Az aktív szén használata a talajvíz és a talaj levegőjének helyreállításában
írta dr. Christian Röhr és Wolfram Holzapfel
9. Aktívszén-szűrő
9.1 Alapok
A felújítási területen túlnyomórészt oszlopos rögzített ágyas adszorbereket alkalmaznak. Ezek lényegében hengeres tartályok aktív szén töltéssel, be- és kimenettel. Gyakran egyszerűen aktív szénszűrőknek hívják őket.
Működése viszonylag egyszerű: a szennyező anyaggal megrakott folyadék (levegő vagy víz) bizonyos sebességgel áramlik át egy aktív szénrétegen, és a szennyező anyagot az aktív szénbe engedi. A koncentráció minden csökkenése a folyadékban az aktív szén terhelésének növekedéséhez vezet. Az aktív szén ágyban betöltési profil, a szemcsék közötti térfogatban lévő oldatban pedig egy megfelelő koncentrációs profil képződik.
A víztisztításra szánt aktív szénszűrők esetében általában mosáshoz szükséges eszközök állnak rendelkezésre annak érdekében, hogy az üzembe helyezés előtt el lehessen távolítani a szénport. Nagy térfogatáramú visszamosáskor a szénágy akár 50% -kal is kitágul. A tárolóban elegendő helynek kell lennie.
A tartály belsejében lévő megfelelő vezető eszközöknek biztosítaniuk kell, hogy a folyadék ne előnyösen áramoljon a tartály falán (a széléig áteresztő probléma), hanem az aktív szén teljes keresztmetszetét használja fel.
Meg kell jegyezni, hogy az aktív szén alapvetően csak gőzös vagy oldott anyagokat tart vissza. Az esetlegesen jelen lévő port vagy szuszpendált anyagokat először más szűrőkkel kell elválasztani, különben azok szennyezik az aktív szenet.
9.2 Adszorpciós zóna
Az aktív szénszűrő esetében a tisztítandó folyadékot a bemeneti nyílásnál alkalmazzák, és a kimenetnél tisztítják. Koncentrációs gradienst állapítunk meg az aktív szénoszlopon belül. Az adott terheléstől függően három területet különböztetünk meg bizonyos működési idő után. A bejárat közelében a szén teljesen be van töltve a szennyező anyaggal a bejárati koncentrációnak és a megfelelő izotermának megfelelően. A folyadék ezen a szénen változatlanul áramlik át. A kijárat közelében a szén még mindig friss, és a rajta átfolyó folyadékot megtisztítják. Többé-kevésbé vastag terület képződik ezek között a területek között, ahol az adszorpció jelenleg zajlik: az adszorpciós zóna. Jellemzi az aktív szénrendszer dinamikus viselkedését (kinetikáját) az oszlopban, mivel itt zajlanak le a reakciók.
14. ábra: Aktív szénszűrő zónaszerkezete (teljesen aktív szénnel feltöltve)
A szűrő optimális használatának érdekében a lehető legkisebb adszorpciós zóna a cél. Az adszorpciós zóna vastagsága lényegében attól függ
- A szennyező anyag koncentrációja és adszorpciós viselkedése
- Áramlási sebesség
- Az aktív szén részecskék mérete
- Diffúziós együttható
- hőfok
A levegő tisztításakor az adszorpciós zóna várhatóan 5 - 30 cm vastag, a víz tisztításakor az adszorpciós zóna általában körülbelül egy méter vastag.
A gyakorlati működés szempontjából döntő tényező a szennyezett folyadék lehetséges áteresztése, amíg el nem érik a kezdeti koncentrációra meghatározott határértéket. A koncentráció változását a rögzített ágy kimeneténél áttörési görbének nevezzük. Az áttörési görbét az adszorpciós zóna alakja határozza meg. Mivel az adszorpciós zóna bizonyos vastagságú, amikor az aktív szén ágy kimerül, a kimeneti koncentráció hirtelen nem emelkedik nulláról a bemeneti koncentráció értékére, hanem folyamatosan megközelíti ezt az értéket. Ez vékony adszorpciós zónával gyorsabban történik, mint egy vastag zónával. A kezdeti koncentráció emelésének összefüggésében általában túllépik a betartandó határértéket, és ki kell cserélni az aktív szénszűrőt.
