Активированные угли в водоподготовке

Одним из самых старых и надежных методов очистки воды является адсорбция. В роли адсорбентов могут выступать многие вещества: активированные угли, силикагели, алюмосиликагели, пепел, оксиды и гидроксиды некоторых металлов (главным образом алюминия), глины (бентонит), смешанные адсорбенты (формируются в процессе синтеза из частиц разных типов), "полисорбы"(синтетические полимерные сорбенты). Однако самыми эффективными для очистки воды принято считать активированные угли.

Благодаря развитой внутренней поверхности активированные угли способны эффективно удалять из воды органические соединения различной природы, а также некоторые неорганические вещества. Это обуславливает их активное использование в водоподготовке для обесцвечивания, устранения неприятного вкуса и запаха воды, которые вызваны наличием разнообразных органических соединений, сероводорода, остаточного хлора и его токсичных побочных продуктов.

Одновременно угли могут использоваться на стадии предподготовки для удаления из воды примесей, являющихся причиной деградации ионообменных смол и обратноосмотических мембран (хлора, гуминовых веществ и др.). Кроме того, важным достоинством АУ является их высокая адсорбционная способность по отношению к широкому ряду токсичных загрязнителей воды, а именно: ксенобиотикам (диоксин, бензопирен, полихлорированные и полиароматические углеводороды), фенолам, пестицидам, нефтепродуктам, соединениям тяжелых металлов, хлорпроизводным (хлорамины, тригалогенометаны).

Для выполнения перечисленных функций существует большое количество разнообразных углей. Рассмотрим чем они отличаются.

Какие бывают активированные угли

Активированный уголь (АУ) представляет собой углеродный адсорбент с развитой пористой структурой. Стандартным сырьем для получения АУ являются:

• твердое топливо: торф, уголь, антрацит;
• дерево и продукты его переработки;
• другое углеродсодержащее сырье, в первую очередь скорлупа кокосовых орехов.

Традиционная технология получения активированного угля сводится к следующему: после предварительной подготовки (дробления, ассева, формования) углеродсодержащее сырье обжигается при высокой температуре в инертной среде без доступа воздуха и далее активируется паром, в результате чего образуется определенная структура пор, обеспечивающая хорошие адсорбционные характеристики. Качество конечного продукта зависит от природы исходного сырья и условий производства. На сегодняшний день выпуском активированных углей занимаются много компаний, но наиболее качественные продукты производят:

• Calgon Carbon Corporation (США), Chemviron Carbon (представительство в Европе);
• Norit Activated Carbon (Нидерланды);
• Silcarbon Aktivkohle (Германия);
• Cece (Франция);
• Pica U.S.A. Inc. (США).

В процессах водоочистки используются древесные, кокосовые, каменноугольные они же битуминозные угли или их смеси. В последнее время из-за невысокой механической прочности угли на древесной основе стали использоваться реже. Вторым существенным недостатком древесных АУ является преобладание в структуре макропор, что делает их малоэффективными при удалении наиболее распространенных примесей (хлора, хлорпроизводных, органических соединений). Для этих целей все чаще используются кокосовые угли, обладающие хорошо развитой микропористой структурой и мезопористые битуминозные. Качество последних существенно зависит от месторождения каменного угля используемого в качестве сырья. Для получения битуминозных углей высшего качества с однородной пористой структурой используют метод реагломерации, разработанный и применяемый компанией Chemviron Carbon.

Суть реагломерации состоит в том, что каменный уголь сначала измельчают в порошок, потом под действием связывающих веществ агломерируют и формируют брикеты, которые дробят на гранулы желаемого размера и активируют кислородом и паром. Полученный таким образом активированный уголь характеризуется высокой прочностью и сбалансированностью транспортных и адсорбционных пор.

Все перечисленные АУ выпускают в виде экструдатов, гранул, зерен неправильной формы и порошка. Экструдированные угли используют при очистке газов, остальные - в различных областях, в том числе, в водоподготовке.

Адсорбция (от лат. ad - на, при и sorbeo - поглощаю) - самопроизвольный процесс поглощения одного или нескольких компонентов из объема фаз на поверхности раздела между ними, например, из газа или раствора на поверхности твердого тела или жидкости.

В процессе адсорбции участвуют как минимум два агента:

• адсорбента - на поверхности или в объеме пор которого происходит концентрация веществ (любое твердое вещество имеет поверхность, а, следовательно, является потенциальным адсорбентом);
• поглощаемое вещество: адсорбтив или адсорбат.

В зависимости от характера взаимодействия молекул адсорбата и адсорбента различают физическую адсорбцию и хемосорбцию. Физическая адсорбция обусловлена силами межмолекулярного взаимодействия  и не сопровождается существенным изменением электронной структуры молекул адсорбата. Поскольку силы межмолекулярного взаимодействия слабы, этот вид адсорбции относится к обратным процессам. При хемосорбции между атомами (молекулами) адсорбента и адсорбата образуется химическая связь, таким образом, хемосорбцию можно рассматривать как химическую реакцию , протекающую в области, ограниченной поверхностным слоем. В большинстве случаев этот процесс необратим.

