کربن اکتیو و استفاده آن در فیلتر

کربن اکتیو و استفاده آن در فیلتر

تئوری جذب

جذب به طور کلی عبارت است از فرآیندی برای جمع آوری مواد حل شونده در یک محلول که این مواد در یک سطح مشترک قرار دارند. منظور از سطح مشترک لایه نازکی است که مابین دوفاز تشکیل می شود که از طریق این لایه عمل انتقال جرم و جذب انجام می شود. این سطح مشترک می تواند مابین فاز مایع – گاز، مایع – مایع و مایع – جامد باشد که در مورد جذب توسط کربن این لایه بین فاز مایع وجامد تشکیل می شود.

می توان جذب مولکول ها توسط یک ماده جاذب را توسط واکنش تعادلی زیر نمایش داد:

A .B        A+B

که در این معادله A ماده جذب کننده ، B ماده جذب شونده وB A. مجموع این دو ماده می باشد ماده جذب شونده توسط نیروهای شیمیایی مختلفی در سطح ماده جاذب جذب می شود که برخی از این نیروها عبارتند از :

نیروهای هیدروژنی – نیروهای قطبی و نیروهای واندروالس اگر واکنش انجام شده برگشت پذیر باشد مانند آنچه در مورد جذب توسط کربن اتفاق می افتد. مولکول جذب شونده در سطح ماده جذب کننده جمع می شود تا موقعیکه سرعت واکنش به سمت راست با سرعت برگشت آن یکسان شود که در این موقع عمل جذب پایان یافته است.

شناخت کربن اکتیو :

• روش تولید کردن

روش تهیه این ماده بدین صورت می باشد که ابتدا موادی مانند چوب یا ذغال سنگ را با حضور هوا تا دمای حدود ۷۰۰ درجه سانتی گراد حرارت می دهند این حرارت باعث می شود تا بعضی از مواد هیدروکربنی از چوب خارج شده و این ماده به شکل ذغال در می آید سپس ذغال به دست آمده را در معرض گازهای اکسید کننده مانند بخار و CO_۲ تا دمای ۸۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتیگراد قرار می دهند که این گاز یک ساختمان منفذ دار در ذغال به وجود می آورد ایجاد منافذ به دلیل افزایش سطح موثر کربن می باشد.

موارد استفاده از کربن :

از کربن اکتیو می توان برای گرفتن رنگ ومزه آب ، کلر موجود در آب ونیز اکثر مواد آلی موجود در آب چه آنهایی که سبب رنگ ومزه می باشند و چه مواد آلی دیگر استفاده کرد البته میزان جذب برای هر کدام از این مواد متفاوت است

خواص فیزیکی کربن :

   شکل ظاهری

شکل ظاهری کربن های گرانولی نامشخص است ولی در بعضی موارد خاص کربن هایی با اشکال خاص تولید می شوند که می توان از این موارد به کربن به شکل استوانه ای اشاره کرد که این کربن در ایران به کربن مدادی معروف می باشد ویکی از تولید کننده های عمده این نوع کربن کانادا می باشد در ضمن این نوع کربن برای تصفیه آب بهتر است در ضمن شکل ظاهری در شستشو بسترهای کربن موثر می باشد.

Particle size

این فاکتور به دلیل تاثیر در میزان جذب توسط کربن یکی از پارامترهای بسیار مهم می باشد دو سایز بسیار متداول که در فیلترها و ستون های جذب از آنها استفاده می شود دوسایز۸*۳۰ mesh و ۱۲*۴۰mesh می باشد که معمولا از سایز ۸*۳۰ در ستون های down flow و از سایز ۱۲*۴۰ در ستون های up flow استفاده می شود که سایز ۱۲*۴۰ دارای محدوده از ۰.۴۲^mm تا ۱.۶۸^mm و کربن ۸*۳۰ دارای محدوده قطری از ۰.۵۹^mm تا ۲.۳۸ می باشد.

