مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تصفیه آب با کربن فعال: طراحی، محاسبات، ساخت و اجرا

۱. مقدمه

کربن فعال (Activated Carbon) به دلیل ساختار متخلخل و سطح ویژه بالا، یکی از مؤثرترین روش‌ها برای حذف آلاینده‌های آلی، رنگ، بو، و ترکیبات شیمیایی از آب است. این روش به دو صورت کربن فعال پودری (PAC) و کربن فعال گرانولی (GAC) استفاده می‌شود.

۲. مکانیسم عملکرد

• جذب سطحی (Adsorption): آلاینده‌ها به سطح کربن فعال چسبیده و از آب جدا می‌شوند.

• جذب فیزیکی و شیمیایی: بسته به نوع آلاینده، پیوندهای واندروالسی یا کووالانسی شکل می‌گیرند.

۳. انواع کربن فعال

نوع کاربرد مزایا معایب

پودری (PAC)تزریق مستقیم در آب واکنش سریع، انعطاف‌پذیری بالا نیاز به جداسازی پس از استفاده

گرانولی (GAC)استفاده در فیلترهای ثابت قابلیت احیای مجدد هزینه اولیه بالا

۴. طراحی سیستم کربن فعال

الف. انتخاب نوع کربن

• پارامترهای مؤثر:

  • اندازه منافذ: میکروپور (حذف مولکول‌های کوچک) یا مزوپور (حذت ترکیبات بزرگ).

  • سطح ویژه: هرچه بیشتر، جذب بهتر (معمولاً ۵۰۰–۱۵۰۰ m²/g).

ب. محاسبات کلیدی

۱. ظرفیت جذب کربن:

• بر اساس ایزوترم جذب فروندلیچ یا لانگمیر.

• مثال برای ایزوترم فروندلیچ:

  q = K_f × C^(1/n)  
  q: ظرفیت جذب (mg/g), C: غلظت آلاینده (mg/L), K_f و n: ثوابت تجربی.  

۲. دوز کربن فعال (PAC):

دوز (mg/L) = (غلظت آلاینده (mg/L) × دبی (m³/day)) / (ظرفیت جذب (mg/g) × راندمان)  

• مثال: حذف ۱۰ mg/L فنول با ظرفیت جذب ۲۰۰ mg/g و راندمان ۹۰% → دوز ≈ ۵۵.۵ mg/L.

۳. زمان تماس (GAC):

زمان تماس (دقیقه) = (حجم بستر (L) × تخلخل) / دبی (L/min)  

• زمان تماس معمول: ۱۰–۳۰ دقیقه.

۴. سرعت فیلتراسیون (GAC):

سرعت (m/h) = دبی (m³/h) / سطح مقطع فیلتر (m²)  

• محدوده بهینه: ۵–۱۵ m/h.

ج. ابعاد فیلتر (GAC)

• ارتفاع بستر: معمولاً ۱–۳ متر.

• قطر فیلتر: بر اساس دبی و سرعت فیلتراسیون.

  قطر (m) = (۴ × دبی (m³/h) / (سرعت (m/h) × π))√  

۵. اجرا و تجهیزات

الف. سیستم PAC

• تجهیزات:

  • مخزن ذخیره PAC و پمپ دوزینگ.

  • میکسر سریع برای اختلاط یکنواخت.

• اجرا: تزریق PAC در خط لوله ورودی به مخزن انعقاد.

ب. سیستم GAC

• تجهیزات:

  • فیلترهای فولادی یا FRP با بستر کربن.

  • سیستم شستشوی معکوس (آب + هوا) برای جلوگیری از گرفتگی.

• اجرا:
  ۱. آب از بالا به پایین از بستر کربن عبور می‌کند.
  ۲. پس از اشباع، کربن با حرارت یا مواد شیمیایی احیا می‌شود.

۶. چالش‌ها و مدیریت

• اشباع کربن: پایش مداوم کیفیت خروجی و تعویض به موقع.

• احیای کربن:

  • حرارتی: گرمایش تا ۸۰۰–۱۰۰۰°C در محیط بدون اکسیژن.

  • شیمیایی: شستشو با اسید یا باز.

• دفع کربن مصرفی: سوزاندن در زباله‌سوزهای مجاز یا دفن بهداشتی.

۷. مثال طراحی

شرایط:

• دبی آب: ۵۰ m³/h

• آلاینده: ۵ mg/L ترکیبات آلی (TOC)

• روش انتخابی: فیلتر GAC

محاسبات:

• ظرفیت جذب: ۱۵۰ mg/g (بر اساس ایزوترم فروندلیچ).

• زمان تماس: ۲۰ دقیقه → حجم بستر = (۵۰ m³/h × ۰.۳۳ h) / ۰.۵ (تخلخل) ≈ ۳۳ m³.

• ارتفاع بستر: ۲.۵ متر → سطح مقطع = ۳۳ / ۲.۵ ≈ ۱۳.۲ m².

• قطر فیلتر: (۱۳.۲ × ۴ / π)√ ≈ ۴.۱ متر.

تجهیزات:

• فیلتر FRP با قطر ۴ متر و ارتفاع ۳ متر.

• سیستم شستشوی معکوس با شدت ۱۰ L/m²/s.

۸. پیشرفت‌های نوین

• نانوکربن فعال: افزایش سطح ویژه تا ۳۰۰۰ m²/g با استفاده از نانولوله‌های کربنی.

• کربن فعال بارگذاری‌شده: ترکیب با نانوذرات فلزی (مثل نقره) برای گندزدایی همزمان.

• سیستم‌های هیبریدی: ترکیب GAC با ازون یا UV برای افزایش راندمان.

۹. نتیجه‌گیری

سیستم‌های کربن فعال به دلیل انعطاف‌پذیری و راندمان بالا، گزینه‌ای کلیدی در تصفیه آب هستند. طراحی دقیق بر اساس پارامترهای آلاینده، دبی، و ویژگی‌های کربن، همراه با مدیریت بهینه احیا و تعویض، تضمین‌کننده عملکرد مؤثر سیستم است. استفاده از فناوری‌های نوین مانند نانوکربن می‌تواند هزینه‌ها را کاهش و کارایی را افزایش دهد.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب