Довідник · Сорбційні завантаження

Активоване вугілля для водоочищення: марки, розрахунок і підбір балона

Як влаштоване активоване вугілля й чому марки не взаємозамінні: пористість і робочий діапазон пор, різниця кокосового й кам'яновугільного, йодне число та зольність у паспортах Jacobi, розрахунок за об'ємним навантаженням замість швидкості фільтрування, підбір балона, ресурс і типові помилки.

Матеріал

Що це за завантаження і з чого його роблять

Активоване вугілля — це вуглецевий сорбент із розвиненою системою пор. Сировиною служать кам'яне вугілля, антрацит, торф, деревина або шкаралупа кокосового горіха. Виробництво йде у два кроки. Спершу карбонізація — випал сировини без доступу повітря; отриманий карбонізат майже не сорбує, бо пори в ньому дрібні й закриті. Далі активація — обробка водяною парою за високої температури або хімічними реагентами; саме вона розкриває внутрішню поверхню, заради якої матеріал і потрібен.

Різниця між марками закладається на цьому кроці. Кокосова шкаралупа дає переважно мікропори — вузькі канали під дрібну молекулу: хлор, хлороформ, прості органічні сполуки. Кам'яне вугілля дає більше мезопор і транспортних каналів — під велику молекулу: гумінові речовини, барвники, пестициди. Тому «краще вугілля» без назви задачі не існує.

Заводські мішки гранульованого активованого вугілля Jacobi Carbons
Заводське фасування гранульованого вугілля: мішки 25 кг і біг-беги 500 кг. Через низьку насипну щільність 25 кг вугілля займають близько 50 л — удвічі більший об'єм, ніж та сама маса мінерального завантаження. Фото виробника, Jacobi Carbons.
Фізичні характеристики гранульованого активованого вугілля за технічним довідником Degremont (том 1, розділ «Адсорбція», табл. 20).
ПоказникДіапазон для гранульованого вугілляЩо це означає
Сировинаторф, бітумінозні сланці, антрацит, деревина, кокосові горіхиВизначає структуру пор і зольність
Форма зернадроблене або екструдованеДроблене дешевше, екструдоване однорідніше
Гранулометрія0,25–3,0 ммДрібніше зерно — краща кінетика, але вищий перепад тиску
Коефіцієнт однорідності1,4–2,2Впливає на рівномірність промивки
Насипна щільність200–550 кг/м³Утричі легше за пісок: мішок 25 кг займає ≈50 л
Питома поверхня600–2500 м²/гУ кращих марок 1800–2200 м²/г — це площа футбольного поля в жмені
Зольність4–12% (у паспортах марок до 15%)Головний показник чистоти; половина золи — кремній
Як воно працює

Пористість: де саме затримується молекула

Питома поверхня в паспорті — цифра ефектна, але сама по собі мало що каже. Значення має розподіл пор за розміром, бо молекула затримується лише в порі, сумірній з нею.

Класифікація пор сорбентів за Бєліковим («Водопідготовка», бібліотека «Аква-Терм»).
Клас порЕфективний радіусРоль у водоочищенні
Супермікропорименше 0,6–0,7 нмПрактично недоступні для органічних молекул
Мікропори0,6–0,7 … 1,5–1,6 нмОсновна робоча зона: тут відбувається адсорбція
Мезопори1,5–1,6 … 100–200 нмТранспорт молекул углиб зерна; велика молекула
Макропорипонад 100–200 нмВхідні канали, самі майже не сорбують

Адсорбційну здатність визначають переважно пори радіусом 0,5–1,6 нм, сумірні з радіусами молекул, які треба зняти. Пори радіусом менше 0,5 нм для органіки практично недоступні, і сумарний об'єм «робочих» пор у реальних марок становить лише 0,15–0,50 см³/г. Ось чому паспортна поверхня 1000 м²/г у двох різних вугіль може давати зовсім різний результат на тій самій воді.

Друге, що варто знати наперед, — які саме речовини вугілля бере охоче. Сорбованість органічних сполук зростає в ряду: гліколі → спирти → кетони → складні ефіри → альдегіди → недисоційовані кислоти → ароматичні сполуки; кожна наступна група сорбується краще за попередню. Речовини в іонній формі сорбуються найгірше, у молекулярній — краще. Здатність до сорбції зростає з подовженням вуглецевого ланцюга й зі збільшенням молекулярної маси.

