Технический бюллетень по гранулированному активированному углю
2026-02-14
Использование гранулированного активированного угля (GAC) для очистки воды стало широко распространенным явлением примерно в начале XX века, когда к древесному углю (используемому уже на протяжении нескольких столетий) стали применять процесс «активации». Термическая активация древесного угля значительно улучшила его пористость, площадь поверхности и структуру, что сделало его превосходным основным средством для очистки воды.
Чистая поверхность угля обладает липофильными свойствами, в отличие от гидрофильных. Она проявляет сильное притяжение к органическим соединениям и другим неполярным загрязнителям, адсорбируя их на своей поверхности и удерживая с помощью сил Ван-дер-Ваальса. Адсорбция является основным механизмом действия ГАУ и главной причиной его широкого применения для уменьшения неприятного вкуса, запаха и окраски, а также для повышения безопасности питьевой воды за счет эффективного удаления распространенных побочных продуктов дезинфекции (ТГМ), органических загрязнителей (таких как хлорированные растворители и другие промышленные загрязнители), пестицидов и некоторых тяжелых металлов (таких как свинец и ртуть). Современные продукты из АУГ производятся из скорлупы кокосовых орехов, угля, древесины, бурого угля и/или нефтепродуктов. Выбор источника углерода обычно зависит от целевых характеристик производителя по удалению загрязнителей.
Каждый источник углерода дает активированный уголь (GAC) с уникальной структурой пор, включающей микропоры, мезопоры и макропоры. Микропоры очень малы — обычно меньше типичных молекул (5–1000 ангстрем) . Один ангстрем (Å) равен одной миллионной части миллиметра. Уголь из кокосовой скорлупы, как правило, имеет более высокую долю микропор, что делает его хорошим выбором для удаления низкомолекулярных органических веществ и побочных продуктов дезинфекции. Древесный уголь имеет больше макропор, что делает его более подходящим для обесцвечивания и удаления крупных органических веществ. Уголь на основе каменного угля обладает структурой со средними порами, что делает его хорошим выбором для универсального удаления органических веществ.
Способность GAC удалять органические вещества обусловлена его чрезвычайно большой площадью поверхности. Площадь поверхности одного грамма GAC превышает 1000 квадратных метров. Использовать всю площадь поверхности GAC невозможно и не требуется. Если нанести на всю поверхность GAC пленку органического вещества толщиной в один молекулярный слой, это будет соответствовать объёму жидкости всего около 6,25 миллилитров. Однако, поскольку органические вещества сами по себе растворимы, пленка будет утолщаться, а вес адсорбата будет увеличиваться. В системах, работающих последовательно до насыщения (когда уровень загрязнения на выходе равен уровню на входе), каждый грамм GAC может поглотить до 0,1 грамма или более органических веществ.
I.Характеристики GAC
Ключевыми факторами являются возможность проникновения в адсорбционные сайты поровой структуры GAC и доступная площадь поверхности. Это зависит от степени активации углеродного матрикса, обеспечивающей прохождение потока. Степень активации измеряется по показателю четыреххлористого углерода (CTC). Значение 50 или выше считается пригодным для водоподготовки. Кроме того, для очистки питьевой воды относительная площадь поверхности угля, измеряемая по показателю йода (IoN), должна находиться в диапазоне 900–1050.
Одним из важных факторов при выборе продуктов GAC является их показатель износостойкости (Abrasion Number, AN). Это относительная величина, характеризующая способность материала противостоять износу (или уменьшению размера частиц) при физическом перемешивании (например, во время обратной промывки). Наибольшую износостойкость демонстрирует уголь из кокосовой скорлупы, показатель AN которого составляет около 95. Уголь на угольной основе имеет средний показатель AN около 90. Материалы с показателем ниже 80 могут не выдержать интенсивной обратной промывки.
Размер ячейки (mesh size) конкретного вида активированного угля (GAC) может не влиять на его конечные адсорбционные свойства, но влияет на гидравлические характеристики (перепад давления) и кинетику (скорость реакции). Диаметр угля с размером ячейки 8×30 составляет около 2 миллиметров. Размер частиц угля с размером ячейки 12×40 составляет около 1 мм, а с размером 20×50 — около 0,5 мм. Продукты с более мелким размером ячейки имеют гораздо более высокий перепад давления, но более высокая кинетика может позволить использовать более тонкий слой. Скорость реакции у продукта с размером ячейки 12×40 в два раза выше, чем у продукта с размером 8×30, а скорость реакции у продукта с размером 20×50 в два раза выше, чем у продукта с размером 12×40. Для глубоких слоев (глубиной 6–10 футов) можно выбрать продукт 8×30. В фильтрующих элементах используется 20×50 меш, а для большинства универсальных применений следует рассмотреть вариант 12×40 меш.