15. ábra: A rögzített ágyas adszorber terhelésének alakulása az idő múlásával
16. ábra: Az aktív szén jobb felhasználása hosszabb szűrőkön keresztül. Az adszorpciós zóna magasságaránya a megterhelt aktív szén zónájához nagyobb ágymagasság mellett kedvezőbb. Nagyobb ágymagasságot két szűrő soros összekapcsolásával szimulálnak. Az áttörés korán felismerhető, ha az ágy felénél mintákat veszünk.
9.3 Aktív szénfogyasztás
Miután az aktív szén elérhető terhelése ismert az izotermákból egy adott szennyező anyag koncentrációnál, meghatározható az aktív szén szűrő működési ideje. Első közelítésként ez egy elhanyagolhatóan vékony adszorpciós zóna feltételezésével történik, és ezáltal a szennyező anyag hirtelen áttörése a szűrő kimeneténél. Általános mérőszám az aktív szén fogyasztása. Kiszámítása a következőképpen történik:
(1) A bevitt szennyező anyagok mennyisége
Sm = Volstr * Conc * 24/1 000 000
Sm = a szennyező anyagok mennyisége kg/nap
Volstr = térfogatáram m³/h-ban (levegő vagy víz)
Conc = a szennyező anyag koncentrációja mg/m³-ben
Példa: 150 m³/h talajlevegő 220 mg/m³ benzollal 0,792 kg/nap szennyező anyagmennyiséget eredményez.
Akv = Sm/Load * 100%
Akv = aktív szénfogyasztás kg/nap
Terhelés = terhelés tömeg% -ban
Sm = a szennyező anyagok mennyisége kg/nap
Példa: Az izoterm alkalmazásával a benzolkoncentráció 220 mg/m³ 9 tömeg% töltetet eredményez. 0,792 kg/nap szennyezőanyag-mennyiség mellett ez 8,8 kg/nap aktív szén-fogyasztást eredményez.
(3) Az aktív szénszűrő élettartama a kimerülésig
Sz = álló idő napokban
Akg = az aktív szén tömege a szűrőben
Akv = aktív szénfogyasztás kg/nap
Példa: 125 kg aktív szenet mértünk be az aktív szén szűrőbe. 8,8 kg/nap aktív szénfogyasztás esetén a szűrő körülbelül 14 nap múlva kimerül.
9.4 Több komponens adszorpciója az aktív szénszűrőben
Az aktív szén egyszerre több szennyező anyaggal történő betöltését már fentebb tárgyaltuk. Kimutatták, hogy a szennyező anyag terhelése a többkomponensű adszorpcióban csökken az egykomponensű adszorpcióhoz képest. Mivel a tisztítandó folyadék állandóan átáramlik egy rögzített ágyú adszorberen, vannak olyan jelentős hatások is, amelyek lényegében az egyes szennyezők különböző front-sebességében és a szennyező anyagok kiszorításában fejeződnek ki.
Az elülső sebesség alatt az adszorpciós zóna átlagos haladási sebességét értjük az aktív szén ágyon keresztül a kijárat irányában. Az elülső sebesség számszerűen meghatározható a fent leírt élettartam és az aktív szénágy ágymagassága révén. Minél kisebb az aktív szén állandó koncentrációjú terhelése, annál gyorsabban vándorol az adszorpciós zóna a szénágyon.
Ha a szennyező keveréket aktív szénszűrővel kívánják megtisztítani, a különböző elülső sebességek a keverék elválasztását eredményezik minden egyes szennyező anyag esetében. A legkisebb terhelésű szennyező anyag először tiszta formában jelenik meg az adszorber kimeneténél. A többi szennyező anyagot később adják hozzá.
