Olika karakteristiska tal för granulerat aktivt kol används för att uppskatta den förväntade adsorptionskapaciteten och för att kunna välja bästa aktiva kol för olika applikationer. I refererad studie korrelerades talen med avskiljningen av tre läkemedel och löst organiskt kol för fem olika aktiva kol.
Av: Bengt Andersson
Adsorption på granulerat aktivt kol (GAC) är en lovande process för avskiljning av mikroföroreningar (MP) för en utökad rening vid kommunala avloppsreningsverk. Det finns en stor variation av GAC tillgängliga på marknaden och det är inte alltid lätt att få tillgång till specifikationer från leverantörerna. Karakteristiska tal som jodnummer, metylenblå titrering och BET-yta (Brunauer-Emmett-Teller) används för att uppskatta den förväntade adsorptionskapaciteten och acceptabla korrelationer måste bestämmas. Bägarförsök med pulverformigt aktivt kol (PAC) har dock visat att talen inte kan uppskatta adsorptionen av läkemedel som carbamazepin (CBZ), diklofenak (DCF) och sulfametoxazol (SMX). Denna typ av adsorptionstest har inte utförts tidigare för GAC.
Adsorptionskapaciteten för GAC kan bestämmas genom försök i teknisk eller full skala. För bestämning av en genombrottskurva för GAC krävs emellertid orimligt långa mätserier och för att undvika detta har en annan teknik utvecklats, där filterhastigheten ökas utan att formen på kurvan för genombrottet förändras.
Syftet med genomförd studie var att bestämma adsorptionskapaciteten för 3 normalt förekommande läkemedel (CBZ, DCF och DCF) och löst organiskt kol (DOC). 5 GAC, som vanligtvis används vid avloppsvattenrening, testades genom en accelererad mätning. Korrelationen mellan adsorption och olika karakteristiska tal gjordes för att finna lämpliga markörer för att välja bästa GAC.
Genomförande
Fem kolonner med olika GAC beskickades med utgående avloppsvatten från avloppsreningsverket i Köln. De karakteristiska talen utgjordes av densitet, jodnummer, BET yta och metylenblå titrering. Bestämning av densiteten gjordes i denna studie medan övriga karakteristiska tal erhölls från leverantörerna.
Densiteten för de olika GAC uppgick till mellan 323 och 459 kg/m3. Jodtalen varierade mellan 800 och 1131 mg/g, BET ytan mellan 820 och 1200 m2/g och metylenblå titrering mellan 10 och 26 ml.
I studien gjordes ingen spikning av MP. Analyserna av MP gjordes med hjälp av anrikning genom fastfasextraktion. Prov togs ut från inkommande (c0) och utgående (c) vatten jämnt fördelat i tiden och det normaliserade värdet c/c0 beräknades. Genom att avsätta c/c0 mot den specifika filtratmängden (m3vatten/kgGAC) kunde genombrottskurvor för varje kolonn och varje analyserat ämne erhållas. För bestämning av korrelationen mellan karakteristika tal och specifik filtratmängd interpolerades data för gränsvillkoren c/c0 = 0,5 för DOC och c/c0 = 0,2 för MP.
Resultat
Inkommande halt DOC uppgick i medeltal till 7,9 mg/l. Genomsnittshalterna av MP uppgick till 750, 2278 resp. 486 ng/l för CBZ, DCF resp. SMX.
Genombrottskurvorna för DOC var tämligen konkava medan de var linjära för MP. Ett snabbt genombrott för MP berodde på konkurrensen mellan adsorption av MP och andra adsorberande substanser i den komplexa vattenmatrisen för ett kommunalt avloppsvatten. Genombrottet för MP skedde för alla undersökta GAC i ordningen SMX, DCF och CBZ, vilket stämmer väl överens med den förväntade ordningen.
Genombrottet för DOC inträffade före genombrottet av MP, vilket medförde att det inte var möjligt att spåra genombrottet av MP genom att mäta DOC. Uppenbarligen utgjorde de analyserade MP en tämligen god adsorberbar mindre fraktion av DOC.
Determinationskoefficienten (R2) för densiteten uppgick till mellan 0,89 och 0,97 med ett medelvärde av 0,91 med en låg standardavvikelse (+/- 0,06). Jämfört med R2 för övriga karakteristiska tal visade densiteten bästa anpassning med en låg standardavvikelse. De vanligen använda talen jodnummer och BET yta uppvisade en låg förklaringsgrad med R2 0,47 resp. 0,58 i genomsnitt och med en standardavvikelse av +/- 0,18 resp. 0,09. Metylenblå titrering uppvisade ingen korrelation (R2 = 0,21).
Generellt har porösa material en låg densitet. Den totala porvolymen ökade vid regenereringen av GAC och ökningen berodde i huvudsak på en ökning av antalet mesoporer. GAC uppvisade en något bättre adsorption efter regenerering jämfört med den ursprungliga produkten.
Beroende på den starka konkurrensen i adsorption av ämnen i ett kommunalt avloppsvatten med höga koncentrationer av DOC är GAC med en stor andel mesoporer att föredra.
Slutsatser
Bestämning av karakteristiska tal för GAC visade att
- densiteten för GAC visade den högsta korrelationen med adsorptionen av MP (genomsnittlig R2 = 0,91 +/- 0,06)
- övriga tal (jodnummer, BET yta och särskilt metylenblå titrering) visade sig inte vara lämpliga markörer för att välja en bästa kolprodukt för avskiljning av mikroföroreningar från ett kommunalt avloppsvatten
- GAC med lägre densitet visade rent fysiskt en hög förekomst av större porer, vilket var att föredra vid avskiljning av MP från avloppsvatten med en stark konkurrens vad avser adsorption
- ytterligare undersökningar i teknisk skala är önskvärda för att bekräfta resultatet från genomförd studie
Källa: F. Benstoem, J. Pinnekamp. Characteristic numbers of granular activated carbon for the elimination of micropollutants from effluents of municipal wastewater treatment plants. Water Science & Technology 76.2 2017, pp 279 – 285.
