کربن فعال (Activated Carbon) ماده ای است که برای حذف رنگ، طعم، بو، مواد آلی و مواد اکسید کننده مانند کلر از آب مورد استفاده قرار می گیرد.
کربن فعال معمولاً از پایه موادی مانند زغال سنگ، چوب و یا موادی مانند پوسته نارگیل تولید شده و سپس طی فرآیندی با در معرض قرار گرفتن در برابر اکسیژن، بخار و یا دی اکسید کربن اصطلاحاً "فعال" می شوند.
کربن فعال به دلیل برخورداری از جذب سطحی بالا می تواند در فرآیندهای مختلف تصفیه آب مورد استفاده قرار گیرد. هر گرم کربن فعال، از سطح تماسی بین 500 تا 1500 مترمربع با مواد دیگر برخوردار بوده و بطور متوسط توانایی حذف حدود 0.1 گرم از آلاینده ها را از آب دارد که البته این مقدار برای آلاینده های مختلف کمی متفاوت است. توانایی حذف آلاینده های مختلف توسط یک گرم کربن فعال در جدول زیر آورده شده است:
|
Typical Adsorption Capacity (mg/g AC) |
Contaminant |
| 200-400 |
Phenol (organic pollutant) |
| 200-600 |
Methylene Blue (dye) |
| 150-350 |
Rhodamine B (dye) |
|
20-150 |
Lead (Pb²⁺) |
|
10-100 |
Cadmium (Cd²⁺) |
|
30-200 |
Chromium (Cr⁶⁺) |
|
5-50 |
Arsenic (As³⁺ / As⁵⁺) |
|
200-500 |
Benzene / Toluene (VOCs) |
|
100-400 |
Chloroform (THM) |
|
100-500 |
Chlorine (disinfection by-product control) |
|
50-150 |
Atrazine (pesticide) |
|
10-80 |
Ammonia (NH₃/NH₄⁺) |
|
50-250 |
Hydrogen sulfide (H₂S, gas) |
| 50-150 |
Carbon dioxide (CO₂, gas) |
از مهمترین موارد کاربرد کربن فعال در تصفیه آب می توان به موارد زیر اشاره نمود:
یکی از پر کاربردترین استفاده های کربن فعال، حذف "کلر" از آب است. این موضوع مخصوصاً بعد از کلرزنی آب در مصارف بهداشتی و همچنین در پیش تصفیه سیستم های تصفیه آب اسمز معکوس (RO) از اهمیت بالایی برخوردار است.
حذف کلر از آب توسط کربن فعال، بوسیله اکسید شدن کربن توسط کلر طبق واکنش زیر انجام می شود:
Cl2 + H2O + C* => 2HCl + C*O
که در آن C نشاندهنده کربن و C*O نشاندهنده کربن اکسیده شده هستند.
واکنش فوق خیلی سریع و فوری انجام شده و کلر باقیمانده خروجی فرآیند معمولاً کمتر از 0.05ppm خواهد بود.
از کربن فعال برای حذف کلرآمین آب هم می توان استفاده کرد. البته زمان واکنش و حذف کلرآمین از آب توسط کربن فعال بسیار آهسته تر از حذف کلر است. حذف کلرآمین از آب توسط کربن فعال در واکنش اکسیداسیون دو مرحله ای زیر انجام می گیرد:
NH2Cl + H2O + C+ => NH3 + HCl + C*O
2NH2Cl + C*O => N2 + 2HCl + H2O + C*
طبق واکنش های فوق، در فرآیند حذف کلرامین توسط کربن فعال، مقداری آمونیاک تولید می شود.
مواد آلی محلول در آب که معمولاً با شاخص TOC اندازه گیری می شود، با مکانیزم جذب سطحی (adsorption) توسط کربن فعال از آب حذف می شوند. از آنجاییکه سطح کربن فعال، آب گریز (hydrophobic) و روغن دوست (oleophilic) است، مواد آلی را خیلی خوب به خود جذب می کند.
ظرفیت جذب مواد آلی توسط کربن فعال به عوامل مختلفی از جمله دما، pH، نوع و غلظت مواد آلی بستگی دارد. لذا پیش بینی دقیقی نمی توان داشت. اما بطور متوسط بین 25% تا 80% مواد آلی توسط کربن فعال از آب حذف می شوند.
