH Verlags GmbH, Weinheim
Kienle, H. von (1990): Carbon activ - producție, proprietăți și domenii de aplicare, prelegere la conferința forumului 25 septembrie 1990
Kienle, H. von (1990): Reactivarea termică a cărbunelui activ epuizat. Conferință la conferința forumului din 25 septembrie 1990
Kienle, H. von (1980): Carbon activat și aplicația sa industrială, Enke-Verlag
Lurgi GmbH: Hydraffin. Carboni activi pulverulenți și granulari pentru tratarea apei și a apelor uzate.
Norit: Carbon activat o introducere, broșură de companie
Norit: Versatilitatea cărbunelui activ, broșură a companiei
Quanz, K.-P. & Röhr, C. (1992): Echilibrul ecologic al remedierii solului prin aspirarea aerului din sol - apă WLB, aer, sol, 1-2
Storp, K. & Krill, H.: Utilizarea cărbunelui activ pentru controlul poluării aerului. Lurgi GmbH Frankfurt pe Main, nr. 1117
Zimmer, G. & Sontheimer, H. (1989): Descrierea adsorbției substanțelor organice urme în filtrul de cărbune activ. - Vom Wasser, 72, 1-19