Вода является превосходным растворителем, способным растворять в незначительных количествах практически любые вещества, включая органические растворители. Сила, удерживающая органические вещества в растворе, очень велика. Чтобы активированный уголь (GAC) мог извлечь органические вещества из раствора, сила притяжения должна превосходить силу растворения. Факторами, усиливающими адсорбцию органических веществ на АК, являются: низкий уровень pH (органические вещества легче растворяются при более высоком pH), низкая скорость потока (измеряемая в минутах времени контакта с пустым слоем, EBCT), относительная молекулярная масса (MW) и растворимость органических веществ. Например, низкомолекулярные спирты, такие как метанол и этанол, очень легко растворяются в воде и не могут быть удалены АК. Хотя органические вещества обычно имеют низкую растворимость в холодной воде, температура также влияет на миграцию (перенос) загрязняющих веществ в поры. Таким образом, холодная вода фактически может препятствовать удалению этих загрязняющих веществ. Кроме того, некоторые органические вещества являются летучими и могут десорбироваться (выделяться) с АУГ в горячей воде. В таких случаях обратная промывка АУГ горячей водой фактически приводит к его частичной регенерации.
Окрашивающие вещества, такие как дубильные вещества (таннины), представляют собой органические соединения с высокой молекулярной массой, которые могут быть удалены с помощью активированного угля (GAC). Однако необходимо выбрать подходящий продукт с правильной структурой пор, соответствующей конкретной задаче. Продукты из древесного активированного угля имеют долгую историю применения в области обесцвечивания.
II.Факторы, влияющие на расход
Время контакта с пустым слоем (EBCT) отражает гидравлическую скорость потока воды, проходящей через слой активированного угля (GAC), и обычно указывается в «минутах». Проще говоря, это объем потока (в галлонах, кубических метрах или кубических футах), полученный путем деления объема фильтрующего материала (в галлонах, кубических метрах или кубических футах) на единицу времени (минуты, часы). Один кубический фут фильтра GAC содержит 7,5 галлонов GAC. EBCT для воды, проходящей через этот фильтр со скоростью 2,5 галлона в минуту (gpm), равен (7,5/2,5) = 3 минуты. Просто убедитесь, что для расчетов используются одинаковые единицы объема. Фильтр GAC должен иметь достаточное значение EBCT для выполнения своей работы, а также достаточный запас прочности, чтобы покрыть колебания качества обрабатываемой воды. Из-за необходимого запаса прочности органические загрязнители, такие как пестициды и ТГМ, требуют более длительного EBCT. При расчете размеров учитывайте «последствия отказа».
Второй термин, связанный со временем удержания, — это «длина полувыведения» (Half Lengths). Он означает, что если для удаления 50 % определенного загрязнителя требуется × секунд (или минут), то для удаления еще 50 % оставшегося количества этого загрязнителя также потребуется × секунд (или минут). Таким образом, если за одну длину полувыведения удаляется 50 %, то за две — 75 %, а за три — 87,5 %. Для удаления 99 % требуется примерно семь полупериодов, а для достижения 99,9 % — десять. Именно поэтому EBCT многих муниципальных систем GAC, используемых для снижения уровня ТГМ до однозначных значений в ppb, составляет 25 минут или более.
Помимо времени контакта, при использовании активированного угольного фильтра (GAC) необходимо учитывать и гидравлический расход. Фильтр не должен быть ни слишком большим, ни слишком маленьким. В крупных фильтрах при слишком низкой скорости потока легко возникает канализация (channeling). В мелких фильтрах при слишком высокой скорости потока возникает высокое давление и разрушение частиц (износ). Рациональная конструкция должна обеспечивать кажущуюся (поверхностную) скорость потока 4–10 гал/фут² (от минимальной до максимальной), при этом кратковременные пиковые значения не должны превышать 12–15 гал/фут². Объемная скорость потока может составлять 1–10 гал/фут³ (от минимальной до максимальной). Обратите внимание, что при данной объемной скорости потока время прохождения (EBCT) варьируется от 7,5 минут до примерно 45 секунд.
