مخزن فلزی (استنلس استیل یا گالوانیزه) یا فایبرگلاس (FRP) تحت فشاری است که با ذغال اکتیو یا کربن فعال و سیلیس پر شده است و بمنظور حذف طعم، بو، رنگ و تمامی مواد آلی از آب مورد استفاده قرار می گیرد.
فیلتر کربنی یکی از تجهیزات مهم در صنعت تصفیه آب بشمار می آید. این نوع فیلتر را می توان یکی از زیر مجموعه‌ها یا هم خانواده فیلتر شنی دانست. علت این امر تشابه سیستم ساختاری آنها می باشد. به طور کلی می توان گفت بدنه و سیستم لوله کشی و زهکشی هر دو سیستم یکسان است و تنها اختلاف این دو فیلتر در موادی است که بر روی بستر داخل مخزن استفاده می گردد.
در فیلتر شنی یا سند فیلتر بروی نازل ها شن سیلیس با دانه بندی و درصد خلوص مشخص استفاده می گردد. اما در فیلتر کربن اکتیو از گرانولهای ذغال فعال در وهله اول برای حذف مواد آلی آب استفاده می نمائیم.
فیلتر کربنی چیست؟
فیلتر کربن یا فیلترهای کربن فعال، عضوی از سیستمهای تصفیه آب استاندارد در خانه‌ها، ساختمانها هستند و از آنها برای فیلتر کردن آلاینده‌ها مانند کلر، حلالهای آلی، علف کش ها، آفت کش ها و رادون آب استفاده می شود. بسیاری از مردم معتقدند که این فیلترها آب را سالم تر و طبیعی تر می کند.
در فیلترهای کربنی مکانیزم تصفیه بر اساس فرآیند جذب انجام میشود. جذب عبارت است از چسبیدن اتم ها، یون ها یا مولکول ها از یک گاز، مایع یا جامد به یک سطح. در مورد فیلتراسیون کربنی، ذرات جامد معلق موجود در مایع به سطح جامد کربن اکتیو می‌چسبند. مولکول های ناخالصی در ساختار منافذ داخلی کربن توسط جاذبه الکترواستاتیکی (نیروهای واندروالس) که به آن جذب شیمیایی نیز می گویند، نگه داشته می شوند.
کربن فعال در تأسیسات تصفیه آب برای کمک به بهبود کیفیت آب استفاده می شود. بسیاری از دستگاه‌های تصفیه آب خانگی نیز از کربن فعال استفاده می کنند، به ویژه برای کمک به کاهش بو، رنگ و طعم آب.
کربن فعال را می توان از بسیاری از مواد معمول که دارای کربن زیاد هستند تهیه کرد. ابتدا ذغال سنگ در غیاب اکسیژن گرم می شود. سپس ممکن است در معرض سایر مواد شیمیایی مانند آرگون و نیتروژن قرار گیرد و در حضور بخار و اکسیژن دوباره گرم شود.
دومین فرآیند گرمایش یک ساختار منفذی ایجاد می کند که با افزایش سطح کربن، کربن را “فعال” می کند. یک مزیت بزرگ زیست محیطی و اقتصادی کربن فعال این است که پس از یک عملیات حرارتی برای حذف ترکیبات جذب شده قابل بازیافت است. به این فرآیند فعال سازی مجدد می گویند.
زغال سنگ در بالاترین درجه حرارت از طریق یک فرآیند تجاری “فعال” می شود. به محض افزایش دما، ساختار هسته تغییر کرده و اندازه منافذ آن متراکم می شود، در حالی که کربن متخلخل تری نسبت به حالت معمولی ایجاد می کند. بافت متخلخل زغال دارای بار الکتریکی منفی است که مولکولهای با بار مثبت مانند سموم و گازها را جذب می کند. این امر به دام انداختن سموم و مواد شیمیایی کمک می کند.
فعال شدن زغال سنگ باعث ایجاد یک سطح فیلتراسیون عالی می شود و به آن اجازه می دهد تا ظرفیت بالایی برای جذب ناخالصیهای آب داشته باشد. جذب فرآیندی است که طی آن ماده به سطح یک ماده جاذب می چسبد. به واسطه این جذب، کربن فعال دارای ظرفیت نگهداری بالایی است.
در دهه 1970، دانشمندان شروع به شناسایی سطوح پایین ترکیبات ناخواسته در آب آشامیدنی کردند که به عنوان محصولات جانبی ضد عفونی (DBP) شناخته می شوند. DBP ها محصولات ناخواسته واکنشهای شیمیایی بین ضدعفونی کننده‌های شیمیایی از جمله کلر هستند که برای از بین بردن عوامل بیماری زا و مواد آلی موجود در آب به آب اضافه می شوند. کشف این مواد و بررسی اثرات آنها بر سلامتی منجر به تنظیم رایج ترین انواع DBP ها شد.