Apparent density

این دانسیته عبارت است از جرم کربن دانه بندی نشده خشک به ازای واحد حجم کربن که فضای خالی مابین دانه های کربن را نیز شامل می شود مقدار این دانسیته مابین ۳۵۰_kg/m3  تا ۵۰۰_kg/_m3 (۲۵ to 31 1_B/FT3)   می باشد.

The particle density wetted in water

این پارامتر عبارت است از جرم کربن جامد به اضافه جرم آبی که لازم است تا سوراخهای داخلی کربن را پر کند به ازای واحد حجم کربن. محدوده این دانسیته برای کربن گرانولی از ۱۳۰۰_kg/m3  تا ۱۵۰۰_kg/m3 می باشد.

مکانیزم جذب توسط کربن

به طور کلی گرفتن مواد آلی توسط جذب شامل چند مرحله می باشد که هر کدام به گونه ای در میزان جذب موثر می باشند این مراحل عبارتند از:

• انتقال از توده محلول

ماده جذب شونده از توده محلول به لایه مرزی که اطراف ماده جذب کننده تشکیل شده منتقل می شود این لایه همان سطح مشترکی می باشد که قبلا توضیح داده شد.

• انتقال از لایه نازک

ماده جذب شونده توسط نفوذ مولکولی از لایه تشکیل شده در اطراف ماده جذب کننده که به واسطه عبور آب از اطراف آن تشکیل شده عبور می کند ضخامت این لایه و نیز زمان انجام این مرحله به سرعت اب بستگی دارد هرچه سرعت عبور آب بیشتر باشد این فاصله زمانی و ضخامت لایه کمتر می شود.

• پس از اینکه مولکول جذب شونده از لایه هیدرودینامیکی عبور کرد باید در منافذ ماده جذب کننده مانند کربن نفوذ کند تا به سایت های فعال برسد که این عمل ممکن است با نفوذ مولکولی از محلول به منافذ ، یا با نفوذ از سطح ماده جذب کننده انجام شود .
• پس از اینکه مولکول جذب شونده به واسطه نفوذ خود به سایت های فعال و نیزعمل جذب فیزیکی توسط نیروهایی که قبلا توضیح داده شده اتفاق می افتد.

با توجه به مراحل فوق می توان به اهمیت particle size    و molecular size  که باید در طراحی فرآیند در نظر گرفت پی برد.

فیلترهای کربن اکتیو

به طور کلی فیلترهای کربن می توانند به دو صورت فیلترهای ثقلی و تحت فشار طراحی شوند. در مورد فیلترهای تحت فشار که معمولا ستونهایی با بستر ثابت هستند می توان آب ورودی را از دو جهت وارد فیلتر کرد حالت اول جریان از بالا به پایین می باشد که این حالت اصطلاحا down flow نامیده می شود و فیلترهایی که به این شکل عمل می کنند به down flow معروف می باشند حالت بعدی جریان سیال از پایین به بالاست که فیلترها به upflow columns  معروف می باشند در صنعت نوع متداول down flow می باشد که بحث در این بخش در مورد این نوع فیلترها می باشد. برای ستون های با بستر ثابت و جریانdown flow، سایز کربن مورد استفاده همانطورکه قبلا نیزگفته شد کربن۸*۳۰ mesh     می باشد. در صورتیکه برای فیلترهای up flow از کربن ۱۲*۴۰ معمولا استفاده می شود. در مورد این فیلترها ارتفاع ستون باید طوری طراحی شود تا اجازه لازم برای%۵۰ انبساط بستر کربن را بدهد. افت فشار در هنگام عمل در بسترهای کربن به سایز کربن و نیز سرعت عبور آب بستگی دارد که این مقدار معمولا کمتر از۱ ^psi به ازای هر فوت از بستر می باشد برای فیلترهای down flow سرعت فیلتراسیون از ۲ تا ۵ _gpm/ft^۲ که بر اساس این اعداد می توان سایز مخزن را محاسبه کرد. در ضمن ارتفاع بستر کربن در فرآیند کلرگیری حداقل ^cm۷۵ و در مورد گرفتن مواد آلی حداقل ^cm۱۵۰ می باشد که معمولا در مورد فیلترها، ارتفاع بستر ثابت است و قطر تغییر می کند.

