活性碳在水純化的功能與應用

活性碳吸附及過濾(activated carbon adsorption and filtration)

活性碳是由木材,殘木屑,椰子殼,煤炭或瀝青等物質在高溫下乾餾(pyrolysis)後碳化(carbonization)而成,把原料中非碳成份去除,形成多孔性的碳化物質,製成後還需以熱空氣或水蒸氣或化學物質加以活化(activation)。

所謂活化(activation),就是將活性碳的表面大量裂解(增加表面積)及氧化(oxidation)以增強化學吸附能力。

它的主要作用是中和(neutralization)水中餘氯以及吸附(adsorption)分子量在60到300道爾頓(dalton)的溶解性有機物質。

活性碳的表面呈顆粒狀,內部是多孔的,孔內有許多約1Onm ~ lÅ大小的毛細管,1公克的活性碳內部表面積可高達700-1400 m2,而這些毛細管內表面及顆粒表面就是吸附作用之所在。

活性碳吸附作用可分為下列三種 :

a.物理性吸附作用亦稱凡得瓦爾力(Van der waals force)吸附,主要是藉固體吸附劑與被吸附物間之分子引力,使被吸附物附著在吸附劑之固體表面。物理吸附是可逆的,被吸附物分子僅停留在吸附劑表面,而不參與固體的晶格互動。

 b.化學吸附亦稱為活性吸附,主要係藉吸附劑與被吸附物間化學作用所產生的化學鍵,使吸附物牢固地附著在吸附劑表面。此一化學吸附力較物理吸附力大,且因化學吸附時,被吸附物處於更穩定的狀態下,故所放出的能量亦較大。

 c.靜電吸附主要係藉吸附劑表面靜電荷之吸引力使得被吸附物附著在其表面,此種吸附作用與溶液中的pH值有關,若吸附劑為鹼性劑,則吸附作用對酸性溶液較有利,反之亦然。一般活性碳的吸附效率是以等溫度吸附曲線來表示

影響活性碳性能的各種因素 :

影響活性碳清除有機物能力的因素有活性碳本身的表面積孔洞大小以及被清除有機物的分子量及其極性(Polarity),它主要靠物化性質的氫鍵凡得瓦爾力的吸附能力來去除有機污染物,當吸附能力達飽合之後,就必須定時利用更換全新耗材或再生的方式來維持活性碳的功能。

測定進水及出水的TOC濃度差(或細菌數量差)是考量更換已飽和活性碳的依據之一。

一般逆滲透膜(RO)對氯(chlorine Cl2)的耐受性不佳,所以在逆滲透模組之前要有活性碳的處理,使氯能夠被活性碳有效的中和去除。

在污水處理的應用上,活性碳吸附法為藉活性碳的吸附作用吸附去除水中所含之溶解性或難分解性之有機物,作為廢水處理單元,其處理目的包括去除水中的BOD、COD脫色除臭等。

在自來水處理之應用,主要用於還原或中和水中之餘氯或其他氧化劑,如:臭氧等。

活性碳在吸附效果對降低淤泥指數(SDI silt density index)亦相當有效,通常其處理過後的水SDI值會降低約3~4。

通常活性碳依外形及用途可區分為三種型式 :

(1)粉末狀活性碳(PAC: powdered activated carbon) 活性碳經磨碎後,其顆粒粒徑小於325 mesh(0.043mm)約占60~75%者,稱之為粉末狀活性碳。

粉末狀活性碳用於廢水處理時大都直接添加於混凝槽或攪拌槽中,以吸附廢水中有機物質或達到脫色或除臭等目的,其吸附效率較高但再生困難。

2)顆粒狀活性碳(GAC: granulated activated carbon )活性碳顆粒粒徑在30-40 mesh以上者,通稱為顆粒狀活性碳。

其應用於空氣過濾,水質純化及廢水處理時大都採用固定床吸附或管柱吸附型式,由於表面積較小,吸附能力較PAC差,但因顆粒較大在濾床或管匣中不易堵塞且易於再生。

 

(3)合成級高純度活性碳(Polystyrene synthetic nuclear type activated carbon)這是由高分子聚苯乙烯在聚合過程中建立起三度空間結構的同心圓狀的形狀,具有高純度,高表面積,高結構強度及低流動阻力的特性,專用在超純水的純化製程中,可將水中的有機物(TOC)降至10ppb以下。

活性碳最主要的材質特性是其擁有巨大的表面積,一般選用活性碳時可根據下列三種物理質加以研判 :

A、碘值(iodine number) : 為活性碳吸附低分子量有機物質之指標,一般碘值約在600~1,000之間。

B、糖蜜值(molasses number) : 為活性碳吸附高分子量物質之指標,一般糖蜜值約在100~500之間。

C、表面積 :表示活性碳吸附容量之大小,通常表面積愈大時其吸附能力愈大。

結論:

在純水系統的水質純化過程當中,活性碳扮演舉足輕重的腳色,在前處理的階段中,我們使用顆粒化及壓實粉末的兩種活性碳來吸附原水的有機物,中和漂白水及過濾懸浮顆粒等。

 

在純水儲槽的空氣過濾中,也使用活性碳來吸附環境空氣中的揮發性有機物(VOC),以避免污染儲存的純水。

 

在超純水的純化當中,使用超高純度的合成級活性碳來吸附殘留在水中的有機物變得非常重要。

參考資料

elga labwater