Стандарты очистки воды по всему миру становятся всё более строгими. Чтобы соблюдать более жесткие ограничения на содержание побочных продуктов дезинфекции, всё больше муниципальных коммунальных предприятий перешли с использования свободного хлора в качестве вторичного дезинфицирующего средства на хлорамин — более стабильное соединение хлора и аммиака. Этот переход решил одну проблему, но создал другую: хлорамин гораздо сложнее удалить в точке потребления. Стандартный активированный уголь, основной фильтрующий материал в бесчисленных системах фильтрации, поглощает хлорамин медленно и неполностью, что заставляет коммунальные предприятия, системных интеграторов и промышленных покупателей искать фильтрующий материал, способный надежно справиться с этой задачей.
Каталитический активированный уголь представляет собой активированный уголь с модифицированной поверхностью, который сочетает в себе адсорбционную способность обычного угля с повышенной каталитической активностью, что позволяет ему химически разлагать загрязняющие вещества, такие как хлорамин и сероводород, на безвредные конечные продукты, а не просто удерживать их на своей поверхности.
В приведенных ниже разделах объясняется, что придает этому материалу каталитические свойства, как происходит процесс модификации, чем он отличается от стандартного активированного угля, какие загрязнения он удаляет, а также как правильно подобрать размеры и обеспечить техническое обслуживание системы, построенной на его основе.
Что такое каталитический активированный уголь?
Каталитический активированный уголь — это активированный уголь, поверхностный химический состав которого был модифицирован с помощью высокотемпературного газового процесса, что придало ему способность не только адсорбировать целевые загрязнители, но и выступать в качестве катализатора, ускоряющего их химическое разложение.
Как и любой активированный уголь, каталитический уголь представляет собой пористый углеродный каркас. Один грамм такого угля может иметь внутреннюю поверхность площадью примерно от 900 до 1 100 квадратных метров — сеть микро-, мезо- и макропор, которая удерживает растворенные и газообразные загрязнения при прохождении воды или воздуха. Сырьё, такое как скорлупа кокосового ореха, битуминозный уголь и древесина, сначала подвергается карбонизации, а затем активируется с помощью пара или углекислого газа для раскрытия этой сети пор, что соответствует тем же принципам, лежащим в основе всех активированный уголь продукты.
Отличительной особенностью угля каталитического качества является дополнительный этап производства, изменяющий электронную структуру поверхности угля. Этот этап повышает плотность активных центров вдоль краёв графитовых базовых плоскостей — мест, где протекают окислительно-восстановительные реакции. В результате получается материал с двойной функцией. Он по-прежнему адсорбирует свободный хлор, вещества, вызывающие привкус и запах, летучие органические соединения и побочные продукты дезинфекции точно так же, как и обычный уголь, и в то же время преобразует сложные загрязнители, такие как монохлорамин и растворенный сероводород, в хлорид, азот, сульфат и другие безвредные соединения. Поскольку катализатором является сама поверхность угля, он не расходуется в процессе работы, что обеспечивает более длительный срок эффективной службы в отношении загрязняющих веществ, для борьбы с которыми он был разработан.
«Каталитический уголь» — это то же самое, что «каталитический активированный уголь»?
Да. «Каталитический уголь» — это просто сокращённое отраслевое название каталитического активированного угля, и эти два термина взаимозаменяемо используются производителями, инженерами и специалистами по водоочистке. Оба термина относятся к одному и тому же материалу с модифицированной поверхностью, который иногда также называют углем с улучшенными поверхностными свойствами или высокоактивным углем.
Одно уточнение поможет покупателям избежать дорогостоящей путаницы. Каталитический активированный уголь не относится к тому же семейству продуктов, что и пропитанный активированный уголь. На внутренних поверхностях пропитанного угля нанесены химические вещества, предназначенные для улавливания определённых газов или тяжелых металлов, в то время как каталитическая активность каталитического угля обусловлена исключительно измененным химическим составом его поверхности, без использования каких-либо химических добавок. Для проектов по очистке питьевой воды это различие имеет важное значение, поскольку устраняет любые опасения относительно вымывания добавок в очищенную воду.
