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

کربن فعال به عنوان یک جاذب دارای کاربردهای مهم و حیاتی میباشد. این ماده از پیرولیز موادگیاهی حاوی کربن تولید میشود و تحت عملیات فعالسازی قرار میگیرد.

 تولید و بررسی خواص کربن فعال:

کربن فعال به عنوان یک جاذب دارای کاربردهای مهم و حیاتی میباشد. این ماده از پیرولیز موادگیاهی حاوی کربن تولید میشود و تحت عملیات فعالسازی قرار میگیرد.

با توجه به نوع موادخام مصرفی، کربنهای فعال دارای اندازه منفذ و شکلهای متفاوت هستند و از طرفی با توجه به اندازه منفذ و توزیع اندازه دارای کاربردهای گسترده و ویژهای میباشند. در این مقاله مراحل تولید کربن فعال و ساختار منفذی انواع کربن فعال مورد بررسی قرار میگیرد.

کربن فعال به گروهی از مواد اطلاق میشود که مساحت سطح داخلی بالا، تخلخل و قابلیت جذب گازها و مایعات شیمیائی را دارند. کربنهای فعال به عنوان جاذبهای حیاتی در صنایع شناخته شدهاند و کاربردهای گستردهای با توجه به قابلیت جذب گازها و مایعات مزاحم دارند و میتوان از آنها برای تصفیه و پاکسازی و حتی بازیافت موادشیمیائی استفاده نمود.

کربنهای فعال به دلیل ویژگیهای منحصربهفرد و همچنین قیمت پائین در مقایسه با جاذبهای غیرآلی مانند زئولیت از اهمیت ویژهای برخوردار میباشند. کربنهای فعال شده بهدلیل مساحت گسترده آنها، ساختار منفذی، ظرفیت جذب بالا و قابلیت فعالسازی مجدد سطح، یک ماده منحصربه فرد میباشند.

کاربرد مهم و قابل اهمیت آنها در جداسازی بو، رنگ، مزه های غیردلخواه از آب در عملیاتهای خانگی و صنعتی، بازیافت حلال، تصفیه هوا بهویژه در رستورانها، صنایع غذائی و شیمیائی میباشد، همچنین با موادغیرآلی بهعنوان کاتالیست نیز استفاده میشوند. در داروسازی نیز برای مبارزه با یک نوع باکتری خاص مورد استفاده قرار میگیرند و بهعنوان جداکننده اسیدهای آروماتیک از حلال در داخل اسیداستیک نیز میتوان از کربن فعال استفاده کرد.کربنهای فعالشده محصولات پیچیدهای میباشند و به تبع طبقهبندی براساس رفتار، مشخصات سطح و روش آمادهسازی آنها مشکل میباشد، هر چند یکسری طبقهبندی براساس مشخصات فیزیکی آنها انجام شده است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

سابقا استفاده از کربن فعال تنها محدود به تصفیه آبهای آشامیدنی بود. طی دو دهه اخیر به تواناییها و پتانسیلهای این ماده جاذب به منظور استفاده در صنعت تصفیه فاضلاب توجه شده است. در سال 1974 آژانش حفاظت  محیط زیست آمریکا 154 ترکیب آلی را در آب های آشامیدنی به عنوان آلاینده معرفی نمود . تشخیص این ترکیبات توام با تعداد بسیار زیادی از آلاینده های غیر آلی مسئله مهمی است که مورد توجه این آژانس قرار گرفته است.

امروزه هنوز دستیابی به روشهای اقتصادی تصفیه آب و فاضلاب یکی از بحثهای مهم در بین متخصصین این امر می باشد. همچنانکه قبلا به آن اشاره شد استفاده از کربن فعال طی دهه اخیر در صنعت تصفیه فاضلاب مورد توجه قرار گرفته است. جذب رنج وسیعی از آلاینده ها با استفاده از کربن فعال گرانولی(GAC ) با موفقیت انجام شده است.با این وجود استفاده از GAC معمولا با مسائل از قبیل هزینه های سرمایه گزاری و بهره برداری همراه است(Wang et al., 2005).

در صنعت آب فرآیند جذب سطحی به انتقال جرم از یک فاز مایع به یک فاز جامد اطلاق می شود. در این فرآیند ماده جذب شونده (adsorbate) ماده ای است که در حد فاصل فاز جامد و مایع از فاز مایع حذف می شود. و ماده جاذب (adsorbent) می تواند یک فاز جامد، گاز یا مایع باشد که ماده جذب شونده را در خود تجمع می دهد.


هر چند جذب سطحی برای فرآیند شناور سازی (flotation) که گاز و مایع در مجاورت هم قرار می گیرد هم می تواند بکار رود اما هدف این فرایند در صنعت آب جذب سطحی در تماس فاز جامد- مایع است.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

کربن فعال به عنوان یک جاذب دارای کاربردهای مهم و حیاتی میباشد. این ماده از پیرولیز موادگیاهی حاوی کربن تولید میشود و تحت عملیات فعالسازی قرار میگیرد.

تولید و بررسی خواص کربن فعال:
کربن فعال بهعنوان یک جاذب دارای کاربردهای مهم و حیاتی میباشد. این ماده از پیرولیز موادگیاهی حاوی کربن تولید میشود و تحت عملیات فعالسازی قرار میگیرد.

با توجه به نوع موادخام مصرفی، کربنهای فعال دارای اندازه منفذ و شکلهای متفاوت هستند و از طرفی با توجه به اندازه منفذ و توزیع اندازه دارای کاربردهای گسترده و ویژهای میباشند. در این مقاله مراحل تولید کربن فعال و ساختار منفذی انواع کربن فعال مورد بررسی قرار میگیرد.

کربن فعال به گروهی از مواد اطلاق میشود که مساحت سطح داخلی بالا، تخلخل و قابلیت جذب گازها و مایعات شیمیائی را دارند. کربنهای فعال بهعنوان جاذبهای حیاتی در صنایع شناخته شدهاند و کاربردهای گستردهای با توجه به قابلیت جذب گازها و مایعات مزاحم دارند و میتوان از آنها برای تصفیه و پاکسازی و حتی بازیافت موادشیمیائی استفاده نمود. کربنهای فعال بهدلیل ویژگیهای منحصربهفرد و همچنین قیمت پائین در مقایسه با جاذبهای غیرآلی مانند زئولیت از اهمیت ویژهای برخوردار میباشند. کربنهای فعال شده بهدلیل مساحت گسترده آنها، ساختار منفذی، ظرفیت جذب بالا و قابلیت فعالسازی مجدد سطح، یک ماده منحصربهفرد میباشند. کاربرد مهم و قابل اهمیت آنها در جداسازی بو، رنگ، مزههای غیردلخواه از آب در عملیاتهای خانگی و صنعتی، بازیافت حلال، تصفیه هوا بهویژه در رستورانها، صنایع غذائی و شیمیائی میباشد، همچنین با موادغیرآلی بهعنوان کاتالیست نیز استفاده میشوند. در داروسازی نیز برای مبارزه با یک نوع باکتری خاص مورد استفاده قرار میگیرند و بهعنوان جداکننده اسیدهای آروماتیک از حلال در داخل اسیداستیک نیز میتوان از کربن فعال استفاده کرد.کربنهای فعالشده محصولات پیچیدهای میباشند و به تبع طبقهبندی براساس رفتار، مشخصات سطح و روش آمادهسازی آنها مشکل میباشد، هر چند یکسری طبقهبندی براساس مشخصات فیزیکی آنها انجام شده است.

۱. کربن فعال پودری (دارای اندازهای کمتر از ۱۰۰ نامومتو و میانگین قطری بین ۱۵ تا ۲۵ میکرومتر)
۲. کربن فعال گرانولی (دارای اندازهای بزرگتر از کربن فعال شده پودری میباشد)
۳. کربن فعال کروی
۴. کربن تزریق شده
۵. کربن روکش شده با پلیمرها

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

زغال فعال شده چیست؟
اصطلاح زغال فعال شده نشان دهنده یک سری از مواد جذب کننده سطحی , با جنسی زغالی و شکل کریستالی می باشد که در ساختار داخلی آن روزنه های زیادی وجود دارد.
زغال فعال شده دارای کاربردهای زیادی است, از جمله مصارف آن:
- تصفیه آبها ( آب شرب, آب آکواریومها, آبهای صنعتی), از نظر رنگ و بو و طعم
- رنگزدایی از قند و شکر
- بازیافت طلا
- بهسازی رنگ و طعم در نوشیدنی ها و آب میوه ها
- استفاده در دستگاههایی مثل: تصفیه کننده های هوا, خوش بو کننده ها, تصفیه کننده های صنعتی و ...
- ....
 