Практичний наслідок: ароматика, нафтопродукти й хлорорганіка знімаються добре, а прості іони — ні. Якщо задача сформульована як «прибрати нітрати вугіллям», відповідь буде «ні» незалежно від марки й ціни.

Головне

Дві різні задачі, які рахуються по-різному

Найпоширеніша помилка при підборі вугільного фільтра — рахувати його «як механічний», за швидкістю фільтрування. Вугілля виконує дві принципово різні роботи, і кожна має свій розрахунок.

1. Дехлорування — це хімічне відновлення

Вільний хлор не адсорбується. Він реагує з поверхнею вугілля, відновлюючись до хлориду:

HOCl + C* → C*O + H⁺ + Cl⁻
OCl⁻ + C* → C*O + Cl⁻

де C* і C*O — вихідна й окиснена поверхня вугілля. Реакція супроводжується утворенням CO₂, тобто вугілля поступово витрачається — його треба поповнювати. Швидкість реакції висока, тому часу контакту потрібно менше, ніж для сорбції.

2. Адсорбція органіки — це фізика поверхні

Молекула має встигнути дійти до мікропори всередині зерна й закріпитись там. Це повільніше, тому часу контакту потрібно більше. Зона адсорбції поступово просувається шаром згори вниз; коли фронт доходить до низу — починається проскок.

Тому висота шару тут не менш важлива за об'єм: чим товщий шар, тим краще він витримує розтягнутий фронт адсорбції. На практиці застосовують шар 0,8–3 м, а при високих концентраціях — і більше.

Об'ємне навантаження — скільки об'ємів води проходить за годину через один об'єм завантаження. EBCT (empty bed contact time) — час контакту, обернена величина: 60 / навантаження.
ЗадачаОб'ємне навантаженняЧас контакту (EBCT)Джерело
Дехлорування (вільний хлор)5–15 об'ємів/год4–12 хвDegremont
Хлорамінизначно нижче за хлоркінетика повільнішаDegremont
Сорбція органіки, питна вода5–10 об'ємів/год6–12 хвDegremont
Сорбція, сильно забруднена водане більше 3 об'ємів/годвід 20 хвDegremont
Кокосове вугілля 207С≈6 об'ємів/год10 хвБєліков
Вугілля типу Filtrasorb2–6 об'ємів/год10–30 хвБєліков

Як перевірити свій вузол за хвилину. Поділіть годинну витрату в літрах на об'єм завантаження в літрах. Балон 1354 містить близько 70 л вугілля; при 2 м³/год це 2000 / 70 ≈ 29 об'ємів на годину, тобто час контакту лише 2 хвилини — удвічі вище верхньої межі навіть для дехлорування. Такий вузол зніме запах і смак, але розраховувати на нього як на гарантований бар'єр по хлору чи хлорорганіці не варто. Щоб вийти на 15 об'ємів/год, на ті самі 2 м³/год потрібно вже 133 л вугілля, тобто балон 1665, а для сорбції органіки — 200 л і балон 1865.

Хлораміни — окремий випадок. Вугілля розкладає їх на азот і соляну кислоту, але кінетика цієї реакції помітно повільніша, ніж з вільним хлором, тож для порівнянного результату об'ємне навантаження треба значно знижувати — або брати каталітичне вугілля, розроблене саме під цю задачу.

Вибір марки

Що читати в паспорті: йодне число, зольність, твердість

Порівняємо два паспорти одного виробника — кам'яновугільне й кокосове каталітичне вугілля. Обидві марки є в нашій зведеній таблиці завантажень.

За технічними даташитами виробника (Jacobi Carbons, AquaSorb® 1000 і AquaSorb® CX-MCA).
ПоказникAquaSorb 1000 (кам'яне вугілля)AquaSorb CX-MCA (кокос, каталітичне)Як читати
Йодне числомін. 850 мг/гмін. 1000 мг/гОбсяг мікропор: дрібна молекула, хлор
Питома поверхня900 м²/г1060 м²/г (BET)Загальний ресурс поверхні
Метиленове число200 мг/гМезопори: велика молекула
Активність за CTCмін. 50%Ще одна міра сорбційної ємності
Зольністьмакс. 15%макс. 4%Чистота матеріалу; половина золи — кремній
Твердістьмін. 95%мін. 98% (ball-pan)Скільки матеріалу зітреться й піде у промивку
Вологістьмакс. 5%макс. 5%Ви платите за воду в мішку
Насипна щільність510 кг/м³514 кг/м³ (у шарі після промивки 437)Перерахунок кг ↔ літри при завантаженні
pH водної витяжки8–1110Свіже вугілля підлужнює першу воду
Фракціївід 20×50 до 8×16 mesh12×40 mesh (0,425–1,70 мм)Дрібніша фракція — краща кінетика, більший перепад
СертифікаціяNSF 61, AWWA B604-96, EN12915NSF 61, AWWA B604-96, EN12915Допуск до питної води