Как производится каталитический активированный уголь?
Каталитический активированный уголь изначально представляет собой обычный активированный уголь, который приобретает свои каталитические свойства в результате дополнительной высокотемпературной обработки в контролируемой газовой атмосфере, что приводит к изменению поверхностных функциональных групп без добавления каких-либо химических веществ в материал.
Производство проходит те же начальные этапы, что и у любого гранулированного угля премиум-класса. Скорлупа кокосового ореха, одно из наиболее широко используемых сырьевых материалов для сортов, предназначенных для очистки воды, сначала подвергается карбонизации в среде с низким содержанием кислорода, а затем активируется паром при температуре примерно от 850 до 1000 °C. В результате активации уголь частично газифицируется, и образуется сеть микропор, обеспечивающая адсорбционную способность. На этом этапе в значительной степени определяются такие характеристики, как твердость, пылеобразование и износостойкость, поэтому выбор исходного материала является ключевым фактором, определяющим качество; сорта, изготовленные на основе твердых плодовых скорлуп, таких как активированный уголь из скорлупы кокосового ореха ценится за низкую пылеотдачу и длительный срок службы слоя в системах обратной промывки.
Процесс модификации поверхности
После активации уголь подвергается второй термической обработке, как правило, при температуре выше 900 °C, в контролируемой атмосфере, которая может содержать пар, диоксид углерода или газы, содержащие аммиак. Рецензируемые научные исследования по теме модификация материалов на основе углерода объясняет повышение производительности двумя изменениями поверхности, происходящими на этом этапе:
- Кислотные кислородосодержащие функциональные группы на поверхности подвергаются избирательному восстановлению.
- Доминирующее положение занимают основные поверхностные оксиды и активные центры на краях, что изменяет характер переноса электронов на поверхности углерода.
Эти изменения позволяют поверхности вести себя как локализованная электрохимическая ячейка. Она принимает и отдает электроны в ходе окислительно-восстановительных реакций с молекулами загрязнителей, при этом сама оставаясь химически неизменной. Поскольку данная модификация является неотъемлемой частью углеродной структуры, а не просто покрытием, каталитическая функция не вымывается, не отслаивается и не исчерпывается со временем, как это может происходить с нанесенным химическим слоем.
Что не является каталитическим углеродом (не пропитанный)
Специалисты по закупкам часто путают каталитический уголь с химически модифицированными носителями, поэтому стоит четко обозначить, чем он не является:
- Он не пропитан. На его поверхности не осаждаются ни перманганат калия, ни соли серебра, ни соединения йода, ни другие реагенты, в отличие от пропитанный активированный уголь продукты, предназначенные для специализированных газовых и жидких объектов.
- Для обеспечения его активности он не подвергается химической очистке или нанесению покрытия. Каталитические центры являются частью самого углерода.
- Это не определяется йодным числом. Углерод с очень высоким йодным числом может всё же демонстрировать слабую каталитическую активность, в то время как каталитический сорт с умеренным йодным числом может превосходить его по эффективности удаления хлорамина.
Именно поэтому покупателям следует оценивать каталитические сорта на основе данных о разложении перекиси и результатов испытаний в реальных условиях, а не только по показателям адсорбции.
Как работает каталитический активированный уголь?
Каталитический активированный уголь действует за счет одновременного действия двух механизмов: физической адсорбции в своей пористой структуре и поверхностного катализа, при котором активные центры переносят электроны, разлагающие молекулы загрязняющих веществ на безвредные продукты.