شستشوی فیلترهای کربن اکتیو

در مورد شستشوی کربن اکتیو باید به این نکته توجه کرد که خواص کربن با دیگر بسترهای معمولی مانند شن و آنتراسیت متفاوت است و در نتیجه احتیاط های خاصی در موقعback wash  این فیلترها لازم است به دلیل چگالی کمتر کربن نسبت به مواد قبلی باید سرعت back wash  کمتر باشد تا بتوان بستر کربن را fluidize  کرد ولی این سرعت کم شکل دیگری به وجود می آورد و آن هم بازدهی کم عمل back wash   به صورت فقط آب می باشد در ضمن تشکیل گلوله های گل و خاک در بستر کربن از جمله مسائل اساسی در فیلترهای کربن می باشد در نتیجه با توجه به دلایل فوق برای back wash  فیلترهای کربن توصیه می شود علاوه بر آب از شستشو دهنده های سطح یا از یک منبع هوا و یا گاز همزمان استفاده می شود. شستشو دهنده های سطحی وسایلی هستند که بازدهی بسیار خوبی در شستشوی فیلترها بخصوص فیلترهای کربن دارند این وسایل لوله هایی هستند که یا به طور ثابت و یا به صورت چرخان به اندازه ۲.۵ تا ^cm۵ بالای بستر قرار می گیرند که در روی این لوله ها اوریفسها یا نازل هایی به قطر ۲ تا ^mm۳ و با زاویه ۱۵ تا ۴۵ درجه زیرافق تعبیه شده است که این نازل ها آب را به صورت جت وارد بستر می کنند هنگام back wash فیلترها آب را ۱ تا ۲ دقیقه قبل از انجام کار وارد این وسایل می کنند پس عمل back wash را از پایین شروع می کنند که نتیجه این عمل این است که آب هم از پایین بستر را می شوید و هم به صورت جت وارد بستر می شود ۱ تا ۲ دقیقه قبل از پایان عمل جریان آب را در شستشو دهنده های سطح قطع می کنند سرعت back wash برای بسترهای کربن در محدوده ۸-۱۵^gpm/_ft2 می باشد. در زیر نمونه هایی از این شستشو دهنده های سطح آورده شده

احیاء کربن اکتیو

در مورد احیاء کربن اکتیو راههای مختلفی است که در زیر به آنها اشاره می شود

• عبور بخار با فشار کم از بستر کربن که این عمل سبب تبخیر حلالهای سبک از روی سطح کربن می شود.
• از بین بردن مواد جذب شده روی سطح کربن توسط یک حلال می باشد یعنی با توجه به ماده جذب شده حلال مناسب انتخاب و استفاده گردد.
• استفاد ه از روش حرارتی احیاء که این روش توسط کوره انجام می شود.
• در این روش کربن را در معرض گاز های اکسید کننده قرار می دهند .

لازم به ذکر است که پس از هر مرحله احیاء ۵ تا %۱۰ از ظرفیت کربن از بین می رود که پس از چند بار احیاء کربن باید با کربن تازه تعویض شود.

در صنعت بیشتر از روش حرارتی احیاء استفاده می شود که این روش را می توان در چهار مرحله زیر خلاصه کرد:

• خشک کردن که شامل از بین بردن مواد آلی بسیار فرار در دمای بالای^۰C۲۰۰ می شود.
• تبخیر مواد آلی و نیز تبدیل مواد ناپایدار سنگین تر به شکل مواد فرار در دمای بین ۲۰۰ تا ^۰C۵۰۰
• تبدیل مواد آلی سنگین و مواد شبه فرار به شکل ترکیبات کربن یا ذغال در روی سطح کربن اکتیو در دمای ۵۰۰ تا ^۰C۷۰۰
• استفاده از بخار یا CO_۲ با دمای بالای ^۰C۷۰۰ برای پیرولیز مواد تشکیل شده از مرحله قبل روی سطح کربن و فعال کردن کربن