تولید زغال فعال شده
اصول و فنون گوناگونی در ساخت و تولید زغالهای فعال شده وجود دارد که به 3 اصل بستگی دارد:
- نوع ماده اولیه
- مشخصات فیزیکی مورد نظر برای محصول (زغال فعال شده)
- مشخصات جذبی برای کاربردهای مختلف
شیوه های فعالسازی که بیشتر در تولیدات تجاری بکار میرود عبارتند از:
فعال سازی شیمیایی،فعال سازی توسط بخار
 

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

در مطالعات جذب سطحی بر روی سیلیکاژل و کربن فعال ، اثرات الک مولکولی با موادی که جرم مولکولی بالایی دارند، مشاهده شده است. جداسازی‌های مبتنی بر الک کردن مولکولی را می‌توان بر روی اجسام بی‌بار در جریان مهاجرت الکترو اسمزی از داخل ژل‌ها انجام داد. این اساس جداسازی‌هایی را که مبتنی بر اندازه‌های نسبی مولکول‌ها هستند، تشکیل می‌دهند و از اصطلاح صاف کردن بوسیله ژل استفاده می‌شود.
سیر تحولی و رشد در سال 1954 ، "مولد وسینچ" نشان دادند که جداسازی‌ها مبتنی بر الک کردن مولکولی را می‌توان بر روی اجسام بی‌بار از داخل ژل‌ها انجام داد. در سال 1959 "پورات" و "فلودین" ، اصل معینی را ارائه دادند و از اصطلاح ، صاف کردن بوسیله ژل برای شرح روش خودشان در مورد جداسازی مواد مولکول‌هایی با منشاء زیستی در سیستم‌های آبی بوسیله ژل‌های پلی‌ساکارید استفاده کردند.

ولی "دترمان" در سال 1964 پیشنهاد کرد که کروماتوگرافی ژلی ( Gel Cromatography ) ، عمومی‌ترین اسم برای این شیوه است.
نکات قابل توجه این روش در کروماتوگرافی ژلی ، فاز ساکن از یک قالب بسپار متخلخل تشکیل شده است که منفذهای آن بوسیله حلالی که به عنوان فاز متحرک بکار می‌رود، کاملا پر شده است. اندازه سوراخ بسیار مهم است چون اساس جدایی بر این است که مولکولی‌های بزرگتر از یک اندازه معین اصلا وارد سوراخ‌ها نشوند و تمام یا قسمتی از سوراخ‌ها برای ورود مولکول‌های کوچکتر آماده است. جریان فاز متحرک موجب می‌شود که مولکول‌های بزرگتر بدون برخورد با مانعی ، بدون نفوذ در قالب ژل از ستون عبور کنند، در حالی‌که مولکول‌های کوچک‌تر بر حسب شدت نفوذ آنها در ژل در ستون نگه داشته می‌شوند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

تولید و بررسی خواص کربن فعال:

کربن فعال به‌عنوان یک جاذب دارای کاربردهای مهم و حیاتی می‌باشد. این ماده از پیرولیز موادگیاهی حاوی کربن تولید می‌شود و تحت عملیات فعال‌سازی قرار می‌گیرد.
با توجه به نوع موادخام مصرفی، کربن‌های فعال دارای اندازه منفذ و شکل‌های متفاوت هستند و از طرفی با توجه به اندازه منفذ و توزیع اندازه دارای کاربردهای گسترده و ویژه‌ای می‌باشند. در این مقاله مراحل تولید کربن فعال و ساختار منفذی انواع کربن فعال مورد بررسی قرار می‌گیرد.
 