از دهه 1970 محققان فرآیندهای درمانی را شناسایی کردند که تشکیل DBP را به حداقل می رساند که شامل موارد زیر است:
- قبل از ضدعفونی: کاهش میزان مواد آلی طبیعی موجود در آب منبع (پیش سازهای DBP)
- در حین ضدعفونی: تغییر شرایط واکنش در پکیج تصفیه (pH و زمان تماس با مواد ضدعفونی کننده)
- پس از ضدعفونی: کاهش میزان DBPهایی که پس از ضدعفونی شدن ایجاد می شوند
در نتیجه، جذب با کربن فعال یک فناوری کارآمد و مفید است؛ یکی از چندین مورد در جعبه ابزار تصفیه آب که می تواند برای ارائه بهترین کیفیت آب آشامیدنی ممکن استفاده شود و اکثر سیستمهای تصفیه آب حداقل دارای یک مرحله فیلتراسیون کربن فعال هستند.
کاربردهای فیلتر کربن اکتیو
تصفیه آب شامل حذف آلاینده‌های مضر از آب است. فیلتراسیون از نظر فیزیکی آلاینده‌ها را مسدود یا از نظر شیمیایی حذف می کند. استفاده از کربن اکتیو یک روش تصفیه متفاوت از اسمز معکوس است، که آب را از طریق غشای نیمه نفوذپذیر و تقطیر، که آب را بخار می کند تا از آلودگی ها جدا شود، تصفیه می کند.
فیلترهای کربنی در حذف انواع مواد شیمیایی مضر، شامل کلر، بنزن، رادون، ترکیبات حلال تری هالومتان، مواد شیمیایی آلی فرار مانند آفت کش ها و علف کش ها طعم و بوی بد آب و صدها ماده مصنوعی دیگر موثر است که می توانند در جریان آب در سیستم لوله کشی وجود داشته باشند، بسیار مفید هستند.
فیلتر کربنی میتواند بمنظور حذف کلر آزاد، حذف مواد آلی، رفع بو، حذف برومات، تولید شکر سفید، رنگ زدایی ملاس، تصفیه هوا، کاتالیست حامل و
حذف دیوکسین و جیوه مورد استفاده قرار گیرد.
به لحاظ تخصصی فیلتر کربن BOD و COD آب را کاهش داده و به سبب آن کدورت و ناخالصی آب حذف شده و اصطلاحا آب تصفیه می شود. هم چنین کاربرد دیگری که برای این فیلتر کربن مطرح می باشد، حذف مولکولهای کلر آزاد از آب می باشد که در استخر ها که به آب کلر اضافه می گردد بسیار کاربردی و حائز اهمیت می باشد.
صنایع و بخشهایی که فیلتر کربن اکتیو در آنها استفاده می شود عبارتند از:
- تصفیه آبهای آشامیدنی و صنعتی
- نمک زدایی آب دریا
- بهداشت (آزمایشگاه‌ها، بیمارستان ها، کلینیک ها و غیره)
- پذیرایی (هتل ها، رستوران ها، کافه‌ها و…)
- مجموعه‌ها (مدارس، فروشگاه‌ها، بستنی فروشی ها و غیره)
- صنایع نوشیدنی
- صنایع غذایی و تغذیه
- کشاورزی و دامداری
- هنرهای گرافیکی و عکاسی
- پوشش ها و روکشهای ویژه
- تصفیه آب در بخش شیمیایی
- رنگبری از آب در بخش نساجی
- بخش طلا و جواهر
- آب شیرین کن صنعتی
- دیونایزر آب و…
فیلترها اغلب توسط افرادی که مراقب سلامتی هستند و می خواهند از ذرات دانه دار یا بوها و طعمهای ناخوشایند از آب جلوگیری کنند، استفاده می شود. باید بدانید که فیلترهای کربن فعال باکتری ها، ویروس ها یا قارچ ها یا اسپورهای قارچی را از آب حذف نمی کند.
ساختار فیلتر کربنی
ساختار اصلی فیلتر کربنی شامل یک مخزن تحت فشار، شیر ورودی، سیلیس، کربن اکتیو و شیر خروجی می باشد. مخزن تحت فشار می تواند از جنس
- انواع مختلف ورقهای استیل
- انواع ورق فلزی با رنگ اپوکسی
- مخزن فایبرگلاس یا اف آر پی
باشد.