Коли яке вугілля

  • Кокосове (CS, CX-MCA) — питна вода, напої, зняття залишкового хлору й хлорорганіки, захист мембран і смол. Довідники оцінюють його перевагу над кам'яновугільним по хлору, озону й органіці як дво- і чотириразову.
  • Кам'яновугільне (AquaSorb 1000/1200) — велика молекула: гумінові речовини, кольоровість, пестициди; муніципальна вода, дехлорування технологічної води, пивоваріння й напої. Дешевше й міцніше, витримує багаторазову реактивацію.
  • Каталітичне (CX-MCA) — коли у воді хлораміни або сірководень. Каталітична поверхня розкладає хлорамін там, де звичайне вугілля вимагало б утричі більшого шару. Окремий кейс з паспорта — захист іонообмінних смол від хлорамінів.
  • Деревне — поступається за механічною міцністю, тому доречне в малогабаритних побутових фільтрах і фільтрах доочищення, а не в промислових балонах.

Про зольність варто сказати окремо. У золі активованого вугілля близько половини становить кремній, і він переходить у воду. Для звичайного водопостачання це дрібниця, але для котлових схем високого тиску — ні: у літературі прямо зазначено, що наявність кремнію ускладнює застосування активованого вугілля на станціях для енергетичних котлів тиском понад 7 МПа. Там дивляться на малозольні марки.

Підбір

Типорозмір балона під вугілля

Розрахунок ведемо від об'єму завантаження, а не від площі перерізу. У колонках — гранична витрата для трьох режимів: дехлорування на верхній межі, сорбція органіки та обережний режим для складної води.

Розрахунок МВК: витрата = об'ємне навантаження × об'єм завантаження. Об'єми завантаження — робочі (⅔ корпусу) за нашим довідником балонів.
БалонВугілля, лВисота шару, мДехлорування, 15 об/годСорбція, 10 об/годСкладна вода, 5 об/год
1054 (Ø10″)420,830,6 м³/год0,40,2
1252 (Ø12″)650,891,00,70,3
1354 (Ø13″)700,821,10,70,4
1465 (Ø14″)1001,011,51,00,5
1665 (Ø16″)1220,941,81,20,6
1865 (Ø18″)1570,962,41,60,8
2162 (Ø21″)2080,933,12,11,0
2472 (Ø24″)3001,034,53,01,5
3072 (Ø30″)4721,047,14,72,4
3672 (Ø36″)6651,0010,06,73,3

Зверніть увагу: при робочому завантаженні висота шару в цих балонах виходить 0,8–1,0 м — саме той діапазон, який дають довідники (0,8–3 м за Degremont; 0,6–0,9 м для кокосового 207С і 1 м для вугілля типу Filtrasorb за Бєліковим). Тобто стандартний балон із завантаженням на ⅔ об'єму сам по собі потрапляє в норму по шару — залишається перевірити тільки об'ємне навантаження.

Зворотна промивка вугілля м'якша, ніж у мінеральних завантажень: для кокосового вугілля довідники дають 24–29 м/год при розширенні шару близько 50%. Промивка тут не регенерує сорбент, а лише знімає накопичений бруд і розпушує шар, тому хімія не потрібна.

Проєктування

Чотири функції вугільного шару — і що з кожної випливає

Шар вугілля в фільтрі робить одночасно чотири речі. Три з них корисні, а одна — пастка.

1. Фільтрування — функцію треба свідомо мінімізувати

Вугілля механічно затримує завись, і це погано: шар забивається, а зерно передчасно насичується речовинами з пластівців. Тому довідник рекомендує ставити перед вугіллям окремий механічний фільтр і використовувати вугілля другим ступенем. Обмеження виробників на вміст зависі перед вугіллям — зазвичай не більше 10 мг/л, а за нормативами водопідготовки — не більше 1,5 мг/л.

