Kebolehgunaan Penjerapan Karbon Teraktif dalam Pelepasan Sifar Air Sisa Kimia Arang

Dalam projek pelepasan sifar untuk air sisa kimia arang batu (CCW), penguraian bahan organik selalunya menggunakan proses yang serupa dengan air sisa perbandaran, yang melibatkan "prarawatan + rawatan biokimia + rawatan lanjutan," sebelum memasuki sistem penghabluran kepekatan membran dan penyejatan. Penyingkiran CODcr selepas kepekatan telah lama menjadi cabaran dalam bidang pelepasan sifar air sisa kimia arang batu. Beberapa teknologi yang boleh dilaksanakan telah diabaikan, manakala teknologi yang tidak boleh dilaksanakan telah menjadi tumpuan utama. Artikel ini meneroka kebolehgunaan penjerapan karbon teraktif dalam pelepasan sifar air sisa kimia arang batu untuk rujukan oleh profesional rawatan air.

Air sisa kimia arang batu adalah sukar-}untuk-merawat air sisa industri yang dijana semasa pelbagai proses pemprosesan arang batu. Hidrokarbon aromatik adalah penyumbang utama kepada CODcr dalam air sisa kimia arang batu, menyumbang lebih 50%. Sebatian Benzena (BTEX, benzena, toluena, etilbenzena, p-xylene), fenol dan hidrokarbon aromatik polisiklik (PAH) adalah contoh biasa. Zhang et al. mengkaji perubahan dalam bahan organik dalam air sisa kimia arang batu semasa proses rawatan, membuktikan bahawa selepas proses "prarawatan + rawatan biokimia + rawatan lanjutan", perkadaran molekul besar bahan organik di dalam air meningkat (bertentangan dengan dakwaan sesetengah institut reka bentuk atau unit EPC bahawa bahan organik yang tinggal sukar-untuk-dikuasai oleh bahan organik P. dikuasai oleh bahan organik. (Rujukan: Zhang L, Liu H, Wang Y, et al. Ciri-ciri komposisi bahan organik terlarut semasa rawatan air sisa pencairan arang batu dan implikasinya terhadap alam sekitar[J]. Science of the Total Environment, 2020, 704: 135409.)

Tepatnya bahan organik yang tinggal, terutamanya PAH, yang telah menjadi masalah kesesakan dalam projek-sifar pelepasan air sisa kimia arang batu. Selepas bahan organik ini memasuki bahagian kepekatan membran, kepekatannya berganda. Sesetengah institut reka bentuk atau unit EPC sangat menggalakkan teknologi penjerapan karbon teraktif semasa peringkat kepekatan membran, tanpa sebarang analisis kritikal atau berdasarkan tuntutan yang tidak berasas. Mereka akhirnya membuat kesimpulan bahawa penjerapan karbon teraktif CODcr boleh dilaksanakan sebelum kepekatan membran atau penghabluran penyejatan. Walau bagaimanapun, adakah teknologi penjerapan karbon teraktif benar-benar sesuai untuk penyingkiran selanjutnya bahan organik, terutamanya PAH?

Karbon teraktif berbutir (GAC) mempunyai saiz liang purata antara 3.2 dan 3.4 nm, dengan mikropori menyumbang 25%–27% dan mesopores menyumbang 73%–75%. PAH mempunyai lebih 100 struktur molekul, dengan naftalena, acenaphthene, fluorene, dan phenanthrene sebagai sebatian utama dalam air sisa kimia arang batu. Kajian oleh Dinushika et al. telah mendapati bahawa naftalena dan acenaphthene mempunyai isipadu molar dan saiz molekul yang agak kecil, menghasilkan kadar penjerapan yang agak tinggi untuk mereka oleh GAC, manakala fluorena dan fenanthrena mempunyai isipadu molar dan saiz molekul yang agak besar, yang membawa kepada kadar penjerapan yang agak rendah oleh GAC. GAC mencapai keseimbangan penjerapan untuk naftalena dan acenaphthene dalam 4-8 jam, dengan kapasiti penjerapan lebih kurang 14 mg/g. GAC mencapai keseimbangan penjerapan untuk fluorena dan fenantrina dalam 16–24 jam, dengan kapasiti penjerapan lebih kurang 12 mg/g, bersamaan dengan 36 mg CODcr/g GAC. (Rujukan: Eeshwarasinghe D, Loganathan P, Kalaruban M, et al. Mengeluarkan hidrokarbon aromatik polisiklik daripada air menggunakan karbon teraktif berbutir: kajian penjerapan kinetik dan keseimbangan[J]. Sains Alam Sekitar dan Penyelidikan Pencemaran, 2018, 25(14.): 135241-135241-135

Dalam aplikasi praktikal, jika masa tinggal untuk penjerapan karbon diaktifkan ditetapkan kepada 16-24 jam, penapis penjerapan berbilang diperlukan, yang jelas tidak praktikal. Masa tinggal sekitar 4 jam adalah munasabah, tetapi pada masa ini, GAC terutamanya menyerap naftalena, dan tidak mempunyai kesan penjerapan yang ketara pada PAH lain seperti acenaphthene, fluorene dan phenanthrene.

Dari perspektif skala peralatan katil penapis penjerapan, masa tinggal 4 jam tidak singkat. Dengan mengandaikan bahawa baki isipadu air air sisa kimia arang batu selepas "prarawatan + rawatan biologi + rawatan lanjutan + kepekatan membran" ialah 10 m³/j, dan masa kediaman katil penapis penjerapan ditetapkan pada 4 jam, maka 6 katil penapis penjerapan dengan diameter 1.8 m dan ketinggian 5 m diperlukan (3 untuk penjanaan semula dan 3). Begitu juga, jika isipadu air yang akan dirawat ialah 100 m³/j, maka 60 katil penapis penjerapan sedemikian akan diperlukan, menjadikan skala peralatan agak besar.

Dari segi penggunaan GAC, mengambil air sisa kimia arang batu 10 m³/j yang disebutkan di atas sebagai contoh, dengan CODcr 1000 mg/L (30% daripadanya ialah naftalena), masa pengekalan 4 jam boleh mengurangkan CODcr kepada 700 mg/L. Jika jangkaan adalah untuk menjana semula tiga penapis penjerapan setiap 7 hari (168 jam), maka 14 t GAC diperlukan dalam tiga tangki penjerapan, dan 28 t GAC diperlukan dalam enam tangki penjerapan. Ketumpatan pukal GAC ialah 450~600 kg/m³, jadi 28 t GAC bersamaan dengan 46~62 m³, bermakna enam penapis penjerapan hampir penuh (sebuah institut reka bentuk sering mereka bentuk untuk mengisi penapis penjerapan dengan GAC dalam sifar-projek air buangan). Untuk memastikan masa pengekalan dan kadar pengembangan cuci belakang, skala peralatan perlu digandakan lagi.

Tambahan pula, banyak kajian telah menunjukkan bahawa selepas 3~4 penjanaan semula haba GAC, kapasiti penjerapannya menurun kepada lebih daripada 80% daripada karbon baharu, dan selepas 5~10 penjanaan semula haba, GAC pada dasarnya tidak boleh digunakan. Contoh di atas menganggap penjanaan semula setiap 7 hari, yang bermaksud kumpulan karbon teraktif ini mempunyai jangka hayat tidak lebih daripada enam bulan, mengakibatkan kos yang besar untuk penjanaan semula dan penggantian karbon. Tambahan pula, penjanaan semula pada asasnya melibatkan pelepasan bahan organik yang diserap oleh GAC kembali ke atmosfera; sebenarnya, GAC tidak benar-benar mengeluarkan bahan organik.