Применение активных углей для сорбции органических загрязнений

Удаление органических загрязнений из воды является одним из ключевых этапов подготовки воды для промышленного и бытового использования. В природных источниках органические загрязнения в основном представлены гуминовыми и фульвокислотами, а также их соединениями, включая комплексы с железом. Помимо естественных органических веществ, в воде могут присутствовать антропогенные загрязнители, такие как продукты обработки воды хлором, аммиак и другие химические соединения.

Органические загрязнения могут иметь различные размеры и молекулярную массу. Методы их удаления делятся на два основных подхода: окисление до углекислого газа и воды (CO₂ и H₂O) и извлечение из воды. Окисление органических соединений осуществляется с применением сильных окислителей, таких как хлор, озон, перманганат калия и кислород. Использование перманганата калия требует точного дозирования, поскольку его избыток в очищенной воде недопустим.

Извлечение органических соединений из воды осуществляется методами сорбции, коагуляции или мембранной фильтрации. При сорбционном методе молекулы органических загрязнений адсорбируются на поверхности сорбентов, среди которых наибольшее распространение получили активные угли — пористые материалы с высокой поверхностной активностью. Активные угли получают из различных видов органического сырья, включая торф, бурый и каменный уголь, древесный уголь и отходы целлюлозно-бумажной промышленности. Скорлупа кокосовых орехов является одним из лучших источников для производства активного угля из-за высокой плотности сырья и его углеродного содержания. Этот материал обладает тонкопористой структурой с большим количеством микропор, что делает такие угли особенно эффективными для сорбции маломолекулярных органических соединений, летучих органических веществ и других загрязнителей.

Процесс производства активного угля из кокосовой скорлупы включает карбонизацию (нагрев без доступа кислорода) и активацию, что увеличивает площадь поверхности сорбента. Основные свойства активного угля из кокосовой скорлупы: - Высокая адсорбционная способность за счет развитой микропористой структуры. - Устойчивость к физическим воздействиям, благодаря высокой механической прочности. - Экологичность, так как кокосовая скорлупа является возобновляемым и натуральным сырьем.

Помимо кокосовой скорлупы, активные угли также изготавливаются из других материалов, таких как древесина, торф, бурый и каменный уголь. Однако уголь из кокосовой скорлупы обладает преимуществами в применении для очистки питьевой воды, так как он лучше справляется с удалением низкомолекулярных загрязнений и не привносит в воду посторонние привкусы и запахи.

 

Механизм сорбции на угольных фильтрах

 

Сорбция на активных углях происходит благодаря их пористой структуре, что обеспечивает большую площадь поверхности для взаимодействия с загрязнителями. Механизм сорбции включает физическую и химическую адсорбцию. Физическая адсорбция основана на силах Ван-дер-Ваальса, которые возникают между молекулами загрязнителей и поверхностью угля. Эти силы особенно важны для молекул с низкой молекулярной массой и органических веществ, легко проникающих в микропоры угля.

Химическая адсорбция (хемосорбция) происходит в результате образования химических связей между активными центрами на поверхности угля и молекулами загрязнителей. Этот процесс важен для удаления специфических органических соединений, таких как летучие органические соединения (ЛОС), ароматические углеводороды и хлороорганические вещества.

Активные угли классифицируются по типам пор: макропоры (более 50 нанометров), мезопоры (от 2 до 50 нанометров) и микропоры (менее 2 нанометров). Для сорбции крупных молекул, таких как гуминовые кислоты, важны макро- и мезопоры, в то время как для малых молекул, таких как фенолы, наибольшую роль играют микропоры.

 

Эксплуатация угольных фильтров

 

Срок службы активного угля зависит от качества и параметров обрабатываемой воды, а также от типа угля. В процессе эксплуатации сорбционная емкость угля постепенно исчерпывается, что требует его периодической замены или регенерации. Регенерация активных углей может проводиться термическим методом, при котором уголь восстанавливает свои адсорбционные свойства. Однако на практике наиболее применима замена засыпок из активированного угля в напорных фильтрах. При этом по необходимости, в среднем раз в двое суток, осуществляется промывка фильтров очищенной водой противотоком.

Использование угольных фильтров в водоподготовке позволяет эффективно удалять органические загрязнители, улучшая качество воды как для бытовых, так и для промышленных нужд. Сорбционные процессы с применением активных углей играют ключевую роль в обеспечении чистоты воды, предотвращая попадание опасных органических веществ в системы водоснабжения.