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活性炭水處理(過濾)技術
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活性炭水處理(過濾)技術
技術講解
活性炭過濾原理:
顆粒活性炭(GAC)常用於去除供水中的有機成分(organic constituents)和水中的殘留消毒劑(residual disinfectants)。這不僅會提高水的口感,減少水中有健康危害的有機物質和化學物質;它還會直接保護其他水處理設備,如:逆滲透濾膜(逆滲透設備)和離子交換樹脂(軟水器設備),使其免於氧化或有機結垢等可對設備造成的損害。活性炭過濾技術是一種很受青睞的水處理技術,因為它具有多功能性質,而且它不會需要在水處理過程添加任何有害的東西(如:化學藥劑)。大多數的活性炭是由自然界的原材料製成,如椰子殼、木材、煤炭，石油。活性炭常見的表面積約為每克1,000平方米(m2/gm)。然而,不同的自然原材料會產生不同類型的活性炭,其硬度、密度、孔隙，顆粒大小、表面積、可萃取物、灰燼，和pH都會不一樣。這些特性差異會使得某些活性碳類性較適用於某些特定的應用(請來電或電郵洽詢)。最後，活性炭去除水中污染物的主要兩種機制是:(1)吸附性，(2)催化性。水中的有機物是通過活性碳的吸附性被去除,而水中的殘餘消毒劑是通過活性碳的催化性去除。
影響活性炭性能的主要因素:
(1)分子量:
隨著分子量(molecular weight)的增加,活性炭的吸附性會更有效,因為分子在水中有很低的可溶性。但是重要,活性碳的孔隙結構必須夠寬大,這樣才能讓水中的分子往活性炭的孔隙內部遷移。水中如有高分子量和低分子量的混合分子，則在設計時應設計去除較難的水中物質。
(2)酸鹼度 pH:
大多數的有機物在水中如有較差的可溶性,會更容易被活性碳吸附，尤其在水中的pH較低時。隨著 pH 的增加,去除量會減少。我們的經驗是，每高於中性(7.0)pH值單位一度,活性碳床的容積要增加20%才可以達到有效去除率。
(3)污染物濃度:
污染物濃度越高,活性炭的去除能力就越大。水中的污染物分子會更有可能擴散至活性碳孔隙中並被吸附。然而,隨著汙染物濃度的增加,污水洩漏的頻率也會增加。所以，污染物濃度的上限是幾百ppm。污染物濃度越高,會需要與活性炭接觸的時間更常，所以活性碳床的容積要增加。另外重要,活性碳對水中的有機物的去除會隨著水中的硬度而增強,因此,如有可能,應該要在整套水處理系統的最上游(最前端)裝置活性炭過濾器。活性炭過濾器必須要安裝於軟水器及逆滲透設備的位置之前以去除水中餘氯。
(4)顆粒大小:
活性炭顆粒類型(用於水處理)大致上分有 8×30(顆粒最大),12×40(顆粒中型)和 20×50(顆粒最細)。顆粒越細能提供越佳的接觸時間而達到更好的去除率,但是，代價是越高的壓降。我們的經驗是,20×50 的去除效果是 12×40 的 2-3 倍, 是 8×30 的去除效果 的10-20倍。但是，在設計時，須依實際的應用需求和成本預算選擇適用的顆粒大小。
(5)流量:
流速越低,污染物擴散至活性碳孔隙並被活性碳吸附的時間就越多。活性炭的吸附性會因為較長的接觸時間而效率增加。同樣的,一般來說,20×50顆粒的活性碳床可以運行兩倍於12×40顆粒的活性碳床,而12×40顆粒的活性碳床可以以8×30顆粒活性碳床的兩倍流動速度運行。但是注意，每當考慮要使用更高的流速與顆粒更細的活性碳,一定要注意其隨之的壓力下降!
