Активированный (активный) уголь – самый популярный сорбент. У него много преимуществ: он безопасен для здоровья человека и природы, доступен по цене и очень эффективен. От обычного угля активированный отличается высокой пористостью, а значит, большей площадью поверхности: 1 г сорбента может иметь поверхность от 600 до 1500 м2.
Активированным уголь становится после двух последовательных процессов:
- Карбонизация – это сжигание сырья при высокой температуре в бескислородной среде. Нужна для того, чтобы после прогорания уголь содержал преимущественно углерод. Для сравнения, при карбонизации опилок при 300оС остается свыше 40% летучих веществ, при 900оС – не больше 4%.
- Активация – чтобы активировать уголь, выполняется обработка паром или углекислым газом в условиях высокой температуры. Это очищает его от золы и других загрязнений, что увеличивает площадь активной поверхности.
После карбонизации и активизации активированный уголь состоит преимущественно из углерода, это его микрокристаллическая разновидность. Поры и микротрещины максимально открыты для захвата загрязнений.
Сырье: из чего делают активированный уголь
Сырьем могут служить многие органические вещества. Активированный уголь можно изготовить из дерева, бурого или каменного угля, тяжелых фракций нефти, бамбука, торфа, торфяного кокса, ореховой скорлупы (кокоса, лесного ореха) или фруктовых косточек (абрикоса, оливок, персика). Кроме того, сырьем могут служить полимеры, то есть продукты химической промышленности. Какой уголь лучше для очистки воды?
Качество полученного адсорбента различается в зависимости от сырья. Например, активированный уголь из бурого угля содержит много серы, которая может придавать воде неприятный запах, поэтому в водоочистке он не используется. Для фильтрации воды важно, чтобы материал был твердым, а его поры – как можно более мелкими, ведь так он сможет захватить максимум примесей, и в отфильтрованную воду попадет минимум угольной пыли. Поры в активированном угле классифицируют по размеру: макропоры – от 50 нм, мезопоры – от 2 до 50 нм, микропоры – от 0,4 до 2 нм.
Особенности активированного угля из разного сырья:
- Каменный уголь, чаще из антрацита, поскольку летучие вещества в нем содержатся в меньшем объеме. Достаточно мягкий – у него низкая абразивная устойчивость. В нем много золы (уровень зольности не опускается ниже 10%). Если рассмотреть каменный активированный уголь под микроскопом, можно увидеть неравномерность структуры, преобладание мезопор, большое содержание загрязняющих частиц. Удельная поверхность активированных антрацитов не превышает 550 м2/г, у большинства образцов показатели ниже. Вот почему в водоподготовке они используются редко, только если требования к воде невысоки. С их помощью удаляют крупные молекулы, придающие цветность.
- Древесный уголь, чаще всего березовый. Его абразивная устойчивость выше, зольность ниже. Структура пор неоднородная, поры сильно различаются по размеру, встречается большое количество макропор. Подходит для удаления хлора и веществ, придающих воде запах. Березовый активированный уголь широко используется в алкогольной промышленности.
- Кокосовый уголь. Поры имеют одинаковую форму и размер, в основном это микропоры. Уголь из скорлупы кокоса имеет наиболее высокую устойчивость к истиранию, уровень зольности не превышает 5%. Показывает высокую эффективность в удалении летучих органических средств, хлора и его соединений.
Качество кокосового угля определяется происхождением сырья. Кокосы из Малайзии и Индонезии включают меньше соединений железа, чем кокосы из Индии, Шри-Ланки или Филиппин. В большинстве российских регионов наблюдается превышение уровня железа в воде, поэтому в ГЕЙЗЕР мы закупаем малазийский и индонезийский кокосовый активный уголь.
Свойства активированного угля
Активированные угли применяются очень широко в разных сферах жизни, поэтому для них разработаны несколько ГОСТов, определены показатели качества.
Потребительские качества активированных углей:
- Сорбционная емкость – это объем примесей, который способен вобрать сорбент. Чаще всего определяют через йодное число.
