Węgiel aktywny: naturalny surowiec do czystej wody pitnej

Węgiel aktywny jako naturalny surowiec

Naturalny surowiec węgiel aktywny jest przez CARBONIT udoskonalany za pomocą unikalnego i międzynarodowo opatentowanego procesu. Wszystkie surowce przetwarzane przez CARBONIT są kontrolowane pod kątem pozostałości i nadzorowane przez LGA. Spełniają one surowe europejskie normy dotyczące filtrów do wody. Najnowocześniejsza technologia zapewnia niezrównaną wydajność. Filtry do wody CARBONIT łączą wyjątkową drobność filtracji do 0,45 µm z wysokim działaniem adsorpcyjnym węgla aktywnego. Jak woda źródlana z kranu. Bez noszenia ciężkich skrzynek z wodą.

Węgiel aktywny to materiał oparty na naturalnych surowcach, który dzięki swojej porowatej strukturze i bardzo dużej wewnętrznej powierzchni wiąże związki chemiczne i cząsteczki. Tradycyjnie węgiel aktywny stosowany jest w wielu procesach przemysłu chemicznego. Dzięki wysokim właściwościom adsorpcyjnym jest głównie używany do oczyszczania powietrza wywiewanego, wody pitnej i ścieków oraz w technologii spożywczej, farmacji i chemii.

Surowce wyjściowe do produkcji węgla aktywnego to materiały zawierające węgiel, takie jak drewno, torf, węgiel brunatny, węgiel kamienny, pestki owoców lub skorupki kokosa. Również inne materiały zawierające węgiel, takie jak odpady plastikowe czy produkty naftowe, mogą być przetwarzane na węgiel aktywny ze względu na wysoką zawartość węgla. Materiały te są pozyskiwane podobnie jak węgiel drzewny, a następnie, jak sama nazwa wskazuje, aktywowane. Proces aktywacji zwiększa właściwości adsorpcyjne węgla i prowadzi do poprawy wydajności oczyszczania w porównaniu z tradycyjnym węglem drzewnym.

Węgiel aktywny składa się z nieregularnie ułożonej sieci krystalicznej atomów węgla. Te losowo przesunięte warstwy sieci tworzą bardzo porowatą strukturę i dużą wewnętrzną powierzchnię. W przypadku handlowego węgla aktywnego powierzchnia ta może wynosić od 500 do 1500 metrów kwadratowych na gram.

Dla porównania: 4 do 5 gramów węgla aktywnego zawiera powierzchnię całego boiska piłkarskiego. Wewnętrzna powierzchnia węgla aktywnego jest charakteryzowana na podstawie systemu porów, uproszczone rozróżnienie dotyczy porów o różnych rozmiarach lub średnicach. Rozróżnia się więc makropory (pory doprowadzające do wnętrza ziarna) oraz pory adsorpcyjne (czyli pory, w których następuje faktyczne przyłączanie cząsteczek do wewnętrznej powierzchni).

Struktura systemu porów wpływa na transport sorbatu od krawędzi ziarna do jego wnętrza, jak również na właściwości adsorpcyjne danego związku na powierzchni.

Właściwości powierzchniowe węgla aktywnego

Obok struktury porów, chemiczne właściwości powierzchni mają kolejny decydujący wpływ na zdolność adsorpcyjną węgla aktywnego. Ze względu na mnogość zanieczyszczeń, które mogą występować w wodzie lub powietrzu, w praktyce wydajność oczyszczania węgla aktywnego jest ukierunkowana na określone grupy substancji. Poniżej wymieniono przykładowe problematyczne substancje, które mogą występować w oczyszczaniu wody pitnej:

• substancje zapachowe i smakowe,
• barwniki,
• węglowodory mineralne,
• halogenowane organiczne węglowodory,
• organiczne węglowodory,
• chlor, dwutlenek chloru, ozon, nadmanganian,
• metale ciężkie,
• amoniak, azotan,
• substancje farmaceutyczne.

Każde z tych związków ze względu na swój skład chemiczny wykazuje różne zachowanie adsorpcyjne i zdolność wiązania, dlatego właściwości fizyczne, takie jak wielkość ziarna i porów, są łączone z chemicznymi właściwościami powierzchni. Ostatecznie prowadzi to do optymalnej wydajności oczyszczania w danym zastosowaniu.