(6)溫度:
越高的水溫會越降低溶液的粘度,提高溶液內的分子擴散率,而增加活性碳的吸附性。但是，越高的溫度也會破壞活性碳的吸附鍵,並略微減少吸附性。這些設計因素，取決於要去除的有機化合物,但一般來說,較低的溫度有利於活性碳的吸附性。
有機化合物去除:
都市供水中的有機化合物通常來自於衰變的植物,並會隨著時間的增加，使這些植物分子在水中更容易溶解,並且變成大分子量、高分子量的有機酸(非極性弱酸)。最終,會形成較小分子量的機酸。典型的有機酸分子的分子量從幾百到幾萬不等。有機酸分子的大小、數量和化學結構取決於許多因素,包括水的pH質和溫度。因此,水中幾乎存在無限數量的有機酸。因此,去除水中有機化合物是很困難的技術,技術方式會依實際現場的狀況而調整至最佳狀態。活性炭的吸附特性是用於去除有機化合物的。一般來說,吸附性會發生是因為所有分子都會施加物理力量來相互粘附。活性炭吸附有機化合物,是因為活性碳表面(非極性)和污染物(非極性)之間的物理吸引力比污染物保持溶解於水中(極性高)的物理力道強。由於有機化合物的吸附力電弧是弱的,所以除非有機分子靠近活性碳表面,否則吸附不會發生。活性炭的表面面積,和其顆粒大小和孔隙配置,是允許吸附發生的主要原因。所以，設計活性碳過濾器時，需要考慮降低溶解度和增加孔隙等，以改善活性炭系統的性能。我們的經驗是，活性碳過濾容量大致可估計每0.1磅的活性碳過濾1磅的有機物,流動速度設計為每立方英尺1至2加侖(gpm/cu.ft),活性碳床深3英尺。
殘留消毒劑去除:
活性炭可以通過催化還原反應去除和銷毀殘留的消毒劑(氯和氯胺)。這是一種化學反應,涉及物理電子從活性炭表面轉移到殘留消毒劑上。換句話說，活性炭可以作為還原劑。活性炭去除餘氯會將氯還原為非氧化氯化物離子。這種反應非常快速,通常發生在一個新的活性炭床的前幾英寸區域。(用活性炭去除有機化合物需要幾分鐘的時間,用活性炭去除氯只需要幾秒鐘)。我們的經驗是，活性碳過濾餘氯的容量大致可估計每1磅的活性碳過濾1磅的餘氯,流動速度設計為每立方英尺3至5加侖(gpm/cu.ft),活性碳床深3英尺。活性炭去除氯胺(chloramine)是一種速度慢得多的反應。都市供水(7-8pH狀態下)中氯胺的主要種類是單體氯胺(monochloramine)。活性炭和單氯胺的反應會產生非氧化氯化物離子(non-oxidative chloride ion)。由於這個反應速度相當慢,因此流速應設計為 0.5 gpm/cu.ft，活性碳床的深度應設計大於3英尺。
設計材料注意事項:
活性炭濾床是過濾處理,需要定期進行反冲洗。設計活性碳過濾器時，應該設計50%的自由浮體空間以便進行反冲洗。否則,需要另外設計外部反沖洗。反沖洗這個程序不會”再生”活性碳或脫落已經吸附的汙染物。反冲洗程序的目的是重新分散活性碳床的分散,並排掉任何其中卡住的懸浮物。活性炭在運輸時、處理時和裝載過程時，都有可能產生活性碳粉塵。這些粉塵需要在活性碳過濾器正式啟用時先做一次反冲洗排掉。我們公司的活性碳產品包含多個活性炭等級,包括:醫療/製藥等級、電鍍等級，粉末或顆粒活性碳，水處理及空氣處理。
活性炭是一種去除有機化合物和殘留消毒劑的成熟技術。設計活性炭過濾系統時,需要考慮待處理水的差異，並使用適合的活性炭類型以及設計廢水品質等操作參數。
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