- Фракционный состав – размеры частиц, mesh size.
- Зольность – массовая доля золы. Чем она ниже, тем лучше, поскольку в очищенную воду из фильтрующей среды будет попадать меньше загрязнений.
- Насыпная плотность – масса частиц угля вместе с пустотами между ними на единицу объема, в отличие от показателя кажущейся плотности, которая определяется только для объема частиц без пустот между ними. Показатель насыпной плотности нужен, чтобы можно было рассчитать необходимый объем колонны или корпуса картриджа.
- Массовая доля влаги – процент воды в продукте.
- рН – поскольку сорбент содержит минеральные компоненты, на нем присутствуют поверхностные кислородные соединения углерода, он может оказывать существенное влияние на рН воды, что нужно учитывать в схемах водоподготовки.
Йодное число активированного угля
Важный показатель качества активированного угля – его способность к адсорбции. Её оценку проводят с помощью опытного вещества. Это может быть раствор мелассы (патоки), метиленового голубого («синька»), йода и некоторых других веществ, при этом наибольшее распространение получили испытания на растворе йода.
Йодное число – это количество йода в миллиграммах, которое способен адсорбировать 1 грамм угля. Чем выше адсорбционная активность по йоду, тем выше адсорбционный ресурс материала. Например, сорбционная активность угля из скорлупы кокоса по йоду составляет не менее 1000 мг/г, из антрацита – 600-900 мг/г, из березы – от 900-1000 мг/г.
Срок службы активированного угля и серебрение
Зная йодное число, можно рассчитать максимальный литраж воды, который способен очистить угольный картридж или засыпка. При этом для них существует также предельное время использования. Расчетный ресурс активированных углей в водоподготовке – около 12 месяцев, после чего они требуют замены. Применение фильтра сверх указанного срока связано с риском бактериологического заражения воды, поскольку на загрузке могут поселиться колонии микроорганизмов.
Бактериостатичность активированного угля, то есть его способность противостоять размножению отфильтрованных бактерий, увеличивают, нанося серебрение – выполняя импрегнирование (глубокую пропитку). Серебро может наносить вред здоровью человека, поэтому технология серебрения активированных углей ГЕЙЗЕР обеспечивает несмываемость металла.
Назначение активированных углей
Массовое использование началось в начале 20 века. Доступность сорбента, его безопасность и эффективность максимально расширяют сферы применения. Он применяется на химических и пищевых производствах, для очистки отходящих газов и стоков, питьевой воды, в медицине и фармакологии.
Применение активированных углей:
- адсорбция газов и паров,
- осветление жидкостей,
- адсорбция ксенобиотиков из грунта,
- водоочистка – очистка питьевой воды, подготовка грунтовых вод и очистка стоков.
Активированный уголь эффективен в удалении из воды слаборастворимых веществ с высокой молекулярной массой. Основное его назначение в водоочистке – адсорбция органических (например, фенол) и хлорорганических соединений (хлорфенол), окислителей (хлора, озона). С помощью этого адсорбента устраняют цветность и запах, посторонние привкусы. Угольные картриджи и загрузки не удаляют из воды соли жесткости (причину накипи), поэтому не применяются для умягчения.
Фракции
Активированный уголь является адсорбентом, то есть фильтруемые примеси концентрируются только на его поверхности. Вот почему площадь поверхности имеет первостепенное значение при подборе фракции.
Какие бывают активированные угли по размеру и форме:
- Пылевидный (порошковый) – применяется для специальных задач водоподготовки, в системах с перемешиванием. У него высокая способность к адсорбции, потому что рабочая поверхность максимальная в сравнении с другими формами сорбента. Вода в системе смешивается с угольным порошком, который на выходе вместе с загрязнениями задерживается тонким механическим фильтром. В бытовых фильтрах не используется.