کیفیت و مشخصات فنی کربن فعال با چند پارامتر بیان می شود که مهمترین آنها عبارتند از:
مش دانه بندی کربن فعال معمولاً بصورت حاصلضرب دو عدد نشان داده می شود (به عنوان مثال 30*8). اندازه مش با اندازه دانه بندی بر حسب میلیمتر رابطه معکوس دارد. یعنی هر چه اعداد مش بزرگتر باشند، دانه بندی ریز می شود و بالعکس.
برای تبدیل مش به میلیمتر می توان از جدول زیر استفاده نمود:
|
Opening (mm) |
U.S. Mesh Size |
|
4.75 |
4 |
|
3.35 |
6 |
|
2.36 |
8 |
|
1.70 |
12 |
|
1.18 |
16 |
|
0.85 |
20 |
|
0.60 |
30 |
|
0.425 |
40 |
|
0.300 |
50 |
|
0.212 |
70 |
|
0.177 |
80 |
|
0.150 |
100 |
|
0.075 |
200 |
|
0.044 |
325 |
مش دانه بندی متداول کربن اکتیو گرانول (GAC) در تصفیه آب معمولاً یکی از سه نوع زیر است:
- mesh: 8×30 (0.6 – 2.36 mm)
- mesh:12×40 (0.425 – 1.7 mm)
- mesh:20×50 (0.3 – 0.85 mm)
هرچه عدد مش یک کربن اکتیو بزرگتر باشد، دانه بندی ریزتر شده و به تبع آن میزان جذب سطحی و حذف آلاینده ها بیشتر می شود. اما افت فشار در ستون کربن نیز بیشتر خواهد بود.
برعکس، هرچه عدد مش یک کربن اکتیو کوچکتر و دانه بندی آن درشت باشد، جریان آب راحت تر و بهتر از ستون کربن عبور می کند. اما راندمان حذف آلاینده ها کمی کاهش می یابد.
شکل زیر، مقایسه و کاربرد مش های مختلف کربن فعال در تصفیه آب و پساب را نشان می دهد:
یکی از مهمترین پارامترهای کیفی کربن فعال، عدد یدین است. این پارامتر نشاندهنده میزان تخلخل های میکروسکوپی ریز کوچکتر از 2 نانومتر (Micropore) موجود در دانه های کربن فعال است. هر چه عدد یدین کربن فعال بالاتر باشد، از توان جذب سطحی ذرات و مولکول های ریز بیشتری برخوردار است.
بازه معمول عدد یدین بین 1200-500 mg/g بوده و بازه مناسب برای کاربردهای تصفیه آب بین 1100-900 mg/g است.
عدد متیلن بلو (MB) مانند عدد یدین، نشاندهنده توان جذب سطحی کربن فعال است. با این تفاوت که توان جذب ذرات بزرگتر را نشان می دهد. پارامتر MB میزان تخلخل های درشت بین 2 تا 50 نانومتر (Mesopore) موجود در دانه های کربن فعال را بیان کرده که توانایی جذب سطحی ذرات و مولکول های درشت مواد آلی را دارند.
بازه عدد MB قابل قبول کربن فعال برای تصفیه آب بین 400-100 mg/g می باشد.
سختی کربن فعال نشاندهنده استحکام مکانیکی دانه ها در مقابل سایش و شکستگی است. هر چه سختی کربن فعال بیشتر باشد، طول عمر آن بیشتر بوده و بر اثر فشار سرویس و بک واش کمتر خرد شده و خاک کربن کمتری تولید می کند. خرد شدن کربن در فیلترها باعث ایجاد گرفتگی و افت فشار شده و همچنین مقداری از کربن خرد شده بتدریج از فیلتر خارج می شود.
سختی مناسب برای کربن فعال گرانول (GAC) بین 85% تا 95% می باشد.
پیش از محاسبه حجم مورد نیاز کربن فعال و ابعاد فیلتر، لازمست تا یک مفهوم مهم به نام EBCT (Empty Bed Contact Time) توضیح داده شود. پارامتر EBCT مدت زمان لازم برای حذف یک آلاینده در فیلتر با عبور آب از بستر مدیا (مانند کربن فعال) بوده و با واحد دقیقه بیان می شود.
فرمول مربوط به تعریف EBCT عبارت است از:
EBCT (minutes) = Bed Volume (L) / Flow Rate (L/min)
که در آن Bed Volume حجم کربن فعال موجود در فیلتر و Flow Rate دبی آب عبوری از فیلتر است.