A többkomponensű CHC károsodásának kijavításakor a szennyező anyagok elválasztásának ez a kromatográfiai hatása abban nyilvánul meg, hogy a vinil-klorid kimutatható az aktív szén kimeneténél, majd diklór-metán, majd cisz-1,2-diklór-etén. A fő szennyező anyagok, a tri- és a tetraklór-etén, csak sokkal később jutnak a kimenetre.
A különböző elülső sebességek azt is eredményezik, hogy az előre haladó szennyeződéseket később a lassabban haladók kiszorítják. A cisz-1,2-diklór-etén (Cisz) - tetraklór-etén (Per) kétkomponensű keverékében például a cisz általában egyetlen komponensként halad előre a szénágyban, és az egyanyag izotermának megfelelően tölti be a szenet. 100 mg/m3 cisz koncentráció esetén a szenet kb. 3 tömeg% cisz tartalommal töltjük meg (lásd 7.2. Szakasz, 9. ábra). Ha ezt a csak cis-sel terhelt részt a későbbi per-front eléri, akkor a cisz-per-keverék adszorpciós feltételei érvényesek. További 500 mg/m³ per periódussal a Cis-terhelés ekkor csak körülbelül 0,5 tömeg% (9. ábra). A korábban meglévő 3 tömeg% cisz különbség ismét eltávolításra kerül a szénből, és ezáltal megnő az átfolyó folyadék koncentrációja. Per kiszorította a szénből a c élességet. Az elmozdulás miatt még nagyobb koncentrációk lehetségesek a szűrő kimeneténél, mint a szűrő bemeneténél.
Az egyes anyagok eltérő elülső sebessége és az ebből adódó elmozdulási hatások miatt a rögzített ágyú adszorberben az adszorpciós folyamat nagyon összetett. Ezeket a folyamatokat és így a végső soron érdekes bontási görbét elvileg a differenciálegyenlet-rendszerrel lehet leírni és megoldani. A gyakorlatban azonban ez csak indokolatlan erőfeszítésekkel lenne lehetséges.
9.5 Többkomponensű adszorpció a talajvíz tisztításában
A különböző anyagok elülső sebességének különbségei különösen fontos szerepet játszanak a felszín alatti vizek tisztításában, mivel minden vízben természetes szerves vegyületek fordulnak elő, amelyeket általában humuszanyagoknak neveznek. Tartalmuk a DOC (Dissolved Organic Carbon) összegparaméter elemzésével határozható meg. A DOC-tartalom jellemzően 500 és több ezer mg/m³ között van, a lápokkal rendelkező területeken lényegesen magasabb. A humusztartalom gyakran meghaladja a szennyező anyag koncentrációját.
A talajvíz aktív szénszűrőkkel történő tisztításakor ezen természetes úton előforduló szerves anyagok adszorpciója nem kívánatos, hanem elkerülhetetlen. A humuszanyagok általában gyorsabban vándorolnak, mint a szerves szennyezők, az aktív szén rögzített ágyon keresztül, ahol humuszanyagokkal történő előadszorpcióhoz vezetnek. A még friss aktív szenet humuszanyagok borítják, és már nem rendelkezik a CHC vagy BTX későbbi adszorpciójának teljes terhelő képességével. Ezt a folyamatot szennyeződésnek nevezik, és jelentősen csökkenti az aktív szén hasznosítható kapacitását az eltávolítandó szennyezők számára az egyanyag izotermákhoz képest (Baldauf 1986, Zimmer & Sontheimer 1989).
Az általában egy év üresjárati idő esetén az adszorpciós folyamatot még nagyban meghatározza a szennyeződés. A triklór-etén esetében általában csak az egyensúlyi izoterma 25% -ának megfelelő terhelés érhető el (17. ábra), a tetraklór-etén esetében pedig csak 5-10%.