- Дробленый (зернистый, зерненный) – для получения зернистых углей сырье (древесный или кокосовый уголь) дробится, после чего активизируется. Зерно неправильной формы, имеет размеры от 0,5 до 5 мм.
- Формованный (гранулированный) – получается путем очень тонкого измельчения, смешивания со связующим материалом, формования из полученной пасты гранул (цилиндров, сфер). Гранулы имеют правильную форму, выделяют минимум пыли и отличаются повышенной сорбционной способностью.
В отличие от пылевидного, зернистый и формованный угли применяются в неподвижных слоях загрузки, картриджах для фильтров питьевой воды.
Меш гранулированного угля
Для классификации гранул активированного угля по размерам используется ситовый метод и понятие «меш» – mesh size (размеры отверстий сита, через который просеивают гранулы). Меш содержит 2 цифровых значения, например, 12х40. Сита два: первое задерживает частицы, крупнее 4 мм, второе задерживает частицы, крупнее 1,2 мм. Таким образом, гранулы меш 12х40 – это тот материал, что остался на втором сите, то есть имеет размеры от 1,2 до 4 мм. Чаще всего в водоочистке применяется гранулированный активированный уголь 20х50, 12х40, 8х30, 8х16 mesh.
При прочих равных показателях, чем мельче гранулы, тем выше их сорбционная способность и тем большее сопротивление они оказывают потоку, то есть замедляют его скорость и снижают давление в системе. Например, слишком мелкие угольные гранулы в картридже перед обратноосмотической мембраной могут снизить давление в фильтре до показателей, когда мембрана перестанет работать. Показатель меш, то есть размер гранул, помогает найти баланс между адсорбционной способностью и скоростью фильтрации.
Прессованный активный уголь
Очень часто в фильтрах для воды можно увидеть картриджи с карбон-блоком – прессованным углем. По сути, это тот же формованный уголь, но оформленный в виде большого цилиндра в размер корпуса фильтра, например, 10SL или 20BB. В угольный порошок добавляют частицы полиэтилена, после чего спекают. Карбон-блоки считаются лучшим выбором для бытового фильтра в сравнении с засыпным угольным картриджем.
Преимущества карбон-блоков:
- В них выше концентрация фильтрующего материала, площадь фильтрующей поверхности больше, поэтому ресурс выше по сравнению с засыпным угольным картриджем.
- Эффект механической очистки в них более выражен.
- Нет проскока воды. В засыпной загрузке могут промываться каналы, сквозь который проходит поток неочищенной воды. В прессованных картриджах канальность отсутствует.
- Отсутствие угольной пыли. Карбон-блок – это монолитное изделие, вымывание частиц материала практически не происходит.
По технологии Карбон-блок можно изготовить картридж только из активированного угля, как в серии «Гейзер СВС», или же можно спекать его с другими фильтроматериалами. В картридже «Микс Блок» уголь соединяется с ионообменным волокном Каталон, что добавляет к сорбционным свойствам возможность извлекать из воды железо и тяжелые металлы.
Активированные углеродные волокна
Это еще один вид угольного сорбента. Сырьем для него служит искусственное полимерное волокно, например, вискозное. Углеродные волокна – это нити толщиной 6-10 мкм с микропористой структурой. Такая форма дает большую поверхность контакта с потоком, а значит, высокую скорость фильтрации воды. Благодаря волокнистой структуре гидравлическое сопротивление минимально, фильтр не будет снижать давление в системе. Сила связывания выше, чем у других видов угля.
Важное отличие от других видов активированных углей: на поверхности углеродных волокон расположено множество кислотных и основных групп, поэтому они способны также задерживать ионы тяжелых металлов. Такие свойства характерны для ионообменных загрузок. Серия ГЕЙЗЕР с углеродным волокном – это картриджи Fiber Pro.
Фальсификация активированного угля
Из-за большой разницы в стоимости угля из разного сырья на рынке встречается довольно много фальсификатов. Кокосовое сырье дороже, поэтому его заменяют более недорогим: фруктовыми косточками, антрацитом. Потребительские качества продукта будет ниже.