2. Носій для бактерій — корисно й небезпечно водночас

Пориста поверхня з органікою заселяється мікрофлорою; таке вугілля називають біологічно активним, і воно частково саморегенерується. Але без керування це дає бродіння, запах, забивання шару й розвиток мікроорганізмів. Головний інструмент керування — регулярна промивка, навіть якщо за перепадом тиску вона ще не потрібна.

3. Відновлення окисників — тому знезараження ставлять ПІСЛЯ

Вугілля знімає з води залишковий хлор, тобто прибирає бар'єр проти бактерій. Довідник формулює наслідок як вимогу: після фільтрування на активованому вугіллі знезараження води питного призначення обов'язкове. Саме тому в схемах за вугільним балоном іде УФ-знезаражувач.

4. Адсорбція — власне те, заради чого все й ставилось

І тут є конкуренція: розчинена органіка змагається з мікрозабрудненнями за ті самі адсорбційні центри. Чим вища загальна органіка у воді, тим менша ємність вугілля щодо конкретної цільової речовини — пестициду чи хлорорганіки.

Практика

Типові помилки

  • Вугілля відразу на свердловинну воду. Залізо й завись садять поверхню зерна за тижні. Спершу знезалізнення й механіка, потім вугілля.
  • Балон підібраний за швидкістю фільтрування. Швидкість тут вторинна; рішення визначає об'ємне навантаження. Балон, який «проходить» за швидкістю, може мати втричі замалий об'єм завантаження.
  • Розрахунок на хлор там, де насправді хлораміни. Кінетика повільніша, звичайне вугілля не встигає. Потрібне каталітичне або значно більший шар.
  • Масла й жири на вугіллі. Плівка закриває пори, і сорбційна ємність втрачається безповоротно — регенерація промивкою тут не працює.
  • Сильний окисник перед вугіллям без розрахунку. Вугілля витрачається на його відновлення, а окиснення поверхні знижує здатність адсорбувати саме ті речовини, які беруться найлегше.
  • Тривалий простій без промивки. Застояна вода в теплому шарі з органікою — ідеальні умови для мікрофлори. Після простою вузол промивають, а воду до споживача не подають одразу.
  • Відсутність пост-фільтра. Вугільний пил із нового завантаження проскакує в мережу; картридж 5 мкм після балона знімає це питання.

Окремо про відкладення: дехлорувальна здатність вугілля падає від усього, що заважає контакту води із зерном, — насамперед від відкладень карбонату кальцію на жорсткій воді та від насичення поверхні раніше адсорбованими забрудненнями.

Експлуатація

Ресурс, промивка й заміна

Вугілля — єдине завантаження в схемі, яке витрачається, а не регенерується на місці. Пом'якшувач відновлюють сіллю, каталітичну засипку — окисником, а сорбційну ємність вугілля відновити на об'єкті нічим.

Способи регенерації активного вугілля за Бєліковим («Водопідготовка», п. 1.2.5).
Спосіб відновленняЯк працюєПридатність на об'єкті
Зворотна промивкаЗнімає бруд і розпушує шарОбов'язкова, але ємність не відновлює
Термічна регенераціяВипал органіки при 800–900 °C у спеціальних печахЛише централізовано; втрати вугілля 10–12%
Хімічна регенераціяОбробка гострою парою, потім лугомСкладна, ємність відновлює неповністю
БіологічнаБактерії мінералізують адсорбовану органікуВідбувається сама собою, але вкрай повільно
Заміна завантаженняВивантаження й засипка новогоОсновний спосіб для наших об'єктів

У вузлах МВК вугільний фільтр промивається раз на 2–3 доби по 15–20 хвилин, без хімії, а завантаження змінюється орієнтовно раз на 1,5–2 роки. Точний строк визначає не календар, а вода: повернення запаху й присмаку, поява залишкового хлору на виході або зростання перепаду тиску — це і є сигнали до заміни.

Для об'єктів із безперервним споживанням вугільний ступінь ставимо парою балонів у режимі twin alternating з альтернатором: один балон працює, другий у резерві або на промивці. Типорозмір при цьому підбирається під повну продуктивність одного балона, а не під половину.

Джерела даних

Звідки взяті числа

AquaSorb® — торгова марка Jacobi Carbons, Filtrasorb® — Calgon Carbon. МВК не є виробником цих матеріалів; сторінка описує їх застосування в інженерних схемах водопідготовки. Підбір під конкретний об'єкт робиться за аналізом води.

