Adsorpcja / Węgiel aktywny

Adsorpcja na węglu aktywnym

Adsorpcja to proces, w którym ciało stałe (w tym przypadku węgiel aktywny) używane jest do usuwania substancji rozpuszczonej w wodzie. Węgiel aktywny produkowany jest w specyficzny sposób, tak aby osiągnąć bardzo dużą pole powierzchni (pomiędzy 500 - 1500 m²/g). Taka duża powierzchnia sprawia, że węgiel aktywny jest idealnym medium w procesie adsorpcji. Węgiel aktywny powstaje w dwóch formach: węgiel aktywny sproszkowany (PAC) oraz węgiel aktywny w postaci granulatu (GAC). Wersja GAC jest najczęściej stosowana w procesach oczyszczania wody. Może on pochłaniać następujące substancje:

Związki organiczne, niepolarne, takie jak: Oleje mineralne BTEX  Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (PACs) (Chlor)fenol Halogeny (fluorowce): I, Br, Cl, F Składniki nieprzyjemnych woni Składniki nieprzyjemnych smaków Drożdże Różne produkty fermentacji Substancje niepolarne (Substancje nierozpuszczalne w wodzie)

Arkusz danych - Węgiel Aktywny

Przykłady zastosowania węgla aktywnego:

• Oczyszczanie wody gruntowej
• Usuwanie chloru z wody używanej do różnych procesów przemysłowych
• Oczyszczanie wody w basenach
• Doczyszczanie ścieków

Opis procesu z udziałem węgla aktywnego

Oczyszczana woda jest wprowadzana (popowana) w kolumnę zawierającą węgiel aktywny. Woda opuszcza kolumnę poprzez system odprowadzający. Aktywność węgla aktywnego tworzącego kolumnę  zależy od temperatury oraz natury substancji usuwanej z wody. Woda przepływa przez kolumnę stale (w sposób ciągły), co powoduje akumulację substancji w filtrze. Z tego powodu filtr musi być okresowo wymieniany. Zużyty filtr może być zregenerowany w różny sposób. Węgiel w postaci granulatu może być łatwo regenerowany poprzez utlenianie substancji organicznej. Wydajność węgla aktywnego po regeneracji spada o 5 - 10%. Niewielka część węgla jest ulega zniszczeniu w procesie regeneracji i musi ona być zastąpiona nowym materiałem. Proces adsorpcji odbywający się z użyciem oddzielnych kolumn w seriach zapewnia, że system nie ulegnie wyczerpaniu. 

Opis procesu adsorpcji

Cząsteczki fazy gazowej lub ciekłej przylegają do powierzchni w sposób fizyczny. W tym przypadku do powierzchni węgla aktywnego. Proces adsorpcji zachodzi w trzech etapach:

• Makro-transport: Przemieszczanie się materiału organicznego przez system makro-porów węgla aktywnego (makro-pory >50nm)

• Mikro-transport: Przemieszczanie się materiału organicznego przez system mezo- i mikro-porów węgla aktywnego (mikro-pory <2nm; mezo-pory 2-50nm)

• Sorpcja: Fizyczne przyleganie materiału organicznego do powierzchni węgla aktywnego w mezo- i mikro-porach węgla aktywnego

Poziom aktywności węgla oraz procesu adsorpcji zależy od stężenia danej substancji w wodzie, temperatury oraz polarności substancji. Substancja polarna (= substancja dobrze rozpuszczalna w wodzie ) jest źle adsorbowana lub w ogóle nie jest usuwana przez węgiel aktywny; substancja niepolarna może być zupełnie usunięta z wody z użyciem węgla aktywnego. Każdy rodzaj węgla ma swoja własną izotermę adsorpcji (zobacz wykres 1 poniżej) a w dziedzinie oczyszczania wody izoterma ta jest definiowana poprzez funkcję Freundlich'a.

Funkcja Freundlich'a: 
x/m = substancja adsorbowana na gram węgla aktywnego  
Ce = różnica stężeń (pomiędzy stanem przed i po adsorpcji)
Kf, n = stałe 

Druga krzywa dla węgla aktywnego (zobacz wykres 2 poniżej) przedstawia proces wyczerpywania się filtra. Zwykle po filtrach z węglem aktywnym, jako kolejny etap stosowana jest dezynfekcjaa UV.

Jaka jest róznica pomiędzy adsorpcją a absorpcją??

Kiedy substancja przylega do powierzchni ciała stałego, proces ten nazywa się adsorpcją. W tym przypadku substancja przyczepia się na zewnętrznej powierzchni (także wewnątrz porów) węgla aktywnego. Kiedy substancja jest pochłaniana do wewnątrz przez inne medium, nazywamy to absorpcjaą. Kiedy gaz pochłaniany jest przez ciecz nazywamy to również absorpcją.

