Những vấn đề cơ bản về hấp phụ than hoạt tính

Than hoạt tính có hơn 2.500 ứng dụng sản phẩm thương mại. Hầu hết các nhà máy nước thải sử dụng cacbon để lọc nước và không khí ra khỏi cơ sở.

Than hoạt tính là một vật liệu hấp phụ rắn trơ thường được sử dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm hòa tan, đa dạng ra khỏi nước và xử lý các dòng pha khí. Nó được làm từ hầu hết mọi nguyên liệu thô có chứa carbon, bao gồm gáo dừa và than đá.

Hấp phụ là sự tích tụ của một chất khí hoặc chất lỏng trên bề mặt của chất lỏng hoặc chất rắn, trái ngược với sự hấp thụ, trong đó chất xâm nhập vào khối lượng hoặc thể tích của chất nền.

Than hoạt tính xốp, rẻ tiền và sẵn có để sử dụng làm chất hấp phụ, trang bị một diện tích bề mặt lớn để loại bỏ các chất gây ô nhiễm. Nó có diện tích bề mặt hữu ích trên mỗi gam hơn bất kỳ vật liệu nào khác có sẵn để hấp phụ vật lý. Trên thực tế, một thìa than hoạt tính có diện tích bề mặt nhiều hơn một sân bóng đá.

Hiện tượng vật lý

Bởi vì các đặc tính hiếm có của nó, than hoạt tính có khả năng đặc biệt để thu giữ các chất gây ô nhiễm hòa tan trong nước bao gồm các loài kích thích vị, mùi, màu và độc hại. Quá trình loại bỏ diễn ra thông qua hiện tượng hấp phụ dựa trên sự tương tác bề mặt giữa chất gây ô nhiễm và bề mặt tiểu cầu than chì carbon.

Các tương tác bề mặt cacbon-chất gây ô nhiễm này xảy ra thông qua lực Van der Waal và tương tác lưỡng cực gây ra. Các tiểu cầu graphit than hoạt tính cảm ứng các phân tử hữu cơ trung tính thành các lưỡng cực nội phân tử. Các lưỡng cực cảm ứng làm cho các phân tử bị hút vào nhau và dính vào nhau, do đó chúng kết tủa ra khỏi dung dịch trong các lỗ rỗng hoặc không gian hấp phụ có kích thước nano của cacbon. Điều này được gọi là quá trình ngưng tụ sớm, tạo điều kiện thuận lợi cho than hoạt tính.

Hình 1. Các biểu diễn này cho thấy than hoạt tính được làm từ gỗ, gáo dừa và than bitum. 

Các nhà sản xuất than hoạt tính sử dụng các nguyên liệu đầu vào và các thông số quy trình khác nhau để tạo ra nhiều loại phân bố kích thước lỗ xốp. Lựa chọn cấu trúc lỗ rỗng thích hợp là điều cần thiết để giải quyết các vấn đề pha nước và pha khí với than hoạt tính.

Hình 1 cho thấy các mô tả thực tế của cácbon hoạt tính được sản xuất từ ​​gỗ, gáo dừa và than bitum. Các loại carbon này được bán và sử dụng ở các dạng khác nhau: bột, hạt, viên, khối và vật liệu tổng hợp. Sự khác biệt được nhìn thấy ở kích thước của các tiểu cầu graphit được biểu thị bằng các đường màu đen đậm và mức độ gần nhau.

Than hoạt tính dạng bột

Các hạt than hoạt tính dạng bột, có kích thước micromet được nghiền từ than hoạt tính dạng hạt milimet và thể hiện động học nhanh hơn và khả năng loại bỏ chất gây ô nhiễm lớn hơn, khi so sánh với cacbon có kích thước hạt lớn hơn.

Than hoạt tính dạng bột có thể được sử dụng để xử lý các chất ô nhiễm nhỏ, chẳng hạn như tảo nở hoa và tràn dầu công nghiệp, gây ô nhiễm các vùng nước có ảnh hưởng của thành phố. Bột có thể được thêm vào bộ phận lắng của quá trình làm sạch để loại bỏ các chất bẩn này bằng than hoạt tính. Nó cũng có thể bảo vệ các lớp than hoạt tính dạng hạt cố định chống lại sự ô nhiễm đột ngột.

Các nhà máy có thể sử dụng bột thay thế nếu họ thiếu cơ sở hạ tầng để sử dụng than hoạt tính dạng hạt hoặc không có đủ cacbon dạng hạt giữa đầu vào và đầu ra. Than hoạt tính dạng bột sử dụng một lần được sử dụng như một quy trình xử lý theo lô để loại bỏ các chất gây ô nhiễm đến mức ô nhiễm tối đa được quy định có thể chấp nhận được (MCL).