Adsorpcja

Adsorpcja to proces, w którym substancje przyłączają się do powierzchni (rys. B). Znane są dwa typy adsorpcji. Po pierwsze, adsorpcja fizyczna, która jest głównie spowodowana siłami van der Waalsa. Siła van der Waalsa jest dość słabą siłą przyciągającą, ale wystarczającą, aby utrzymać cząsteczki lub atomy na powierzchni ze względu na ich ładunek (adsorpcja). Ta siła jest odwracalna, tzn. jeśli pojawi się silniejsza siła, np. ruchy Browna przy podwyższonej temperaturze, adsorbowana substancja może zostać ponownie uwolniona. Inaczej jest w przypadku adsorpcji chemicznej, zwanej też chemisorpcją. Tutaj, jak we wszystkich reakcjach chemicznych, trzeba pokonać energię aktywacji, aby zanieczyszczenie (adsorbat) utworzyło wiązanie chemiczne z powierzchnią węgla aktywnego (adsorbentem). Chemisorpcja jest silniejsza niż adsorpcja fizyczna. Zasadniczo jednak może również dojść do desorpcji (uwolnienia) substancji, jeśli siły wiązania innych grup substancji są silniejsze. Gdy pojemność (zdolność do pochłaniania zanieczyszczeń) filtra z węgla aktywnego jest wyczerpana, mówi się o filtrze nasyconym. Filtry nasycone nie muszą jednak być koniecznie wyrzucane. Często węgiel aktywny zawarty w filtrze może być regenerowany poprzez usunięcie adsorbowanych substancji z powierzchni węgla. Ten proces desorpcji (czyli odwrotny do adsorpcji) może być wywołany np. przez obniżenie ciśnienia lub podwyższenie temperatury. Po wielokrotnej desorpcji lub w przypadku adsorpcji trudno usuwalnych substancji, węgiel aktywny musi być całkowicie reaktywowany. W tym celu węgiel nasycony przechodzi ponownie – choć krótszy – proces aktywacji, mający na celu przywrócenie wewnętrznej powierzchni do pierwotnego poziomu. Inną metodą regeneracji węgla aktywnego jest ekstrakcja. Polega ona na usunięciu adsorbowanych substancji z powierzchni węgla za pomocą rozpuszczalnika organicznego. Mikroorganizmy również mogą regenerować (makroporowaty) węgiel aktywny, biologicznie rozkładając łatwo desorbowalne związki organiczne. Szczególnie w zastosowaniach przemysłowych stosuje się regenerowany węgiel aktywny, na przykład w drukarniach, technologii spożywczej, uzdatnianiu wody pitnej i oczyszczaniu ścieków. Dzięki desorpcji często można odzyskać cenne substancje, jak pokazuje adsorpcyjny odzysk toluenu w drukarniach, gdzie toluen odzyskany z powietrza wywiewanego jest ponownie wprowadzany do procesu drukowania.

Proces produkcji

Węgiel aktywny można wytwarzać prawie z każdego materiału zawierającego węgiel. Surowce te mogą występować zarówno w formie niezwęglonej, jak i w postaci węgli i koksów. Podstawową zasadą aktywacji jest selektywne rozkładanie części węgla w odpowiednich warunkach. Selektywny rozkład powoduje powstanie licznych porów, szczelin i pęknięć, w których może zachodzić adsorpcja substancji, wskutek ulatniania się lotnych związków. W produkcji węgla aktywnego wyróżnia się dwie metody: aktywację chemiczną i aktywację gazową. W aktywacji chemicznej niezwęglone surowce, takie jak torf czy trociny, są mieszane z środkiem odwadniającym (np. chlorkiem cynku lub kwasem fosforowym) i następnie aktywowane w temperaturze 400 - 600 °C. Powstają głównie węgle aktywne o dużych porach, które ze względu na swoje właściwości mogą być stosowane np. do odbarwiania cieczy.

Drugą metodą jest aktywacja gazowa. Zazwyczaj wykorzystuje się już zwęglone produkty naturalne, takie jak węgiel drzewny, koks torfowy, koks ze skorupek kokosa, węgiel kamienny lub brunatny. Przed aktywacją posiadają one niewiele małych porów i tym samym pierwszą, choć jeszcze słabo rozwiniętą powierzchnię adsorpcyjną. Proces aktywacji znacznie zwiększa liczbę porów i powierzchnię. Aktywacja odbywa się w temperaturze 700 - 1000 °C z użyciem pary wodnej i dwutlenku węgla. Para wodna i dwutlenek węgla powodują częściową oksydację szczególnie niekrystalicznego węgla. Usuwane są smołopodobne produkty zatykające drobne pory, a szkielet węglowy zostaje w dużej mierze odsłonięty. Wewnątrz surowca powstają pożądane pory dla drobno porowatego węgla aktywnego. Ze względu na wysoką temperaturę aktywacji w przemyśle stosuje się piece obrotowe, piętrowe lub szybowe. Pozwala to na dostosowanie węgli aktywnych i ich rozkładu porów do różnych zastosowań.

