اندازه ذرات کربن فعال: تعادل بین سینتیک و ظرفیت

کربن فعال (AC) یک جاذب جهانی است. برای تصفیه آبی که می نوشیم، هوایی که تنفس می کنیم، بسیاری از غذاهایی که می خوریم و مواد شیمیایی صنعتی متعددی که هر روز استفاده می کنیم استفاده می شود. در تصفیه آب آشامیدنی، AC برای حذف طعم و بو، VOCs و تعداد بی شماری از مواد آلی ناخواسته استفاده می شود. EPA ایالات متحده کربن فعال دانه ای (GAC) را به عنوان بهترین فناوری موجود (BAT) برای حذف مواد آلی خاص از آب آشامیدنی فهرست می کند. در دستگاه های تصفیه آب خانگی نیز برای حذف مواد ضدعفونی کننده مانند کلر و کلرامین ها و همچنین DBP ها استفاده می شود.

انواع کربن فعال

سه نوع از رایج ترین مواد خام مورد استفاده برای ساخت AC عبارتند از زغال سنگ، پوسته نارگیل و چوب. انواع دیگر مواد خام به میزان بسیار کمتری استفاده می شود، از جمله هسته میوه و زیتون، پوست آجیل، بامبو و پوست برنج. متداول ترین انواع AC مورد استفاده برای تصفیه آب بر پایه زغال سنگ، نارگیل و چوب است. کربن فعال را می توان به صورت پودر (PAC)، به صورت دانه ای (GAC) یا به صورت گلوله ای که به عنوان کربن فعال اکسترود شده (EAC) شناخته می شود استفاده کرد. کربن فعال پودر شده در آب ریخته می شود و سپس فیلتر می شود. کربن فعال دانه‌ای و تا حدی EAC در ستون‌های جاذب بستر ثابت استفاده می‌شود.

برای سیستم‌های AC کوچک POU، مانند دستگاه‌های نصب شده بر روی شیر و دستگاه‌های پارچ، GAC با اندازه مش 20 در 50 ترجیح داده می‌شود. این اندازه کوچک سینتیک سریعی را برای جذب ناخالصی ها و حذف کلر فراهم می کند و در عین حال افت فشار قابل قبولی را حفظ می کند. سیستم های POE بزرگتر از اندازه مش 12×30 یا 12×40 استفاده می کنند. این اندازه ذرات بزرگتر همچنان امکان سینتیک سریع و افت فشار قابل قبول را فراهم می کند، در حالی که به راحتی یک منطقه بزرگ را پوشش می دهد. هر دو شکل GAC و EAC را می‌توان پس از مصرف مجدداً به صورت حرارتی فعال کرد، چه برای صرفه‌جویی در هزینه‌ها و چه برای مزایای زیست‌محیطی و به حداقل رساندن زباله.

تصفیه آب آشامیدنی

بخش آب آشامیدنی به وضوح یکی از بزرگترین کاربردهای AC با استفاده از PAC و GAC است. سالانه چند صد میلیون پوند AC در ایالات متحده استفاده می شود. علاوه بر نیاز روزافزون به آب آشامیدنی تمیز، یک محرک بازار جدیدتر اجرای نهایی قوانین DBP توسط EPA ایالات متحده است. این مقررات برای کمک به جلوگیری از تشکیل ترکیبات خطرناک مانند تری هالومتان (THM) و اسیدهای هالواستیک (HAAs) و با حذف مواد آلی از منابع آب آشامیدنی شهری قبل از افزودن کلر یا کلرامین به عنوان ضدعفونی‌کننده طراحی شده‌اند. در حال حاضر حدود 50 تا 70 میلیون پوند در سال GAC برای این بخش از بازار مورد نیاز است و انتظار می‌رود این محرک‌های نظارتی رشد فوق‌العاده‌ای را برای بازار AC در آینده ایجاد کنند.

یکی دیگر از موضوعات مورد توجه در حال رشد، استفاده از AC برای حذف مقادیر کمی از داروها و محصولات مراقبت شخصی (PPCPs)، و همچنین ترکیبات مختل کننده غدد درون ریز (EDCs) از آب آشامیدنی است. بسیاری از اثرات نامطلوب اکولوژیکی به این مواد شیمیایی نسبت داده شده است، اما هنوز مشخص نیست که چه خطراتی برای سلامت انسان دارند. پیش از این، وجود این مواد شیمیایی در آب شناخته شده بود، اما تعیین کمیت آن دشوار بود. امروزه، روش‌های تحلیلی جدید می‌توانند حضور این مواد شیمیایی را تا تعداد قطعات در تریلیون (ppt) تعیین کنند. یک قسمت در تریلیون برابر با یک قطره در 26 استخر شنای المپیک است.