باید توجه داشت که EBCT هر ماده ای که قرار است از آب توسط کربن فعال حذف شود، با ماده دیگر متفاوت بوده و EBCT برای هر آلاینده ای، عدد مخصوص به خود آن است.
برای محاسبه ابعاد و حجم کربن مورد استفاده در یک فیلتر کربنی می توان از جدول زیر برای EBCT مواد مختلفی که با کربن فعال از آب جدا می شوند به عنوان راهنما استفاده کرد:
|
Flow Rate (gpm/ft2) |
EBCT (minute) |
Contaminant to be removed |
|
10-15 |
1-2 |
Free Chlorine |
|
6 |
3-4 |
Chloramine |
|
1.0-1.4 |
5-6 |
Organics |
|
0.7-0.9 |
8-10 |
Toxic Organics |
|
1.0-1.4 |
7-10 |
PFAS |
همچنین ملاحظات زیر نیز می بایست در نظر گرفته شود:
- ارتفاع ستون فیلتر کربن برای عملکرد بهینه در مصارف کوچک و نیمه صنعتی می بایست بین 75 تا 90 سانتیمتر در نظر گرفته شود.
- حدود 25% - 40% فضای بالای ستون فیلتر در کربن باید خالی باشد تا در زمان بک واش فضای کافی برای انبساط و خروج ذرات معلق درگیر شده در ستون کربن فعال وجود داشته باشد.
- دانسیته کربن فعال گرانول در محاسبات حدوداً 0.5 kg/lit در نظر گرفته شود. (در صورت مشخص بودن، از پارامتر ارائه شده توسط تولید کننده کربن فعال استفاده شود.)
مثال (1): یک فیلتر کربنی برای حذف کلر از آب با دبی متوسط 2 مترمکعب بر ساعت طراحی کنید.
ابتدا با استفاده از جداول فوق، حداقل و حداکثر حجم کربن مورد نیاز با استفاده از فرمول زیر که در بخش تعریف EBCT بیان شد، محاسبه می شود:
EBCT (minutes) = Bed Volume (L) / Flow Rate (L/min)
در حالت EBCT=1 min
1min=BV (lit)/(2000/60) (lit/min) => BV=33 lit
در حالت EBCT=2 min
2min=BV (lit)/(2000/60) (lit/min) => BV=66 lit
بنابراین برای حذف کلر در آب در دبی 2 مترمکعب بر ساعت به کربن فعال با حجم 33 تا 36 لیتر نیاز است.
با درنظر گرفتن حداقل ارتفاع 75 سانتیمتر برای ارتفاع کربن، حداکثر قطر فیلتر کربنی محاسبه می شود:
برای 33 لیتر کربن فعال
33 lit = 33,000 cm3=3.14*(D2/4)*75 cm => D=23 cm=9.5 in
برای 66 لیتر کربن فعال
66 lit = 66,000 cm3=3.14*(D2/4)*75 cm => D=33 cm=13.18 in
بنابراین، قطر مخزن باید بین 9.5 تا 13.8 اینچ باشد.
برای مخازن FRP سایز استاندارد بین 9.5 تا 13.8 اینچ و با در نظر گرفتن حداقل 30% فضا برای انبساط در زمان بک واش و دانسیته 0.5kg/lit، حداکثر مقدار کربن مورد استفاده در جدول زیر محاسبه و آورده شده است:
|
Max GAC Weight (kg) |
Volume (Lit) |
Tank Size (Diameter * Height) (inch) |
| 23 | 61 |
54*10 |
|
30 |
78 |
48*12 |
|
32 |
85 |
52*12 |
|
40 |
105 |
54*13 |
بک واش بموقع و صحیح فیلتر کربنی، اثر زیادی روی کارکرد مناسب و طول عمر کربن فعال موجود در فیلتر دارد. در صورت عدم بک واش بموقع، احتمال به وجود آمدن مشکلات زیر وجود خواهد داشت:
- عدم عملکرد مناسب فیلتر به دلیل ایجاد لایه آلودگی در بخش بالای ستون کربن
- کاهش ظرفیت به دلیل رسوب ذرات خارجی روی دانه های کربن فعال
- نشتی آلودگی ها و ذرات از داخل فیلتر به آب خروجی
- افزایش احتمال آلودگی میکروبی در داخل فیلتر کربنی
- فشرده شدن بیش از حد دانه های کربن فعال در ستون فیلتر و کاهش عملکرد آنها
- افت فشار و آبدهی در خروجی فیلتر
- ایجاد فشار و آسیب دیدگی شیر فیلتر
در خصوص تعیین پارامترهای بک واش فیلتر کربنی، لازمست تا موارد زیر در نظر گرفته شود:
- همانطور که اشاره شد، بین %25 تا 40% فضای خالی بالای ستون کربن باید در نظر گرفته شود تا فضای کافی برای انبساط ستون کربن و خروج ذرات معلق درگیر شده وجود داشته باشد.