17. ábra: A triklór-etén tiszta vízből és talajvízből származó humuszanyagok adszorpciós izotermái (szennyező hatás, Baldauf 1986)
Az aktív szén minősége, valamint a humuszanyagok típusa és mennyisége meglepő módon alig játszik szerepet. A 18. ábrán megadott különféle CHC-k adszorpciós izotermáival a gyakorlati alkalmazás során továbbra is figyelembe kell venni a szennyeződést.
A szennyeződést csökkenthetjük több aktív szénszűrő egymás utáni összekapcsolásával.
18. ábra: Különböző CHC-k adszorpciós izotermái vízben (20 ° C)
9.6 Aktívszén-szűrő kialakítása
A rögzített ágyú adsorber tervezésekor megpróbálja megválasztani a készülék méreteit, hogy a gyakran ellentétes befolyásoló tényezőket a lehető legjobb kompromisszumba egyesítsék. Az aktív szén átmérőjén, magasságán és típusán kívül a nyomásveszteséget és a költségeket egy fedél alá kell hozni.
A rögzített ágyas adszorber átmérőjét a légtisztításban úgy választják meg, hogy az adott tartályáram mellett 0,1 és 0,5 m/s közötti áramlási sebességet érjenek el az üres edény alapján. A lassabb diffúzió miatt hosszabb tartózkodási idő szükséges a víztisztításhoz. A tartályt úgy fektetik le, hogy a víz 5 - 20 m/h szűrősebességet érjen el.
Az aktív szén ágy magasságának az adszorberben a lehető legnagyobbnak kell lennie az adszorpciós zóna vastagságához képest, hogy a szén hatékonyan felhasználható legyen. A gyakorlatban az ágy magassága általában 1 és 3 m között van. Több szűrőegység sorozatba kapcsolásával magasabb ágyakat lehet szimulálni (16. ábra).
Az oszlop nyomásesését az aktív szén részecskék mérete és alakja befolyásolja. A nagy áramlási sebesség miatt a nyomásveszteségnek nagy szerepe van, különösen a levegő tisztításakor. Itt előnyös a külsőleg sima, préselt öntött szén. Az öntött szén esetében a nyomásveszteség is jobban szabályozható a szemcsék állítható geometriája miatt. Az aktív szénszűrő nyomásvesztesége fontos a szivattyúk és a ventilátorok méretezésénél, mert a nyomásveszteséget ellensúlyozni kell a megfelelő villamosenergia-felhasználással. Ez szennyezőanyag-kibocsátást generál az erőművekben és villamosenergia-költségeket jelent az üzemeltető számára (Quanz & Röhr 1992).
10. Az aktív szén regenerálása
Az adszorpció eredményeként a szennyező anyagok koncentrált formában az aktív szénhez kötöttek. Az aktív szén Hessenben a II. Kategóriába tartozik, és nem dobható háztartási hulladékkal együtt. A hulladéktermelőnek ellenőriznie kell, hogy a hulladék újrahasznosítható-e. Ez általában azért van így, mert az aktív szén regenerálható. Ezért a felújítási területről származó aktív szén csak kivételes esetekben válik hulladékproblémává. Aktivált szénnel adszorbeálva általában nincs maradvány vagy hulladék.
A feltöltött aktív szén regenerálásának célja az eredeti adszorpciós kapacitás helyreállítása. A gyakorlatban ez a szennyező anyagok magas hőmérsékleten történő deszorpciójával történik. Lényegében két eljárást alkalmaznak erre: túlhevített gőzzel való átáramlás (valamivel 100 ° C felett) vagy reaktiválás nagyon magas hőmérsékleten, mint a gyártás során.