Адсорбция и катализ: механизм окислительно-восстановительной реакции
Обычный активированный уголь удаляет свободный хлор и многие органические соединения исключительно за счет адсорбции. Молекулы загрязнителей прилипают к стенкам пор, и как только доступная поверхность заполняется, адсорбционная способность исчерпывается, и фильтрующий материал необходимо заменить. Каталитический активированный уголь сохраняет этот первый механизм и дополняет его вторым. В случае монохлорамина, который является доминирующим видом хлорамина в питьевой воде, каталитический процесс протекает на поверхности в два этапа:
- NH₂Cl + H₂O + C* → NH₃ + H⁺ + Cl⁻ + CO*
- NH₂Cl + CO* → N₂ + 2H⁺ + 2Cl⁻ + H₂O + C*
Здесь C* обозначает каталитически активный центр, а CO* — промежуточное соединение оксида углерода, образующееся на первом этапе. В результате хлорамин преобразуется преимущественно в газообразный азот и ионы хлорида, которые в рассматриваемых концентрациях являются безвредными. Поскольку активный центр регенерируется на втором этапе, один и тот же центр может последовательно разлагать множество молекул хлорамина. Именно благодаря этому регенеративному поведению каталитический уголь служит гораздо дольше, чем стандартный уголь, при расщеплении хлорамина, поскольку обычный уголь быстро исчерпывает свои ограниченные каталитические активные участки.
Та же самая окислительно-восстановительная логика применима и к химии серы. При наличии растворенного кислорода в воде поверхность способствует окислению растворенного сероводорода с образованием элементарной серы и сульфатных соединений, которые затем вымываются из фильтрующего слоя во время обратной промывки. Помимо питьевой воды, эти свойства находят применение в более широком спектре области применения каталитического углерода как при жидкофазной, так и при газофазной обработке.
Измерение каталитической активности: перекисное число
Отраслевым эталоном качества катализатора является перекисное число, определяемое как время в минутах, необходимое для того, чтобы образец углерода разложил фиксированное количество перекиси водорода. Более быстрое разложение означает более низкое перекисное число и более высокую каталитическую активность, что напрямую коррелирует с эффективностью удаления хлорамина.
Сравнительные испытания демонстрируют разницу между марками. При одинаковых условиях контакта в течение 10 минут стандартный уголь из скорлупы кокосового ореха разлагает примерно 20 процентов концентрированного раствора перекиси, тогда как модифицированный уголь каталитического класса — более 95 процентов. В колонных испытаниях с подачей раствора хлорамина в концентрации 3 ppm стандартный гранулированный уголь пропускал раствор примерно через 10 минут, тогда как каталитический уголь выдерживал нагрузку до примерно 50 минут при том же расходе, что свидетельствует о примерно пятикратном увеличении производительности, обусловленном модификацией поверхности. Поэтому покупатели, запрашивающие коммерческие предложения, при оценке нового поставщика должны просить у него предоставить данные о разложении перекиси наряду с показателями йодного числа.
Каталитический активированный уголь и стандартный активированный уголь
Эти два материала имеют одинаковую базовую структуру и адсорбционные свойства, однако каталитический активированный уголь обладает дополнительными свойствами поверхностного катализа, что обеспечивает преимущество на порядок выше при удалении хлорамина и явное преимущество при удалении сероводорода при относительно небольшой надбавке к цене.
| Параметр | Стандартный активированный уголь | Каталитический активированный уголь |
| Технологический процесс | Карбонизация с последующей активацией паром или CO₂ | То же самое, плюс высокотемпературная модификация поверхности |
| Химия поверхностей | Смесь кислых и щелочных оксидов | Преобладание основных оксидов, более высокая плотность активных центров |
| Механизм удаления | Только адсорбция | Адсорбция и катализ |
| Характеристики хлорамина | Медленно и неполноценно при практических контактах | Быстрое каталитическое разложение |
| Типичный EBCT для хлорамина | От 20 до 30 минут, что редко бывает целесообразно | от 2 до 5 минут |
| Удаление свободного хлора | Отлично | Отлично |
| Сероводород | Только следовые количества, эффективность быстро снижается | Более высокие показатели при наличии растворенного кислорода |
| ЛОС и адсорбция органических веществ | Отлично | Эквивалент |
| Химические добавки | Нет | Нет |
| Относительная стоимость | Исходные данные | «Премиум», что отражает дополнительный этап обработки |
В таблице также объясняется, почему такая надбавка к цене, как правило, оправдана. Чтобы обеспечить такую же эффективность катализа при обработке хлорамина, стандартной угольной системе потребовались бы нереально большой слой наполнителя и длительное время контакта, и даже в этом случае она быстро выработала бы свой ресурс. Если вода содержит только свободный хлор, стандартная гранулированный активированный уголь остаётся экономичным решением. Когда в подаваемой воде содержится хлорамин (что в настоящее время характерно для значительной части муниципальных систем водоснабжения) или когда после окисления необходимо устранить запах серы, каталитический уголь, как правило, является вариантом с наименьшей совокупной стоимостью с учётом размера слоя, занимаемой площади и частоты замены.
