Водоснабжение и очистка сточных вод: Историческая перспектива адсорбционной очистки активированным углем и его интеграция с биологическими процессами.
Автор:Ферхан Cесан.
Источник: http://www.wiley-vch.de/books/sample/3527324712_c01.pdf
Автор:Ферхан Cесан.
Источник: http://www.wiley-vch.de/books/sample/3527324712_c01.pdf
Активированный уголь в широком смысле включает широкий спектр аморфных углеродных материалов, подготовленных таким образом, что они обладают высокой степенью пористости и большой площадью поверхности [1]. Кроме того, все примеси удаляются поверхностью углерода. На сегодняшний день термин "активированный уголь" широко используется, хотя прошло много времени, чтоб он стал общепринятым.
Использование активированного угля в его нынешнем виде имеет короткую историю. Согласно данным, использование углерода было известно ещё в древние века. Самое раннее известное использование углерода в виде угля приходиться на египтян и шумеров, которые были в 3750 г. до н.э. [2]. В то время, древесный уголь был использован для различных целей, таких как сокращение руд для производства бронзы, в виде бездымного топлива и для медицинского применения [3]. В египетских папирусах с 1550 г. до н.э., мы находим первые цитаты использования угля для адсорбции пахучих паров - от гниющих ран и желудочно-кишечного тракта. Древние греки использовали древесный уголь, чтобы облегчить симптомы пищевого отравления [4]. Благоприятный эффект был обусловлен адсорбцией токсинов, испускаемые попаданием бактерий, тем самым уменьшения их токсических эффектов.
В Индии, в 450 г. до н.э. документировано использование песка и угольных фильтров для очистки питьевой воды. Недавние исследования затонувших кораблей финикийских торговых судов привели к открытию, что питьевая вода хранилась в обугленных деревянных баррелях, чтобы сохранить воду свежей [4]. Во времена Гиппократа (ок. 460-370 до н.э.) и Плиния Старшего (23-79 г. н.э.), древесина использовались в лечебных целях [5]. В 157 г. до н.э. угли растительного и животного происхождения применялись в лечении многих заболеваний [2].
В санскритском документах (200 г. н.э.) говорится об возможном использовании отфильтрованной воды через уголь после хранения её в медных сосудах и воздействия на него солнечных лучей, обеспечивая, удаление вредных соединений из воды для лечения [6]. В пятнадцатом веке, во времена Колумба, моряки использовали углерод, чтобы очернить внутренности в деревянных бочках, так как они заметили, что вода остаётся свежей гораздо дольше. Вполне вероятно, что люди в то время прислушивались к интуиция, не имея понимания механизмов влияния, эти механизмы были признаны начиная с восемнадцатого века.
В восемнадцатом веке уголь как древесину стали использовать для очистки жидкостей. Конкретные адсорбционные свойства угля (активированный уголь) были впервые обнаружены на Шееле в 1773 году в обращение газами. Позже, в 1786 году, Ловиц провел эксперименты по обесцвечиванию воды. Он дал первое систематическое изложение адсорбционной способности древесного угля в жидкой фазе [7].
Несколько лет спустя, в 1794 году, английский сахарный завод успешно начинает использовать древесный уголь для обесцвечивания сахарного сиропа. Это оставалось тайной до 1812, когда первый патент появился в Англии [2], хотя, начиная с 1805 древесный уголь использовался в больших масштабах на сахарных объектах во Франции для обесцвечивания сиропов, а также в 1808 все сахарные заводы в Европе использовали угль в качестве вещества обесцвечивающего [4]. В 1811 году было показано, что уголь из косточек фруктов имел выше обесцвечивающую способность для сахарных сиропов, чем уголь из древесины.
В 1817 году Жозеф де Кавалион запатентовал метод регенерации костей фруктов, но метод был не совсем удачным. В 1822 году Бюсси показал, что обесцвечивающая способность углей зависит от исходного материала, термической обработки, и размера частиц готовой продукции. Его работа представляет собой первый пример производства активированного угля в сочетании тепловых и химических процессов. Позже в тот же 19 век, систематические исследования проводились на производстве и регенерации фруктовых костей в Германии и применения угля для воздушных фильтров для удаления паров и газов в канализации Лондона [4]. В 1862 году Лимскомбл подготовил углеродный материал для очистки питьевой воды. Это развитие подготовило почву для коммерческого применения активированного угля, сначала для питьевой воды, а затем для очистки сточных вод.