● مقدمه

کربن فعال به گروهی از مواد اطلاق می‌شود که مساحت سطح داخلی بالا، تخلخل و قابلیت جذب گازها و مایعات شیمیائی را دارند. کربن‌های فعال به‌عنوان جاذب‌های حیاتی در صنایع شناخته شده‌اند و کاربردهای گسترده‌ای با توجه به قابلیت جذب گازها و مایعات مزاحم دارند و می‌توان از آنها برای تصفیه و پاکسازی و حتی بازیافت موادشیمیائی استفاده نمود. کربن‌های فعال به‌دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد و همچنین قیمت پائین در مقایسه با جاذب‌های غیرآلی مانند زئولیت از اهمیت ویژه‌ای برخوردار می‌باشند. کربن‌های فعال شده به‌دلیل مساحت گسترده آنها، ساختار منفذی، ظرفیت جذب بالا و قابلیت فعال‌سازی مجدد سطح، یک ماده منحصربه‌فرد می‌باشند. کاربرد مهم و قابل اهمیت آنها در جداسازی بو، رنگ، مزه‌های غیردلخواه از آب در عملیات‌های خانگی و صنعتی، بازیافت حلال، تصفیه هوا به‌ویژه در رستوران‌ها، صنایع غذائی و شیمیائی می‌باشد، همچنین با موادغیرآلی به‌عنوان کاتالیست نیز استفاده می‌شوند. در داروسازی نیز برای مبارزه با یک نوع باکتری خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند و به‌عنوان جداکننده اسیدهای آروماتیک از حلال در داخل اسیداستیک نیز می‌توان از کربن فعال استفاده کرد.کربن‌های فعال‌شده محصولات پیچیده‌ای می‌باشند و به تبع طبقه‌بندی براساس رفتار، مشخصات سطح و روش آماده‌سازی آنها مشکل می‌باشد، هر چند یک‌سری طبقه‌بندی براساس مشخصات فیزیکی آنها انجام شده است.

۱. کربن فعال پودری (دارای اندازه‌ای کمتر از ۱۰۰ نامومتو و میانگین قطری بین ۱۵ تا ۲۵ میکرومتر)
۲. کربن فعال گرانولی (دارای اندازه‌ای بزرگ‌تر از کربن فعال شده پودری می‌باشد)
۳. کربن فعال کروی
۴. کربن تزریق شده
۵. کربن روکش شده با پلیمرها
 

مرجع تخصصی آب و فاضلاب

احیا سازی و فعال سازی مجدد کربن

بهره وری اقتصادی از کربن فعال بستگی دارد به اینکه روشی کارآمد و مفید در احیا و فعال سازی مجدد آن، بعد از اینکه ظرفیت جذبی آن تکمیل شد وجود داشته باشد. احیا سازی  توصیف کننده تمامی فرآیند هایی است که به منظور بازیابی ظرفیت جذب سطحی کربن فعال مصرف شده بکار می روند که این فرآیندها می توانند شامل موارد زیر باشند:

 1- استفاده از مواد شیمیایی برای اکسید کردن مواد جذب شده.

 2- استفاده از بخار برای بیرون راندن مواد جذب شده.

 3- استفاده از مواد حلال.

 3- فرآیند های تبدیل بیولوژیکی.

بطور معمول طی فرآیندهای احیا سازی چیزی حدود 10-4% ظرفیت جذب سطحی برای کربن بسته به نوع ماده جذب شده و روش احیا سازی، از بین می رود. در برخی موارد هم ظرفیت جذب سطحی به دنبال فرآیندهای احیا می تواند برای چندین سال بدون تغییر باقی بماند. عمده مشکلی که در استفاده از PAC وجود دارد این است که روش خاصی برای احیای آن تعریف نشده است. در این رابطه استفاده از PAC تولید شده از بازیافت مواد زائد شهری می تواند نیاز به احیای کربن مصرف شده را مرتفع ساخته و از نظر اقتصادی نیز توجیه مناسبی داشته باشد. فرآیند فعال سازی مجدد[2] کربن گرانولی(GAC) ضرورتا شامل همان فرآیندهای فعال سازی ماده اولیه مورد استفاده در تولید کربن فعال است. کربن مصرف شده در معرض فرآیند اکسیداسیون در یک کوره قرار می گیرد که طی آن مواد آلی جذب شده روی سطح آن اکسید شده و سپس از سطح کربن حذف می شوند.

مرجع تخصصی آب و فاضلاب