Какие загрязняющие вещества удаляет каталитический активированный уголь?
Наиболее хорошо изученными объектами воздействия являются хлорамин, сероводород и свободный хлор, а также широкий спектр органических загрязнителей, включая тригалометаны, летучие органические соединения, пестициды и растворенные органические вещества.
Удаление хлора и хлорамина
В настоящее время дезинфекция с использованием хлорамина получила широкое распространение. Согласно Агентство по охране окружающей среды США, более чем каждый пятый американец пьёт воду, обработанную хлораминами, которые коммунальные предприятия используют из-за того, что это соединение более устойчиво в распределительных трубопроводах и образует меньше регулируемых побочных продуктов дезинфекции, чем свободный хлор. Однако для конечных потребителей и последующих технологических процессов хлорамин становится причиной жалоб на вкус и запах, а также представляет реальные риски для технологических процессов. Он проходит через мембраны обратного осмоса и умягчающие материалы с незначительным снижением концентрации, его невозможно удалить кипячением, и он опасен для пациентов, проходящих диализ, и для рыб, поскольку преобразует гемоглобин после попадания в кровоток через диализные мембраны или ткань жабр. Стандартный уголь снижает содержание хлорамина лишь частично, прежде чем теряет свою эффективность, в то время как каталитический уголь непрерывно преобразует его, обеспечивая улучшение вкуса и запаха, защиту мембран обратного осмоса и ионообменных смол, а также снижение воздействия азотистых побочных продуктов.
Сероводород и запах тухлых яиц
В колодезной воде растворенный сероводород вызывает характерный запах тухлых яиц даже при концентрациях, значительно ниже 1 мг/л. Наиболее эффективным методом является предварительное окисление с помощью впрыска перекиси водорода, вдувания воздуха или дозирования озона для преобразования сульфида в элементарную серу и окисленные соединения серы. Затем каталитический уголь выступает в качестве этапа доочистки: он адсорбирует остаточный газ, катализирует дальнейшее окисление там, где сохраняется растворенный кислород, и высвобождает накопленные продукты окисления во время обратной промывки. Обычный уголь может маскировать следовые концентрации в течение короткого периода, но его рабочая способность быстро снижается, поэтому в системах очистки от серы окислительные фильтры почти всегда сочетаются с слоем каталитического угля.
Органические вещества и побочные продукты дезинфекции
Поскольку каталитические сорта углерода сохраняют всю микропористую структуру обычного углерода, они также обеспечивают высокую адсорбцию следующих веществ:
- Тригалометаны, в том числе хлороформ, образуются в результате реакции хлора с природными органическими веществами
- Летучие органические соединения и хлорированные растворители
- Остатки пестицидов и гербицидов
- Вещества, определяющие вкус и запах, такие как геосмин и метилизоборнеол
- Растворенные органические соединения, способствующие биологическому разрастанию в системах распределения
Основные технические характеристики и показатели качества
Покупателям следует оценивать каталитический активированный уголь на основе совокупности показателей адсорбции, каталитических характеристик, механических свойств и сертификатов на соответствие требованиям к питьевой воде, а не исходя из какого-либо отдельного показателя.