Как используют активированные угли в водоподготовке

В водоподготовке существуют два основных направления использования активированных углей: фильтрование воды через гранулированные угли и углевание воды порошкообразными углями. Первый метод используется как в централизованной,так и в локальной водоподготовке, а второй - только в централизованной. В ходе эксплуатации гранулированных углей их сорбционная способность снижается и в определенный момент становится необходимой его замена или регенерация (возобновление сорбционной емкости). Регенерация гранулированных и дробленных углей может осуществляться химическими, термическими и биологическими методами, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Вместе с тем, наиболее распостраненной и экономически выгодной является термическая регенерация водяным паром при высоких температурах, позволяющая восстановить сорбционную емкость угля на 80-90%. Порошкообразный уголь не регенерируется.

Для очистки воды фильтрованием наиболее успешно применяются активированные битуминозные угли Filtrasorb (производство Chemviron Carbon), линейка которых насчитывает порядка 13 видов, различающихся пористостью и дисперсностью. Уголь Filtrasorb используется в процессах фильтрации и адсорбции для устранения запаха, привкуса воды, а также удаления пестицидов и гуминовых веществ. На территории Украины наибольшей популярностью пользуются реагломерированные угли марок Filtrasorb 300 и 400 с повышенной эффективностью удаления гуминовых веществ, высокое содержание которых является характерной особенностью поверхностных вод нашей страны. Для дехлорирования и деозонирования в водоподготовке успешно используются дробленные кокосовые угли, например AquaCarb, а для удаления хлораминов и сероводорода каталитический уголь Centaur (оба производства Chemviron Carbon). Для очистки воды углеванием часто применяется порошковый уголь Pulsorb C (производство Chemviron Carbon).

Перспективы развития мирового рынка активированных углей

(По материалам ведущих аналитических агенств, специализирующихся на исследовании и прогнозах рынков: Roskill, Freedonia-Group, Global Indastry Analytics, Inc.).

За последние 10 лет рынок активированных углей претерпел несколько фаз своего развития. В первые годы первого десятилетия нового века (2000-2004) рынок характеризовался стабильными и относительно низкими ценами на продукт. Это было обусловлено, с одной стороны, некоторым отстаиванием спроса относительно предложения (производства) АУ, во-вторых, стабильными и низкими ценами на топливо и перевозки, в-третьих, бурным развитием производства активированных углей в Азии, и особенно в Китае.

В 2007-2008 годах, еще до входа в рецессию, рынок активированных углей лихорадило от практически необузданного роста цен (цены на активированные угли на основе каменного угля прибавили в течение года до 80%, что повлекло за собой рост цен и на другие типы углей). Спрос превысил предложение, из-за антидемпинговой компании США на импорт китайской продукции снизилось производство АУ в Китае, доля которого в мировом производстве достигла к тому времени 40%, начались колебания курсов стабильных до этого валют и выросли цены на нефть, а соответственно, и на перевозки.

Конец 2008-начало 2010 - рецессия мировой экономики привела к резкому снижению потребности в активированных углях и их производстве. В это время с целью сократить расходы наблюдалась широкомасштабная отмена заказов даже государственными структурами и крупными компаниями, вовлеченными в очистку питьевой воды и стоков. Основными движущими силами возвращения рынка к состоянию 2007 года стали развивающиеся страны и введение более строгих экологических норм развитыми государствами.

В 2011 году несколько ведущих аналитических агенств опубликовали свои прогнозы развития рынка активированных углей, согласно которым к 2017 его общий объем (для различных применений) достигнет 2,3 млн. куб. тонн (в 2009 году - 1,1 млн. тонн). Крупнейшими потребителями активированных углей являются и останутся США и страны Азиатско-Тихоокеанского региона. Эксперты полагают, что в ближайшие 5-6 лет средняя скорость роста мирового рынка АУ составит 11-13% в год, а рынка США - 17-18%. Рост потребности США в гранулированных АУ произойдет преимущественно за счет более широкого использования в централизованной водоподготовке угольных фильтров. Это обусловленно введением более жестких требований к присутствию в воде патогенных микроорганизмов, в первую очередь, криптоспоридий, и побочных продуктов ее дезинфекции. В США объем рынка гранулированных активированных углей для водоподготовки (включая централизованную и децентрализованную) может удвоится уже к 2014 году. Водоподготовка по прежнему останется лидером среди других отраслей, использующих АУ для очистки жидкостей. Достаточно высокие темпы роста (около 10% в год) прогнозируются для рынков АУ Китая и Индии, что обусловленно их экономическим развитием и продолжающейся индустриализацией, а не, как в США, ужесточением нормативов качества воды и экологической безопасности. Для Западной Европы и Японии, по крайней мере, до 2014 года, предполагаются невысокие темпы роста потребности в активированных углях.

Несмотря на прогнозируемую новую волну мирового кризиса, рынок активированных углей в общем, и для водоподготовки, в частности, ожидают положительные перспективы. В первую очередь, это связано с глобальными задачами обеспечения населения качественной и безопасной питьевой водой, ужесточением требований к качеству питьевой воды и стоков  и общей тенденцией борьбы за экологическую безопасность. Кроме того, эксперты отмечают тенденцию к оптимизации цен на активированные угли ведущими мировыми производителями, в первую очередь, США и Австралией, что должно снизить конкурентную с пособность низкокачественных дешевых углей (Сусь М.А., Светлейшая Е.М., Гуньковская Н.В. Активированные угли в водоподготовке/Вода и водоочисные технологии, №5(59), октябрь 2011).