Węgiel aktywny jest sprzedawany jako proszek, węgiel ziarnisty lub formowany. Przy produkcji węgla formowanego, np. do filtrów wodnych (filtry blokowe z węgla aktywnego), zwęglony półprodukt jest rozdrabniany, aktywowany, a następnie mieszany z lepiszczem i w zależności od potrzeb wytłaczany lub spiekany. Kilkumilimetrowy węgiel ziarnisty występuje jako łamane cząstki lub pręciki prasowane. Węgiel ziarnisty stosuje się w adsorberach, przez które przepływa oczyszczany strumień gazu lub cieczy. Łamany, o ostrych krawędziach węgiel aktywny jest preferowany do oczyszczania wody. Dzięki zwartej konstrukcji filtr blokowy z węgla aktywnego zastępuje objętościowe, luźne zasypki z węgla proszkowego. Zdolność do wiązania niepożądanych substancji jest znacznie większa, a tendencja do uwalniania raz zaadsorbowanych substancji (tzw. efekt chromatograficzny) mniejsza. W przypadku drobno porowatych filtrów blokowych o wysokiej drobności filtracji oprócz adsorpcji chemiczno-fizycznej występuje również dobra mechaniczna filtracja cząstek i mikroorganizmów.

Uzdatnianie wody pitnej

Woda pitna pochodzi zwykle z warstw wodonośnych, ale także w regionach ubogich w wodę gruntową np. z filtratu brzegowego rzek. Duża część związków i zanieczyszczeń, które człowiek wprowadza do środowiska, jest biologicznie rozkładana przez bakterie glebowe podczas infiltracji. Mimo to zdarzają się przekroczenia wartości granicznych określonych prawem, co powoduje, że pozyskana woda musi być uzdatniana przed wprowadzeniem do sieci wodociągowej. Filtry stosowane do tego celu nazywa się filtrami jednowarstwowymi lub wielowarstwowymi.

Filtry jednowarstwowe składają się całkowicie z jednego materiału filtracyjnego, podczas gdy filtry wielowarstwowe są zbudowane z kombinacji różnych materiałów filtracyjnych. Filtry wielowarstwowe zwykle składają się z warstwy (np. piasku) zatrzymującej grube cząstki oraz warstwy węgla aktywnego. Ponieważ dostawcy zgodnie z prawem gwarantują jakość wody pitnej tylko do przyłącza domowego, coraz częściej stosuje się filtry do wody pitnej również w gospodarstwach domowych.

Filtry te mają za zadanie eliminować ewentualne cząstki, bakterie, substancje zapachowe i smakowe oraz metale ciężkie, które mogą dostać się do wody przez sieć rur. Może się też zdarzyć, że zanieczyszczenia nie zostaną całkowicie zatrzymane w stacji uzdatniania wody. Mogą to być środki ochrony roślin, pozostałości leków lub nawet substancje hormonalne, które przez rozproszone zanieczyszczenia dostają się do wód gruntowych i swobodnie przechodzą przez stację uzdatniania. Niewłaściwe lub przestarzałe instalacje domowe mogą oddawać metale ciężkie do wody pitnej. Jeśli przy wyborze materiałów rur nie uwzględni się lokalnie różnej jakości wody pitnej, mogą rozpuszczać się jony metali ciężkich. Są to jony miedzi, niklu, cynku i ołowiu. W takich przypadkach zaleca się instalację filtra z węgla aktywnego bezpośrednio przed punktem poboru wody pitnej, który może usunąć te metale ciężkie, pozostałości leków i środki ochrony roślin z wody (rys. F). Minerały, sole i pierwiastki śladowe niezbędne dla organizmu ludzkiego pozostają nienaruszone. Przechodzą przez filtr ze względu na swój mały rozmiar i dobrą ruchliwość, pozostając dostępne po filtracji.

Bądź na bieżąco z kolejnymi wskazówkami i faktami na temat jakości wody i filtrów do wody – tutaj, na naszym blogu bluaqua!