| Параметр | Типичное значение или диапазон | Почему это важно |
| Йодное число | от 900 до 1 100 мг/г | Отражает объем микропор и общую адсорбционную способность |
| Площадь внутренней поверхности | Примерно от 1 000 до 1 100 м²/г | Связано с кинетикой адсорбции и адсорбционной способностью по органическим веществам |
| Перекисное число | Чем ниже, тем лучше; данные приводятся в минутах | Прямой показатель каталитической активности и эффективности хлорамина |
| Размер частиц | Обычно с ячейками размером 8×30 или 12×40 | Баланс между падением давления, кинетикой и характеристиками обратной промывки |
| Твёрдость по шкале Болла-Панна | Более 90 процентов | Устойчивость к износу и образованию пыли во время обратной промывки |
| Содержание золы | Низкий | Меньшее содержание выщелачиваемых неорганических веществ и мелких фракций |
| Влажность | 5 процентов или менее при упаковке | Предполагаемый чистый вес упаковки при доставке |
| Кажущаяся плотность | Примерно от 0,45 до 0,55 г/см³ | Основа для расчёта объёма судна и определения объёма заказа |
| Соответствие стандартам | AWWA B604; ANSI/NSF 61 | Подтверждает пригодность для контакта с питьевой водой |
Особое внимание следует уделить вопросу сертификации. Поскольку федеральное законодательство напрямую не регулирует сферу бытовых очистных систем, добровольные стандарты, такие как NSF/ANSI 42, 53 и 61, определяют санитарные, конструктивные и эстетические требования, которым должны соответствовать системы и их компоненты, так как NSF объясняет. Перед размещением оптового заказа запросите паспорт безопасности, протоколы испытаний конкретной партии и данные о разложении перекиси, а также, по возможности, проведите пробную колонную очистку с использованием реальной подаваемой воды, чтобы подтвердить время контакта и производительность.
Области применения каталитического активированного угля
Данный материал предназначен для трёх основных рынков: очистки воды в муниципальных системах и жилых домах, доочистки колодезной воды, а также для целого ряда промышленных и коммерческих процессов, требующих надёжного контроля содержания хлорамина, хлора или серы.
Очистка воды для муниципальных и бытовых нужд
На входе каталитический уголь заполняет резервуары обратной промывки, установленные по всему дому, которые удаляют хлорамин и хлор из воды, поступающей из любого крана, а в точке потребления он используется в виде картриджей и угольных блоков. В целях защиты оборудования он устанавливается перед мембранами обратного осмоса и деионизирующей смолой, которые со временем подвергаются окислительному повреждению, и является стандартным этапом предварительной очистки там, где требуется вода с постоянно низким содержанием окислителей. Поскольку хлорамин представляет собой проблему в очистка питьевой воды Во всем мире указание класса «каталитический» является самым простым способом обеспечить перспективность конструкции на случай, если коммунальные предприятия перейдут на другие дезинфицирующие средства.
Дополнительная очистка колодезной воды
В частных скважинах этап окисления обычно сочетается с угольным слоем. После того как обработка перекисью, впрыск воздуха или озонирование преобразуют сероводород и осаждают железо, каталитический уголь служит последним барьером, удаляющим частицы окисленной серы, остатки окислителя и органические вещества, вызывающие стойкие проблемы с привкусом. Его высокая твёрдость и низкая пылеобразовательность позволяют выдерживать частую обратную промывку, требуемую такими режимами эксплуатации, а его каталитическая поверхность завершает процесс, начатый окислением.
Промышленное и коммерческое применение
Предприятия перерабатывающей промышленности используют каталитический уголь везде, где остатки дезинфицирующих средств или соединения серы могут негативно повлиять на качество продукции или состояние оборудования:
- Аквакультура и рыбоводческие хозяйства, где хлорамин оказывает токсическое воздействие на рыбу даже в низких концентрациях
- Предприятия по производству продуктов питания и напитков, которым требуется обезхлорированная технологическая вода перед смешиванием ингредиентов
- Очистка биогаза, где из газа, образующегося в биогазовом реакторе, необходимо удалить сероводород для защиты двигателей, котлов и трубопроводов
- Очистка сточных вод полировка, в ходе которой перед сбросом или повторным использованием удаляются остатки органических веществ и снижается цветность
- Коммерческие здания и лаборатории, которым требуется стабильная подача воды с низким содержанием окислителей
В каждом случае экономическое обоснование одно и то же: каталитическая поверхность выполняет химические реакции, которые не под силу обычному адсорбенту, поэтому меньшие размеры слоев и более длительные интервалы между заменами компенсируют более высокую цену за единицу.
Подбор размеров, монтаж и техническое обслуживание
Эффективность в меньшей степени зависит от самого фильтрующего материала, а в большей — от обеспечения достаточного времени контакта, поддержания чистоты фильтрующего слоя посредством обратной промывки, а также от замены фильтрующего материала на основании данных о качестве воды, а не по фиксированному графику.