اکثریت قریب به اتفاق EDCها و PPCPها در حال حاضر تنظیم نشده اند و سطوح موجود در آب آشامیدنی معمولاً بسیار پایین است. خطرات سلامتی انسان مرتبط با این سطوح پایین، با این حال، هنوز به طور کامل شناخته نشده است. از آنجایی که تصفیه آب شهری معمولی سطوح ppt این مواد شیمیایی را به خوبی حذف نمی کند، دستگاه های تصفیه آب POE و POU با AC می توانند به پر کردن این خلاء کمک کنند. یک استاندارد جدید آب آشامیدنی، NSF/ANSI 401 ، اخیرا برای ارزیابی عملکرد دستگاه‌های POE/POU بر روی این آلاینده‌های بالقوه توسعه یافته است.

کربن‌های فعال و بلوک‌های کربنی با مش ریز

از نظر جنبشی، با کاهش اندازه ذرات، نرخ جذب ناخالصی‌های آلی و سرعت کلره‌زدایی AC به سرعت بالا می‌رود. این اثر جنبشی در ساخت بلوک‌های کربنی برای بازارهای POU و POE استفاده می‌شود. بلوک های کربنی از به اصطلاح ریز مش AC ساخته می شوند که به طور معمول 10 تا 15 برابر اندازه ذرات کوچکتر از GAC مورد استفاده در فیلترهای آب شهری هستند.

سایزهای معمولی مش ریز شامل 30*200، 50*200 و 80*325 می باشد. AC با توری ریز قالب گیری یا اکسترود می شود تا یک بلوک جامد را تشکیل دهد. همچنین ممکن است مواد افزودنی در بلوک کربن برای هدف قرار دادن برخی آلاینده‌ها مانند سرب و افزایش عملکرد استفاده شود. فیلترهای کربن بلوک معمولاً دارای ضخامت بلوک 0.25 تا 1 اینچ (6.35 تا 25.4 میلی متر) هستند و زمان تماس بستر خالی فقط چند ثانیه دارند، در مقایسه با دقیقه زمان تماس مورد نیاز برای حذف مؤثر آلاینده ها با GAC.

یکی از رایج‌ترین کاربردهای AC حذف کلر برای بهبود طعم و بوی آب آشامیدنی کلردار است. با کاهش اندازه ذرات AC، عمر حذف کلر فیلتر AC به طور چشمگیری افزایش می یابد. به عنوان مثال، یک فیلتر حاوی 150 سانتی متر مکعب AC با اندازه مش 12 در 40 ظرفیت 80 گالن (302 لیتر) دارد. برای همان حجم AC، کاهش اندازه ذرات کربن به مش 100×200، عمر بستر را به 10000 گالن (37854 لیتر) افزایش می دهد.

کنترل دقیق اندازه ذرات

با استفاده از ذرات AC کوچکتر و کوچکتر برای ساخت بلوک های کربنی، نیاز به کنترل دقیق اندازه ذرات اهمیت بیشتری پیدا می کند. تغییرات کوچک در اندازه ذرات کربن می تواند تأثیر قابل توجهی بر سرعت جریان آب و عملکرد حذف آلاینده ها داشته باشد. برای نشان دادن، سه نمونه از توزیع اندازه ذرات (نوع A، B و C) در جدول 1 نشان داده شده است. نوع A نمونه ای از اندازه ذرات درشت تر و توزیع باریک تر را نشان می دهد. این منجر به بلوک‌های کربنی می‌شود که دبی بالاتر از 4.0 لیتر در دقیقه را تولید می‌کنند، اما راندمان حذف آلودگی نسبتاً پایین است. در انتهای دیگر، نوع C نمونه ای از اندازه ذرات ریزتر و توزیع گسترده تر را نشان می دهد. این منجر به بلوک‌های کربنی می‌شود که جریان کمتری کمتر از 2.5 لیتر در دقیقه ایجاد می‌کنند، اما راندمان نسبتاً بالایی در حذف آلاینده‌ها دارند. در بین، نوع B نمونه ای از توزیع اندازه ذرات بهینه با کنترل دقیق را نشان می دهد. این منجر به بلوک‌های کربنی می‌شود که جریان مورد نظر 3.5 تا 4.0 لیتر در دقیقه را تولید می‌کنند، در حالی که راندمان بالایی در حذف آلاینده‌ها حفظ می‌شود.

برای دستیابی به توزیع اندازه ذرات بهینه، اندازه گیری اندازه ذرات دقیق مورد نیاز است. (روش های غربالگری سنتی که در ابتدا برای GAC توسعه داده شده بودند، برای کربن مش ریز رضایت بخش نبودند.) ابزارهای مدرن مبتنی بر پراش لیزری هستند. چنین ابزارهایی می توانند توزیع اندازه ذرات سریع و دقیق را برای پراکندگی مرطوب و خشک با حداقل تلاش در محدوده اندازه ذرات نانومتر تا میلی متر ارائه دهند.

نتیجه گیری

انواع مختلفی از AC موجود است. انتخاب نوع مناسب و توزیع اندازه ذرات مناسب برای اطمینان از عملکرد مناسب بسیار مهم است. با تامین کننده خود همکاری نزدیک داشته باشید تا مطمئن شوید که مقرون به صرفه ترین AC را برای برآورده کردن اهداف عملکرد خود انتخاب می کنید.