کربن اکتیو در تصفیه آب
کربن اکتیو در تصفیه آب
از رایج ترین و محبوب ترین کاربردهای کربن اکتیو (Activated Carbon ) حذف آلاینده ها از جریان هوا یا آب است . تصفیه آب با کربن فعال یک فرایند جذب محسوب میشود که در آن ناخالصی ها توسط مکانیزم جذب سطحی کربن فعال به دام می افتند. ذرات کربن فعال دارای ساختار میکرو متخلخل با سطح بسیار بزرگ هستند. راندمان جذب در کربن اکتیو به اندازه مولکول ها ، اندازه منافذ ، سطح ، غلظت ذرات ، دما ، زمان تماس و سایر پارامترها بستگی دارد .
رایج ترین جاذب تجاری مورد استفاده در صنعت تصفیه آب ، کربن اکتیو است . بطوریکه سازمان حفاظت از محیط زیست ایالات متحده ( EPA) جذب توسط کربن فعال را بهترین فناوری جهت حذف آلاینده ها در آب های سطحی می داند .
بعبارتی جذب سطحی پدیده ای از غلظت مولکولها یا ذرات در یک سطح جامد است و جاذب میتواند هر ماده جامدی باشد که دارای محل اتصال است و ماده جامد میتواند به آن متصل شود. کربن فعال آب گریز بوده و تمایل بالایی به جذب مواد آلی و ترکیبات غیر قطبی دارد.
ساختار کربن فعال به گونه ای است که دارای منافذ کوچک بسیار زیاد در بین اتم های کربن بوده و همین امر منجر به ایجاد سطح بسیار زیادی میشود بطوریکه حدود ۵ گرم کربن فعال مساحتی برابر با زمین فوتبال دارد. !!
سطح کربن فعال عمدتا شامل گروه های کربونیل ،کربوکسیل ، لاکتون و هیدروکسیل فنولیک است که بسیاری از آنها حاوی اکسیژن هستند. ترکیبات شیمیایی که وارد فرایند تصفیه آب می شوند شامل هیومیک اسید با وزن مولکولی بالا ، ترکیبات آلی با وزن مولکولی پایین با منشا طبیعی یا صنعتی و محصولات برجای مانده از تصفیه قبلی مانند کلرزنی یا ازن زنی می باشند .
کربن فعال کلر آزاد را به کلرید و دی اکسید کربن احیا می کند.هم چنین با یک واکنش کاتالیزوری نسبتا آهسته کلروآمین ها را تجزیه میکند و آمونیاک ، نیتروژن و کلرید تولید میکند . وجود سطح بزرگ ترکیبات کربن فعال این امکان را فراهم می سازد تا مقادیر بالایی از ترکیبات آلی از طریق نیروهای قطبی ، واندروالسی جذب شوند .
کربن فعال برای تصفیه آب به اشکال زیر وجود دارد :
- کربن فعال گرانولی : برای تصفیه آب و فاضلاب ایده ال است.
- کربن فعال پودری : برای تصفیه مواد شیمیایی خاص مناسب است .
- کربن فعال اکسترود شده : برای کلر زدایی و حذف مواد شیمیایی مناسب است .
عملکرد کربن فعال در حذف مواد آلی و آلاینده ها :
هنگامی که آب از فیلتر کربن فعال عبور می کند ذرات آلی و مواد شیمیایی از طریق فرایندی به نام جذب در داخل آن به دام می افتند. فرایند جذب به پنج عامل کلیدی بستگی دارد که عبارتند از :
- خواص فیزیکی کربن فعال ( مساحت سطح و توزیع اندازه منافذ ) : اندازه و توزیع منافذ بیشترین تاثیر را بر اثر بخشی فیلتراسیون کربن فعال دارد . بهترین فیلتراسیون زمانی اتفاق می افتد که منافذ کربن به اندازه کافی بزرگ باشد تا بتواند امکان جذب آلاینده ها را فراهم کند . نوع آلاینده هایی که کربن اکتیو جذب میکند به اندازه منافذ فیلتر بستگی دارد که بر اساس نوع کربن استفاده شده و روش فعال سازی متفاوت است .