Than hoạt tính dạng bột

Than hoạt tính dạng hạt

Than hoạt tính dạng hạt có kích thước milimet có thể loại bỏ các chất gây ô nhiễm đến nồng độ dưới giới hạn phát hiện phân tích và so với dạng bột, nó chỉ cần khoảng 1/4 lượng carbon giữa nước thải đầu vào và đầu ra.

Tuy nhiên, một nhà máy cần có cơ sở hạ tầng thích hợp để lắp đặt carbon tươi và loại bỏ than hoạt tính dạng hạt đã qua sử dụng để kích hoạt lại lò. Than hoạt tính tái hoạt có giá bằng khoảng một nửa so với than hoạt tính dạng hạt tươi hoặc chưa sử dụng. Sử dụng than hoạt tính dạng hạt là một quá trình liên tục, và nó là một sản phẩm sử dụng nhiều lần dựa trên sự tái hoạt hóa bằng nhiệt. Sự tái hoạt hóa bằng nhiệt cho phép cacbon được xếp vào danh mục chất “hóa học xanh”.

Than hoạt tính dạng hạt

Ở những nơi có khả năng gây ô nhiễm công nghiệp tương đối cao, phải sẵn sàng thêm than hoạt tính cho những trường hợp khẩn cấp có thể xảy ra. Nó có thể được giữ trong các bình cố định giữa đầu vào và đầu ra, và cũng cần nhiều carbon dạng bột hơn.

Cuối cùng, viên nén, hoặc các hạt carbon cực lớn, được sử dụng để kiểm soát hydro sunfua nước thải thành phố ở pha hơi và các mùi khác. Các dạng than hoạt tính tương đối lớn này cho phép các dòng khí chảy qua các tầng cacbon mà không bị ngăn cản. Cacbon thường và cacbon xúc tác được sử dụng để kiểm soát mùi hiđro sunfua.

Với carbon thông thường, hydrogen sulfide di động bị oxy hóa thành lưu huỳnh cố định, tích tụ trên bề mặt carbon. Sử dụng lưu huỳnh nguyên tố tích tụ trên cacbon đang hoạt động đã xác định được thời điểm cacbon cần được thay thế bằng cacbon mới tại các phòng thí nghiệm. Cacbon xúc tác chuyển hydro sunfua thành axit sunfuric bằng cách oxy hóa. Axit sulfuric trên cacbon xúc tác này có thể được rửa sạch khỏi cacbon đã sử dụng bằng nước và được tái sử dụng tại chỗ nhiều lần.

Than hoạt tính đã sử dụng được tái chế như thế nào?

Than hoạt tính không tồn tại mãi mãi. Nó cần thay đổi định kỳ bằng than nguyên chất hoặc than tái hoạt tính mới. Lỗ chân lông hoặc không gian hấp phụ vật lý, là những thể tích có kích thước nanomet giữa các tiểu cầu graphit, cuối cùng lấp đầy và không còn khả năng loại bỏ các chất hấp phụ. Các lỗ xốp cacbon không đồng nhất và khác nhau về năng lượng hấp phụ từ mạnh đến yếu. Lưu ý khoảng cách giữa các tiểu cầu graphit . Các tiểu cầu graphit cacbon gần nhau cung cấp năng lượng tiềm năng hấp phụ cao, và khoảng cách tiểu cầu rộng có năng lượng hấp phụ tương đối thấp.

Than hoạt tính có thể được tái sử dụng sau khi áp dụng một quá trình phục hồi

Các nhà máy nước uống có hai lựa chọn chính để thay thế: mua carbon nguyên chất  chưa sử dụng hoặc sử dụng carbon tái hoạt tính. Sau một số chu kỳ tái hoạt hóa, hiệu quả của cacbon tái hoạt tính sẽ giảm dần và phải được thay thế bằng cacbon nguyên chất mới.

Đôi khi việc mở rộng sự phân bố kích thước lỗ với sự tái hoạt hóa là có lợi, đặc biệt là đối với các phân tử lớn hơn và các chất hấp phụ có trọng lượng phân tử cao hơn. Tuy nhiên, các hợp chất có trọng lượng phân tử thấp, tan trong nước ở nồng độ vết như trihalomethanes có thể không được hấp thụ dễ dàng và có thể phát triển MTZ dài hơn khi được sử dụng với carbon hoạt tính có phân bố kích thước lỗ chân lông rộng hơn.