III. Дехлорирование
Второй очень важной особенностью GAC является его способность катализировать восстановление хлора из окислителя (NaOCl) до соли (NaCl) путем поглощения активного кислорода. Это очень быстрая реакция, для которой требуется всего 30–40 секунд EBCT. 10-дюймовый фильтрующий элемент при скорости потока 0,5 галлона в минуту (EBCT около 25 секунд) может удалить 95% хлора из поступающей воды, обработав 2500 галлонов воды. Один кубический фут того же GAC при скорости потока 5 галлонов в минуту (EBCT = 1,5 минуты) может выполнить ту же работу, обработав 1 000 000 галлонов воды. Из одного кубического фута GAC можно изготовить примерно 40 фильтрующих элементов (что подразумевает емкость 40 × 2500 = 100 000 галлонов). Разница заключается в том, что более длительное EBCT позволяет GAC работать лучше в течение более длительного времени, поскольку более длительное EBCT позволяет большему количеству GAC участвовать в процессе.
Все больше населенных пунктов переходят с хлора на хлорамины (обычно NH₂Cl, монохлорамин) в качестве основного дезинфицирующего средства, чтобы снизить склонность хлора к образованию ТГМ. Инактивация хлораминов может осуществляться с помощью активированного угля (GAC), однако размер фильтра должен быть примерно в четыре раза больше, чем у стандартного фильтра GAC, предназначенного для удаления хлора. Для увеличения EBCT фильтрующие элементы можно соединять последовательно. Каталитический уголь, обладающий окислительной способностью, более эффективен для восстановления хлораминов, при этом EBCT составляет около 5 минут.
IV. Удаление радона
Радон (символ Rn) — это радиоактивный газ, не придающий воде неприятного запаха. Он образуется в результате естественного распада урана в радий, а также распада радия в радон (известно, что вдыхание радона повышает риск развития рака легких). На сегодняшний день радон является второй по значимости причиной рака легких. В меньшей степени употребление воды, загрязненной радоном, может привести к повышению риска развития рака желудка.
Эффективность удаления радона с помощью GAC зависит от источника угля, конструкции слоя, нагрузки по радону и, в некоторой степени, от химического состава воды. Эффективность удаления радона зависит от установления константы скорости равновесия (Kss), при которой процессы адсорбции и последующего распада на дочерние продукты достигают равновесия с радоном, поступающим из входящего потока воды. Доказано, что GAC позволяет достичь более 90% эффективности удаления радона из питьевой воды. Однако для применения в системах POE (точка входа) или небольших системах рекомендуется использовать эту технологию только в том случае, если содержание радона значительно ниже (<<) 5000 пКи/л, чтобы гарантировать, что уголь не будет генерировать избыточное гамма-излучение, а также ограничить накопление долгоживущих радионуклидов (таких как свинец-210), что может привести к проблемам с обработкой и утилизацией. Рекомендуется заменять наполнитель не реже одного раза в год. Программа расчета дозы углерода (Carb) Агентства по охране окружающей среды США (EPA) может использоваться для расчета ожидаемой активности дочерних продуктов распада радона по окончании срока службы наполнителя. Для предотвращения загрязнения наполнителя можно использовать предварительную ионно-обменную очистку или обратную промывку.
При низкой активности радона в поступающей воде (< 5000 пКи/л) GAC считается предпочтительной технологией очистки на этапе первичной очистки (POE), при условии, что обрабатываемая вода не содержит радиоактивных изотопов с длительным периодом полураспада. При высоком уровне активности радона в поступающей воде (> 5000 пКи/л) предпочтительной технологией является аэрация.
V.Утилизация
Со временем активированный уголь (GAC) теряет свои свойства, и его необходимо заменить. В зависимости от назначения GAC он может классифицироваться как неопасный отход. Если GAC использовался для очистки питьевой воды и классифицируется как неопасный отход, его следует вывозить на промышленные полигоны для захоронения отходов. Если же он использовался для очистки промышленных сточных вод, содержащих известные опасные загрязняющие вещества, необходимо провести анализ отработанного угля, чтобы определить, следует ли его классифицировать как опасный или неопасный (это может зависеть от концентрации содержащихся загрязняющих веществ). Опасные материалы могут быть классифицированы как таковые из-за их токсичности, воспламеняемости, коррозионности или реакционной способности.