	Wykres 1 przedstawia specyficzną izotermę dla węgla aktywnego. Na osi poziomej znajdują się wartości stężenia a na osi pionowej niezbędna ilość węgla aktywnego. Dane te mogą być użyte przy optymalizacji kolumny węgla aktywnego. Źródło wykres 1: http://www.aapspharmscitech.org/scientificjournals/ pharmscitech/volume2issue1/056/manuscript.htm
	Wykres 2 przedstawia proces wyczerpywania sie medium podczas używania kolumny węgla aktywnego. W punkcie C3 kolumna zaczyna się wyczerpywać a w punkcie C4 kolumna nie oczyszcza już wody. Pomiędzy punktami C3 i C4 zachodzi potrzeba regeneracji kolumny. Źródło wykres 2: http://www.activated-carbon.com
Czynniki, które wpływają na działanie węgla aktywnego w wodzie to:  Rodzaj usuwanego związku. Związki o większej masie cząsteczkowej (ciężarze cząsteczkowym) i mniejszej rozpuszczalności są lepiej adsorbowane. Stężenie związków usuwanych. Im większe stężenie, tym większe zużycie węgla. Obecność innych związków organicznych, które będę konkurowały o dostępne miejsca w procesie adsorpcji. Odczyn pH wody oczyszczanej. Na przykład, związki o odczynie kwaśnym są lepiej usuwane przy niskim pH. Zgodnie z tym można podzielić związki chemiczne znajdujące się w wodzie ze względu na prawdopodobieństwo efektywnej adsorpcji na węglu aktywnym:   1.- Związki o bardzo wysokim prawdopodobieństwie adsorpcji na węglu aktywnym:  2,4-D Deisopropyltatrazyna Linuron Alachlor Desethylatrazyna Malation Aldrin Demeton-O MCPA Antracen DBP Mekoprop Atrazyna 1,2-Dichlorobenzen Metazachlor Gution 1,3-Dichlorobenzen 2-Metylo-benzenamina Bentazon 1,4-Dichlorobenzen Methlonaftalen  Bifenyl 2,4-Dichlorokrezol 2-Metylobutan 2,2-Bipirydyna 2,5-Dichlorofenol Monuron DEHP 3,6-Dichlorofenol Naftalen Bromacyl 2,4-Dichlorofenoksy- Nitrobenzen Bromodichlorometan Dieldryn m-Nitrofenol p-Bromofenol DEP o-Nitrofenol Butylobenzen 2,4-Dinitrokrezol p-Nitrofenol Podchloryn wapnia 2,4-Dinitrotoluen Ozon Karbofuran 2,6-Dinitrotoluen Paration Chlor Diuron Pentachlorofenol Dwutlenek chloru Endosulfan Propazyna Chlorobenzen Endryn Simazyna 4-Chloro-2-nitrotoluen Etylobenzen Terbutryn 2-Chlorofenol Hezachlorobenzen Tetrachloroetylen Chlorotoluen Hezachlorobutadien Triklopyr Chryzyna Heksan 1,3,5-Trimetylobenzen m-krezol Izodryn m-Ksylen Cyanazyna Izooctan o-Ksylen Cykloheksan Izoproturon p-Ksylen DDT Lindan 2,4-Ksylenol  2.- Związki o wysokim prawdopodobieństwie adsorpcji na węglu aktywnym:  Anilina Dibromo-3-chloropropan 1-Pentanol Benzen Dibromochlorometan Fenol Alkohol benzylowy 1,1-Dichloroetylen Fenyloalanina Kwas benzylowy cis-1,2- Dichloroetylen o-kwas ftalowy Eter bis(2-chloroetylowy) trans-1,2- Dichloroetylen Styren Bromodichlorometan 1,2-Dichloropropan 1,1,2,2-Tetrachloroetan Bromoform Etylen Toluen Czterochlorek wegla  Hydrochinon 1,1,1-Trichloroetan 1-Chloropropan Metyl Isobutyl Keton Trichloroetylen Chlorotoluron 4-Metylobenzenoamina Octan winylu 3.- Związki o średnim prawdopodobieństwie adsorpcji na węglu aktywnym*:  Kwas octowy Dimetoat Metionina Akrylamid Octan etylu Eter metylo-tert-butylowy Chloroetan Eter etylowy Keton metylo-etylowy Chloroform Freon 11 Pirydyna 1,1-Dichloroetan Freon 113 1,1,2-Trichloroetan 1,2-Dichloroetan Freon 12 Chlorek winylu 1,3-Dichloropropan Glifosat   Dikegulak Imazypur   *(Dla tych związków chemicznych, węgiel aktywny jest skuteczny tylko w pewnych przypadkach). 4.- Związki, dla których jest mało prawdopodobne, że ulegną adsorpcji na węglu aktywnym. Adsorpcja tych związków na węglu aktywnym jest możliwa w pewnych przypadkach np. przy niskim stężeniu lub przepływie wody: Aceton Chlorek metylenu Acetonitryl 1-Propanol Akrylonitryl Propionitryl Dimetyloformaldehd Propylen 1,4-Dioksan Tetrahydrofuran Alkohol isopropylowy Mocznik Chlorek metylu   Czynniki, które wpływają na działanie węgla aktywnego w powietrzu: Rodzaj związku usuwanego: Ogólnie związki o większej masie cząsteczkowej, niższym ciśnieniu pary nasyconej, wyższej temperaturze wrzenia i wysokim wskaźniku reaktywności są lepiej adsorbowane. Stężenie: Im wyższe stężenie, tym wyższe zużycie węgla. Temperatura: Im  niższa temperatura, tym większa pojemność/zdolność adsorpcji. Ciśnienie: Im wyższe ciśnienie, tym większa pojemność adsorpcji. Wilgotność: Im większa wilgotność, tym większa pojemność adsorpcji. Jeśli chcesz się dowiedzieć czy dany związek chemiczny może być skutecznie usunięty z powietrza przy użyciu węgla aktywnego, skontaktuj się z nami.  Więcej informacji na temat procesu regeneracji węgla aktywnego

1) Źródło: Wastewater Engineering; Metcalf & Eddy; third edition; 1991; page 317