- ساختار شیمیایی منبع کربن فعال ( درصد اکسیژن و هیدروژن ) : سطح کربن اکتیو ممکن است از نظر شیمیایی با مولکولهای آلی تعامل داشته باشد. بعبارتی نیروهای الکتریکی بین سطح کربن اکتیو و ماهیت شیمیایی برخی از آلاینده ها منجر به تبادل یون یا جذب میشود . نوع فرایند فعال سازی کربن اکتیو ( فعال سازی شیمیایی یا فیزیکی ) تا حد زیادی خواص شیمیایی کربن اکتیو را تعیین میکند ، در واقع فرایندهای فعال سازی مختلف کربن فعال با خواص شیمیایی متفاوت به دست میدهند .بعنوان مثال هرچقدر مقدار اکسیژن در سطح کربن اکتیو کمتر باشد بهتر میتواند کلروفرم را جذب کند.
- ترکیب شیمیایی و غلظت آلاینده ها : فرایند جذب میتواند تحت تاثیر غلظت آلاینده های آلی باشد .بعنوان مثال کربن اکتیو ممکن است در فیلتر کردن غلظت های بالای برخی آلاینده ها موثرتر باشد و در فیلتر کردن آلاینده هایی با غلظت پایین تاثیر کمتری داشته باشد .
- pH و دمای آب : از آنجایی که واکنشهای شیمیایی و اشکال شیمیایی ارتباط نزدیکی با دمای آب و pH دارند در اکثر اوقات با کاهش دما و سطح pH مواد شیمیایی آلی بیشتر قابل جذب هستند.
- زمان تماس موثر : مدت زمانی که آلاینده در تماس با کربن اکتیو قرار می گیرد نیز بر فرایند جذب تاثیر گذار است . بطوریکه هر چقدر مدت زمان تماس طولانی تر باشد درصد بیشتری از آلاینده ها جذب کربن خواهند شد .هر چقدر مقدار کربن فعال بیشتر وسرعت جریان آهسته تر باشد کارایی جذب کربن اکتیو بالاتر خواهد بود .عمق بستر و سرعت جریان آب نیز از پارامتر های مهم تاثیر گذار هستند .فیلتراسیون کربن اغلب به گونه ای طراحی میشود که زمان ماند مشخصی از آب در تماس با بسترکربن اکتیو فراهم کند .
کربن فعال در تصفیه آب برای موارد زیر استفاده میشود :
- از بین بردن طعم و بوی آب
- کاهش خطرات سلامتی
- جلوگیری از آسیب به ممبرین های اسمز معکوس و رزین های تبادل یونی
- حذف کلر باقیمانده از فرایندهای گندزادیی ،حذف کلر آمین ها و برخی از محصولات جانبی ضدعفونی مانند تری هالو متانها (THM )
- حذف ترکیبات آلی از جمله حلال ها ، آفت کش ها ، هیدروکربن های کلر دار ، هیدروکربن ها ، حلال ها ، زباله های صنعتی و …
- حذف فلزات سنگین مانند سرب ، کروم . جیوه
علی رغم موارد ذکر شده کربن فعال قادر به حذف تمامی آلاینده ها از آب نبوده و نمیتواند باکتری ها ، ویرووس ها و ترکیبات معدنی آب را از بین ببرد .از مهم ترین معایب کربن فعال میتوان به چند مورد زیر اشاره کرد :
- همانطور که اشاره شد کربن اکتیو در از بین بردن مجموعه ای از آلاینده ها بسیار موثر است اما نمیتوان از آن برای تصفیه کامل آب استفاده کرد بطوریکه برخی از آلاینده ها و مواد شیمیایی جذب محیط کربن نمی شوند و لازم است تا از مکانیزم ها دیگری برای فیلتراسیون استفاده کرد .
- تجمع باکتری ها در مخازن فیلتر کربن فعال : کربن فعال را نمیتوان برای حذف باکتری ها و ویرووس ها استفاده کرد و درواقع فیلتر کربنی محلی برای تجمع باکتری ها شناخته می شود . با افزودن موادی مانند نقره به محیط کربن میتوان از رشد وتکثیر باکتری ها جلوگیری بعمل آورد .
- طول عمر کوتاه : زمانی که فیلتر کربنی به حداکثر ظرفیت خود برسد قابلیت حذف آلاینده ها را از دست می دهد عمر متوسط فیلتر کربن فعال بسته به اندازه فیلتر و حجم آلاینده های موجود در آب معمولا بین ۲ تا ۶ ماه است و پس از این مدت زمان کربن ها باید تعویض و با کربن جدید جایگزین شوند .