Примечательно, что "адсорбция" как термин был впервые введен Кайзером в 1881 году для описания поглощения газов углерода [4]. Активированный уголь впервые был выпущен в промышленных масштабах в начале ХХ века, а основные события тогда происходили в Европе. Тем не менее, в начале двадцатого века углерод только выпускался в виде порошка активированного угля (ПАУ). Шведский химик Фон Острайко получил два патента, в 1900 и 1901, охватывающий основные понятия химической и термической (или физического) активации углерода, с хлоридами металлов, углекислого газа и водяного пара [7].
В 1909 году был построен завод имени "Chemische Werke", производивший на коммерческой основе, порошкообразный активированный уголь из дерева, приняв за основу разработку Фона Острайка [8]. Порошковый активированный уголь был использованв то время в основном для обесцвечивания растворов в химической и пищевой промышленности. В промышленных масштабах, процесс химической активации опилок с цинком хлорида было проведено впервые на австрийском заводе в Аусинге в 1914 году, а также на красителях завода Баер в 1915 году [9]. Этот тип активации использует нагрев углеродистых материалов в присутствии обезвоживания химических веществ, таких как хлорид цинка или фосфорная кислота [10].
Параллельно с событиями в Европе, в Соединенных Штатах первая активация углерода была проведена из черной золы, отходов содового производства, после того, как случайно обнаружили, что пепел был эффективен в обесцвечивания жидкостей [5]. Первое промышленное производство активированного угля в США приходиться на 1913 год [11]. Активированный уголь в виде ПАУ был использован в первый раз в 1928 году в Чикаго в упаковках для мяса, для удаления запаха [12].
Использование ядовитых газов в Первой мировой войне открыла путь для разработки и массовом производстве гранулированного активированного угля (ГАУ). Эти угли были использованы в противогазах для адсорбции ядовитых газов. Впоследствии, они были использованы для очистки воды, регенерации растворителей и очистки воздуха. После Первой мировой войны, был достигнут значительный прогресс в Европе в производстве активированного угля с использованием новых сырьевых материалов, таких как углеродистые кокосовые и миндальные оболочки.
Обработка хлоридом цинка активированного угля способствовали высокой механической прочностью и высокой адсорбционной активности для газов и паров. Позже, в 1935-1940 годах, гранулированный уголь изготавливали из опилок после активацией хлоридом цинка при восстановлении летучих растворителей и удаление бензола из газа. В настоящее время, активация хлористым цинком в значительной степени заменена использованием фосфорной кислоты [4].
В настоящее время, активированный уголь находит широкое применение во многих областях, но особенно в области очистки окружающей среды. Помимо экологического контроля загрязнения, активированный уголь, в основном, используется в промышленности для адсорбции различных дикостей и газов. [1]. Среди применений для очистки жидких фаз можно отметить пищевую промышленность: подготовка алкогольных напитков, обесцвечивание масел и жиров, очистка сахара, очистка химических веществ (кислоты, амины, глицерин, гликоль и т.д.), очистка ферментов, удаление кофеина из кофе.
Так же извлечение золота, переработка жидкого топлива, очистка в гальванических операциях, очистка одежды, текстиля, личная гигиена, косметика, фармацевтическая промышленность, а также применяется в химической и нефтехимической промышленности. Применение для очистки газовой фазы включает восстановление органических растворителей, удаление серосодержащих токсичных компонентов выхлопных газов и восстановления серы, очистка биогаза, использование в противогазах. Активированный уголь используется также в медицине и ветеринарии, мелиорации почв, для удаления остатков пестицидов, а также в ядерных и вакуумных технологиях.
Несмотря на то, что материалы на основе углерода использовались ещё с древних времен, использование в том виде, как это делается сейчас началось только во второй половине ХХ века вследствие повышения осведомленности о загрязнении окружающей среды. Сегодня, активированный уголь, очень часто используется для устранения различных органических и неорганических соединений с поверхности воды, из подземных и сточных вод.