FAQ

Часті запитання

Що активоване вугілля прибирає з води, а що ні?
Прибирає: вільний хлор і діоксид хлору, надлишковий озон, хлораміни (повільніше), хлорорганіку — хлороформ та інші тригалометани, розчинену органіку, пестициди, нафтопродукти в малих концентраціях, присмаки, запахи й кольоровість. Не прибирає: солі жорсткості, залізо й марганець у розчиненій формі, нітрати, сульфати, загальну мінералізацію. Вугілля — сорбент органіки й відновник окисників, а не пом'якшувач і не знезалізнювач.
Кокосове чи кам'яновугільне — що краще?
Залежить від задачі, але для питної води й напоїв кокосове зазвичай виграє. У довідковій літературі різниця оцінюється прямо: за здатністю знімати залишковий хлор, озон і органіку кокосові марки ефективніші за кам'яновугільні в 2–4 рази. Друга причина — чистота: у паспортах Jacobi зольність кокосового AquaSorb CX-MCA обмежена 4%, а кам'яновугільного AquaSorb 1000 — 15%. Кам'яновугільне натомість має ширші транспортні пори й краще бере велику молекулу — гумінові речовини, барвники.
Що таке йодне число і на що ще дивитись у паспорті?
Йодне число — маса йоду в мг, яку адсорбує 1 г вугілля; воно характеризує обсяг мікропор, тобто здатність брати дрібну молекулу (хлор, хлороформ). Метиленове число показує мезопори — велику молекулу. CTC — активність за чотирихлористим вуглецем. Крім них дивіться зольність (чим менша, тим чистіше вугілля), твердість (від неї залежить, скільки матеріалу піде у промивку) і вологість. Орієнтир: йодне число 850 мг/г — це середня активність, 1000 мг/г і вище — висока.
Скільки вугілля треба на мою продуктивність?
Рахують не за швидкістю фільтрування, а за об'ємним навантаженням — скільки об'ємів води проходить за годину через один об'єм вугілля. Для дехлорування довідники дають 5–15 об'ємів/год, для сорбції органіки з питної води — 5–10, для стічних вод — не більше 3. На 2 м³/год це відповідно 133–400 л завантаження. Порахуйте свій вузол: якщо в балоні 70 л вугілля, а через нього йде 2 м³/год, навантаження становить майже 29 об'ємів/год — утричі вище норми для надійного дехлорування.
Чому вугілля треба міняти, якщо його промивають?
Бо зворотна промивка знімає лише затриманий бруд, а не відновлює сорбційну ємність. Пори поступово заповнюються органікою, і настає проскок. Промислова регенерація можлива — термічна, випалюванням органіки при 800–900 °C, — але вона потребує спеціальних печей і супроводжується втратами вугілля 10–12%. На об'єкті завантаження просто замінюють; типовий ресурс у наших вузлах — 1,5–2 роки, далі за фактичним проскоком хлору чи поверненням запаху.
Чи можна ставити вугілля відразу на свердловинну воду?
Ні, і це найдорожча помилка в цій темі. Виробники обмежують вміст зависі перед вугіллям: зазвичай не більше 10 мг/л, а за нормативами водопідготовки — не більше 1,5 мг/л. Завись забиває шар механічно, а залізо й органічні пластівці «садять» поверхню зерна, і дорогий сорбент починає працювати як поганий механічний фільтр. Перед вугіллям завжди стоїть механіка, а якщо у воді є залізо — вузол знезалізнення.
Чому після вугільного фільтра потрібне знезараження?
Тому що вугілля знімає з води залишковий хлор — тобто саме той бар'єр, який стримував бактерії. До того ж пориста поверхня з накопиченою органікою є ідеальним носієм для мікрофлори: у літературі шар вугілля прямо називають біологічно активним. Довідники формулюють це як вимогу: після фільтрування на активованому вугіллі знезараження води питного призначення обов'язкове. Тому в наших схемах за вугільним балоном іде УФ.

Читайте також

Безкоштовна консультація

Підберемо завантаження під вашу воду

Надішліть аналіз води й потрібну продуктивність — інженер МВК порахує шар, промивку й типорозмір балона, підготує КП.

+380 67 443 37 87

Що потрібно вирішити?

Яка вода на вході?

Скільки води потрібно?

Є аналіз води?

Куди надіслати розрахунок?

Натискаючи кнопку, ви погоджуєтесь на обробку контактних даних для звʼязку.

Питання? Напишіть у Telegram