Невозможно на глаз определить наличие серебрения, поэтому под видом импрегнированного активированного угля могут продавать обычный. Чтобы сэкономить, производители могут снижать процент серебрения, из-за чего бактериостатического эффекта возникать не будет.
Кроме того, на рынке много недобросовестных поставщиков, использующих в производстве реактивированное сырье, то есть бывший в употреблении уголь, повторно прошедший процесс отмывки и активации. В процессе реактивации микро- и мезопоры практически не восстанавливаются. Эффект реактивации краткосрочен. У такого материала значительно снижается механическая прочность, возрастает зольность. Для продажи мешают новый и реактивированный уголь, чтобы снизить себестоимость. Такой уголь плохо снижает органолептику, а в некоторых случаях, наоборот, придает воде затхлый запах.
Обезопасить себя от покупки фальсифицированного некачественного продукта можно, заказывая его у надежных поставщиков – напрямую у производителя или через его официальных дилеров.
Картриджи с активированным углем в гидросхеме
В проточном трехступенчатом фильтре питьевой воды сорбционный картридж обычно располагается на последней 3 ступени. Такая схема применяется в большинстве моделей ГЕЙЗЕР. Например, в фильтре «Гейзер Оптима Макс Био» 3 ступень – это картридж «Посткарбон Ag Смарт» с засыпной угольной загрузкой с серебрением, в серии «Гейзер Био» – картридж Fiber Pro с углеродным волокном, в модели «Гейзер-3 ВК Люкс» – карбон-блок CBC.
В фильтре обратного осмоса угольные картриджи включаются в схему предварительной и финишной очистки. На этапе предварительной очистки в обратном осмосе основная задача сорбента – убрать из воды опасные для мембраны вещества, прежде всего хлор. Фильтрующий элемент финишной очистки Посткарбон с угольной загрузкой устанавливается после мембраны и накопительного бака (при его наличии), перед минерализатором (при его наличии). Посткарбон необходим для кондиционирования воды после обратного осмоса, т.е. улучшения её вкуса.
Дехлорирование воды активированным углем
Для обеспечения микробиологической безопасности питьевой воды необходимо применение высоких доз хлора или хлорсодержащих веществ. Хлор меняет вкусовые свойства приготовленных на хлорированной воде продуктов и напитков, может влиять на химический состав медикаментов. Он оказывает негативное воздействие на здоровье человека. Во всех этих случаях для дехлорирования питьевой и технической воды применяют активный уголь.
Активный уголь извлекает из воды не только свободный хлор, но и его соединения, хлорамины. Вот почему фильтрация сквозь угольный картридж значительно более эффективна для дехлорирования питьевой воды, чем отстаивание с перемешиванием, которое помогает избавиться только от свободного хлора.
Угольный картридж «Аммоносорб»
Некоторые виды углей отличаются своим назначением. В картридже «Аммоносорб» от ГЕЙЗЕР находится загрузка с активированным углем, пропитанная сильнокислым составом. Картридж предназначен для снижения рН и щелочности воды, устранения ощущения мылкости, а также применяется в других технологических решениях по водоподготовке, требующих снижения уровня рН.
Проблема мыльной воды может наблюдаться в домах, где установлен фильтр колонного типа с ионообменной загрузкой. В этом случае может формироваться гидрокарбонат натрия, который оседает на поверхностях белым налетом и дает ощущение мылкости. Картридж «Аммоносорб», установленный в магистральный фильтр после колонны, устранит эту проблему.
Итак, мы выяснили, что лучший адсорбент для питьевой воды – это активированные волокна. Активированный уголь из скорлупы кокосового ореха – это тоже очень хороший вариант для водоочистки, более доступный по цене. Серебрение продлевает срок службы картриджа, поскольку обеспечивает защиту от размножения отфильтрованных бактерий. Узнайте больше у консультантов ГЕЙЗЕР!