Время контакта и определение размера ложа
Время контакта, обычно выражаемое как время контакта в пустом слое (EBCT), является важнейшим проектным параметром. При каталитическом разложении хлорамина заданные показатели снижения концентрации обычно достигаются при EBCT от 2 до 5 минут, тогда как стандартному угольному фильтру для выполнения той же задачи может потребоваться от 20 до 30 минут, что невозможно обеспечить ни в одной практической бытовой установке. Расчет размеров должен осуществляться в следующей простой последовательности:
- Определите пиковую почасовую нагрузку, а не только среднесуточный поток.
- Выберите проектную EBCT для основного загрязняющего вещества, при этом определяющим фактором обычно является хлорамин.
- Рассчитайте необходимый объём среды, умножив пиковый расход на EBCT.
- Сравните перепад давления с выбранным размером частиц и отрегулируйте параметры реактора, а не время контакта.
Недостаточно большие фильтрационные слои пропускают хлорамин во время утренних и вечерних пиковых нагрузок даже при использовании свежего фильтрующего материала, поэтому не поддавайтесь искушению уменьшить размер резервуара ради снижения первоначальных затрат.
Обратная промывка и срок службы
Периодическая обратная промывка разрыхляет и перераспределяет заполнитель, высвобождает застрявшие твердые частицы, предотвращает образование каналов и удаляет продукты окисления, образовавшиеся в процессе очистки от серы. В правильно рассчитанных системах бытового назначения каталитический уголь обычно служит от 5 до 10 лет до замены, хотя высокая концентрация хлорамина или органических загрязнений значительно сокращает этот срок. Заменяйте наполнитель, если вновь появляются привкус или запах, если анализы подтверждают прорыв хлорамина или ТГМ, либо если обратная промывка больше не восстанавливает давление и расход. Неиспользованный наполнитель хранится годами в герметичной сухой упаковке, поэтому запасы можно заказывать без опасений.
Часто задаваемые вопросы
Можно ли регенерировать или повторно использовать каталитический активированный уголь?
Крупномасштабная термическая реактивация позволяет восстановить значительную часть адсорбционной способности отработанного угля, однако тонкую поверхностную химию, обеспечивающую каталитическую активность, полностью восстановить сложно, и реактивированный материал редко достигает таких же показателей по удалению хлорамина, как новый каталитический уголь. Для большинства систем водоочистки своевременная замена наполнителя является более предсказуемым и экономичным решением. Очень крупные промышленные потребители иногда проводят периодическую реактивацию за пределами объекта, если это оправдано с точки зрения логистики и объемов, однако перед возвращением в эксплуатацию возвращаемый уголь следует повторно проверить на перекисную активность.
Удаляет ли каталитический уголь жесткость, TDS или растворенные минералы?
Нет. Каталитический активированный уголь представляет собой фильтрующий материал, предназначенный для удаления окислителей, хлорамина, соединений серы и органических веществ. Растворенные ионные загрязнители, такие как кальций, магний, натрий, хлорид, нитрат и фторид, проходят через него практически без изменений, поэтому жесткость и общее содержание растворенных твердых веществ остаются неизменными. В проектах, где требуется снижение этих показателей, каталитический уголь следует использовать в сочетании с умягчителем для снижения жесткости или системой обратного осмоса для удаления растворенных твердых веществ, при этом стадия угольного фильтра должна устанавливаться первой для защиты последующего оборудования.
Следует ли устанавливать каталитический уголь до или после умягчителя воды или системы обратного осмоса?
Установите его перед обоими устройствами. Свободный хлор и хлорамин со временем окисляют и разрушают ионообменную смолу, а также сокращают срок службы мембран обратного осмоса, поэтому установка каталитического угольного фильтра перед умягчителем или установкой обратного осмоса продлевает срок службы всей системы. Такая последовательность также улучшает качество воды, поступающей непосредственно на оборудование, поскольку уголь удаляет привкус, запах и органические загрязнения, с которыми умягчитель и мембрана не рассчитаны справляться.