- حجم آب مورد نیاز برای بک واش باید حداقل دو برابر حجم ستون کربن داخل فیلتر باشد.
- مدت زمان بک واش باید حداقل 5 دقیقه در نظر گرفته شود.
- وجود فیلتر پیش تصفیه قبل از فیلتر کربنی، باعث افزایش بازه زمانی بین دو بک واش در فیلتر کربنی خواهد شد.
- با افزایش دمای آب، دبی بک واش مورد نیاز افزایش می یابد.
- دبی مورد نیاز بک واش برای مش های مختلف کربن فعال با یکدیگر متفاوت هستند. هرچه سایز مش دانه های کربن فعال کوچکتر (اندازه دانه ها درشت تر) باشد، دبی مورد نیاز بک واش هم بیشتر خواهد بود. در جدول زیر، پیشنهاد دبی بک واش مورد نیاز، فضای خالی مورد نیاز بالای ستون کربن و مدت زمان بک واش بر اساس سایز دانه بندی کربن آورده شده است:
|
Backwash Duration (minutes) |
Bed Expansion |
Backwash Flow Rate (gpm/ft²) |
Mesh |
|
10-20 |
40%-25% |
12.3-20.5 |
Coarse GAC mesh: 8-16 1.0-2.4mm |
|
10-20 |
35%-20% |
8.2-14.3 |
Medium GAC mesh: 16-40 0.4-1.0mm |
|
10-30 |
30%-15% |
4.1-10.2 |
Fine GAC / fines mesh: 40-100 <0.4mm |
نکته: برای تبدیل واحد در حل مسائل با واحدهای متریک، می توان از رابطه تبدیل زیر استفاده کرد:
1gpm/ft² = 2.44475 m/h
مثال (2): پارامترهای بک واش فیلتر کربنی طراحی شده در مثال (1) محاسبه شود.
فرض ها:
- مخزن سایز 10” * 54”
- کربن فعال با مش 8 * 30
با توجه به جدول بک واش و مش کربن فعال استفاده شده، نرخ 16 gpm/ft2 معادل 39 m3/hr برای بک واش فیلتر در نظر می گیریم.
سطح مقطع مخزن با قطر 10 اینچ با روش زیر محاسبه می شود:
A=3.14*(10)2/4=78.5 in2 = 0.05 m2
دبی بک واش نیز با روش زیر محاسبه می شود:
Q (m3/hr) = 39 m/hr * 0.05 m2 = 1.95 m3/hr
همانطور که اشاره شد، حجم آب مورد نیاز برای بک واش باید حداقل دو برابر حجم ستون کربن داخل فیلتر باشد. میخواهیم از این موضوع مطمئن شویم.
طبق جدول مثال (1) برای مخزن 54*10 مقدار 23 کیلوگرم کربن فعال در نظر گرفته شده که حجم آن حدوداً 46 لیتر می شود. پس حجم آب مرود نیاز بک واش حداقل باید 2 برابر این حجم، یعنی 92 لیتر باشد.
اگر مدت زمان حداقلی 5 دقیقه برای بک واش در نظر گرفته شود، با دبی محاسبه شده می توان حجم آب عبوری را به دست آورد:
1.95m3/hr * 5 min * (1/60) hr/min = 0.16 m3 = 160 lit
یعنی اگر دبی بک واش 1.95 m3/hr بوده و مدت زمان بک واش 5 دقیقه طول بکشد، 160 لیتر آب از داخل فیلتر عبور می کند که از حداقل مورد نیاز 92 لیتر بیشتر و قابل قبول است.
با توجه به محاسبات فوق، پارامترهای بک واش بصورت زیر تعیین شدند:
- دبی بک واش: 1.95m3/hr
- مدت زمان بک واش: 5 دقیقه
نظرات