Питьевая вода, применяемая для различных целей может быть очищена с помощью адсорбции активированным углем. Обзор исторического развития показывает, что первая заявка об активированном угле в виде ГАУ была в 1910 году в г. Ридинг, Англия для дехлорирования воды [12]. В 1930-х и 1940-х годах, в Европе гидротехнические сооружения использовали высокие дозы хлора для дезинфекции воды в соответствии с растущим загрязнением поверхностных вод. Часто, ГАУ использовался с целью дехлорирования. Тем не менее, дехлорирование не может рассматриваться как адсорбционный процесс так как каталитическая реакция происходит на поверхности угля. Однако использование ГАУ в целях дехлорирования уже давно прекращено в связи с формированием дополнительных соединений хлора в фильтрах [7]. Использование активированного угля для очистки воды от веществ ответственных за вкус и запах восходит к концу 1920-х годов [11].
Нежелательный вкус и запах в питьевой воде, в основном, связан с наличием хлорфенола, который образуется в воде в результате хлорирования фенола на этапе дезинфекции [7]. ПКК использовался для контроля вкуса и запаха питьевой воды впервые в США в 1929-1931 годах [7]. Первые ГАУ фильтры были установлены в Германии в 1929 году и в США в 1930 году. К 1932 году в США работало около 400 водоочистительных станций, где были использовался активированный уголь, чтобы улучшить вкус и запах воды, и это число увеличилось до 1200 в 1943 году. Первый крупный фильтр ГАУ для коммунального водоснабжения был установлен в США в Hopewell, VA, в 1961 г. [12]. К 1970 году количество гидротехнических сооружений где использовали ГАУ как адсорбент было оценено в 10 000 по всему миру [7].
1. Bansal, R.P. and Goyal, M. (2005) Activated Carbon Adsorption, CRC Press, Taylor & Francis Group, 6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300 Boca Raton, FL, USA 33487–2742.
2. Inglezakis, V.J. and Poulopoulos, S.G. (2006) Adsorption, Ion Exchange and Catalysis: Design of Operations and Environmental Applications, Elsevier Science & Technology. .
3. Menendez-Diaz, J.A. and Gullon, I.M. (2006) Types of carbon adsorbents and their production, in Activated Carbon Surfaces in Environmental Remediation (eds T.J.Bandosz), Elsevier, Printed in the Netherlands, pp. 1–47. .
4. www.caer.uky.edu/carbon/history/ carbonhistory.shtml. University Of Kentucky, Center for Applied Energy Research, History of Carbon (accessed 29 January 2010). .
5. Hassler, J.W. (1963) Activated Carbon, Chemical Publishing Co., Inc., New York, N.Y., USA. .
6. www.carbonit.com. Carbonit Brochure- Westa Gruppe, CARBONIT Filtertechnik GmbH, Salzwedel, Germany. .
7. Sontheimer, H., Crittenden, J., and Summers, R.S. (1988) Activated Carbon for Water Treatment, 2nd edn, Forschungstelle Engler – Bunte- Institute, Universita.t Karlsruhe, Karlsruhe, Germany. .
8. Dabrowski, A. (1998) Adsorption – its development and application for practical purposes, in Adsorption and Its Applications in Industry and Environmental Protection. Studies in Surface Science and Catalysis, vol. 120 (ed. A. Dabrowski), Elsevier Science B. V., pp. 3–68. .
9. Dabrowski, A. (2001) Adsorption-from theory to practice. Advances in Colloid and Interface Science, 93, 135–224. .
10. Purcell, P.J. (2006) Milestones in the development of municipal water treatment science and technology in the 19th and early 20th centuries: part I. Water and Environment Journal, 19 (3), 230–237. .
11. Hendricks, D. (2006) Water Treatment Unit Processes: Physical and Chemical, CRC Press. Printed in the USA. .
12. Hung, Y.T., Lo, H.H., Wang, L.K., Taricska, J.R., and Li, K.H. (2005) Granular activated carbon adsorption, in Physicochemical Treatment Processes, Handbook of Environmental Engineering, vol. 3 (eds L. K. Wang, Y.T. Hung and N. Shammas), Humana Press Inc., Totowa, New Jersey, USA pp. 573–633. .