10.1 Túlhevített gőz regenerálás
A túlhevített gőzregenerálást aktív szénnel használják, amelyet a levegő tisztítására használtak. Ha a forró vízgőznek átengedik a megterhelt aktív szenet, a szennyező anyagok deszorbeálódnak az aktív szénből a megemelkedett hőmérséklet és a víz által történő kiszorítás miatt, és a tartályt a vízgőzzel együtt elhagyják. A víz és a szennyező anyagok hűtőben kondenzálódnak. A CKW és a BTX alig keverhető vízzel. Ezért két folyadékfázis képződik, amelyek gravitációs szeparátorban választhatók szét. A szennyezők tehát fázisként újra felhalmozódnak, és visszavezethetők a gazdasági ciklusba. Az oldószerelegyeket desztillálással újra tiszta anyagokra bonthatjuk.
Gazdaságossági okokból a szennyező anyagokat nem deszorbálják teljesen a szén a túlhevített gőzzel, mivel az energiafogyasztás túl magas lenne. Az eredeti adszorpciós kapacitás ezért nem érhető el újra. A fennmaradó szennyezőanyag-terhelés miatt ez a regenerált aktív szén már nem használható univerzálisan minden felújítási esetre.
Nagyobb felújítási esetekben a túlhevített gőzregeneráció közvetlenül a károsodás helyén is megvalósítható, önszármazó aktív szénrendszerek (SDA) formájában.
10.2 Reaktiválás
A reaktiválás hasonló az aktív szén előállítási folyamatához. Először a szenet szárítják. A víz elpárolog, és az illékony CHC-k deszorbeálódni kezdenek. Egyes anyagokat, például a huminsavakat, nehéz deszorbálni. Ezek magasabb hőmérsékleten pirolitikusan lebomlanak. A bomlás során a pórusrendszerben maradék marad, amelyet kokszolunk 400-800 ° C tartományban, vagyis a hidrogén- és oxigénkomponenseket kiszorítjuk. A fennmaradó bomlási koksz blokkolja a mikroporokat. A termelés során a szén első aktiválásához hasonlóan ezt a kokszmaradványt 900 és 1000 ° C közötti hőmérsékleten gázosítják, vagyis a vízgőz reakciójában CO2-ként, CO-val és H2-vé alakítják át. Az aktív szén egy része kopás és erózió hatására elveszik. A szennyező anyagokat végül szén-dioxiddá, vízzé és sósavvá égetik. Kis mennyiségű szennyező anyag itt is a szénen marad.
11. Irodalomjegyzék
- Baldauf, G. (1986): A vízben lévő természetes szerves anyagok hatása az aktív szénszűrőkben található nyomanyagok adszorpciójára. - Vom Wasser, 67, 11-21
- Kast, W. (1988): Adszorpció a gázfázisból, VCH Verlags GmbH, Weinheim
- Kienle, H. von (1990): Aktív szén - termelés, tulajdonságai és alkalmazási területei, előadás a fórum konferenciáján, 1990. szeptember 25.
- Kienle, H. von (1990): A kimerült aktív szén termikus reaktiválása. Előadás a fórum konferenciáján 1990. szeptember 25
- Kienle, H. von (1980): Aktivált szén és ipari alkalmazása, Enke-Verlag
- Lurgi GmbH: Hydraffin. Porított és szemcsés aktív szén a víz és a szennyvíz tisztításához.
- Norit: Aktívszén bevezetés, vállalati brosúra
- Norit: Az aktív szén sokoldalúsága, vállalati brosúra
- Quanz, K.-P. & Röhr, C. (1992): A talaj helyreállításának ökológiai egyensúlya a talaj légszívásával - WLB víz, levegő, talaj, 1-2
- Storp, K. & Krill, H.: Aktív szén alkalmazása a légszennyezés csökkentésére. Lurgi GmbH Frankfurt am Main, 1117. sz
- Zimmer, G. & Sontheimer, H. (1989): Szerves nyomanyagok aktív szénszűrőben történő adszorpciójának leírása. - Vom Wasser, 72, 1-19