ذغال اکتیو یا کربن فعال مهمترین ماده شیمیایی مورد استفاده در ساخت فیلتر کربنی می باشد که بصورت گرانولی (اندازه ذرات 0.5-4 میلی متر)، اکسترود شده (اندازه ذرات 0.8 تا 4 میلیمتر) و پودری (اندازه ذرات 1-150 میکرومتر) تولید می شود. کربنهای پودری که با عبارت PAC در بازار شناخته می شود تنها در شرایطی صرفه اقتصادی خواهند داشت که مواد جامد معلق در آب درصد بالایی داشته باشد. علت امر هم این است که استفاده از این نوع کربن نیازمند تجهیزات جانبی برای جداسازی پودر کربن از آب بعد از انجام عمل تصفیه می باشد.
انتخاب نوع کربن فعال مورد استفاده جهت تصفیه کار ساده ای نبوده و نیاز به تجربه بالایی دارد. بطور مثال؛ آزمایش عدد ید معمولاً زمانی میتواند اثربخشی را پیش‌بینی کند که به دنبال آن هستید که مولکولهای بسیار کوچکی مانند کلر آزاد جذب شوند. مقدار تانن و تعداد ملاس یا راندمان رنگ‌زدایی ملاس در پارامترهای آزمایش آزمایشگاهی برای مولکولهای متوسط و بزرگ یا زمانی که مولکولهای کوچک با مولکولهای بزرگتر وجود دارند مناسب‌تر است.
بدنه دستگاه که اصولا به صورت استوانه ای عمودی تحت فشار تست 10 بار مطابق ظرفیت طراحی شده توسط مهندسین مشاور در کارگاه با جوشکاری ورقهای گالوانیزه یا اسنلس استیل و یا FRP ساخته می شود. سخت ترین کار در ساخت بدنه فیلتر کربنی عدسی های محدب سر و ته مخزن می باشد.
شیرها همچون سایر دستگاه های تصفیه از نوع سه خالته بوده و قابلیت کنترل دبی و زمان عبور آب را دارا می باشد. هر چند بدلیل ارزان بودن کربن فعال عمل احیا درون فیلتر کبنی گرانتر از تعویض کربن فعال می باشد.
سیلیس نیز در سه دانه بندی درشت، متوسط و ریز در پایین ترین سطح برای جلوگیری از خروج گرانولها و دانه های کربن اکتیو مورد استفاده قرار می گیرند.
مکانیزم عملکرد فیلتر کربنی
پروسه حذف مواد آلی از آب در فیلتر کربنی بدین گونه است که ابتدا مواد آلی توسط گرانولهای فیلتر اکتیو جذب می شود، سپس فرآیند جداسازی ناخالصی ها انجام می گیرد.
در توضیح فرآیند جذب مواد آلی میتوان اینگونه توضیح داد که این فرآیند بر اساس انرژی نامتقارن بین اتم ها انجام میگیرد. بین اتمهای سطحی و اتمهای سطوح درونی یک انرژی نامتوازن با انرژی حاصل از پیوند مولکولی (پیوند جاذبه واندروالسی) وجود دارد. جهت توازن این انرژی سطوح درونی کربن ناخالصی ها را جذب خواهد کرد.
مکانیزم بعدی که برای حذف مواد مضاف ضد عفونی کننده همچون کلر مورد استفاده قرار می گیرد کاهش قدرت کاتالیزوری آب می باشد. بنابر این ما در فیلتر کربنی با دو فرآیند جذب و کاهش کاتالیزوری آلودگیهای آب را حذف خواهیم نمود.
فیلتر کربنی مانند فیلتر شنی در قالب مخازن فلزی تحت فشار تولید می گردد. این مخازن تصفیه آب را با فرآیند فیلتراسیون یعنی عبور آب از ذرات موجود در بستر مخزن انجام می دهند. در این فیلترها بروی بستر لایه ای از کربن اکتیو با ارتفاع مشخص که بسته به ظرفیت فیلتر تعیین می گردد قرار می گیرد.
در زیر بستر نازل ها قرار دارند که آب در نهایت از آن عبور خواهد کرد. این نازل ها یا از جنس برنج تولید می شوند و یا از جنس پلی اتیلن. آب از ورودی بالا وارد فیلتر کربنی می گردد. آب خام حین عبور از محتویات مخزن که گرانولهای کربن فعال می باشد ناخالصی ها، کدورت و کلر آزاد خود را از دست می دهد.
مزایای فیلترهای کربنی
فیلتر کربن فعال با استخراج مواد سنگین موجود در آب و هوا به عنوان یک غربال عمل می کند و به عنوان یک تصفیه کننده عمل می کند.
کربن فعال یک ماده بسیار متخلخل است، دارای منافذ کوچکتر از 2 نانومتر است و در پدیده‌های جذب بسیار کارآمد است.
این فرآیندی است که بر اساس جذب مولکولهای سنگین به سطح جامد مانند زغال سنگ صورت می گیرد و تنها خالص ترین مولکولهای یک مایع یا گاز باقی می ماند.
کربن فعال مورد استفاده در این فیلترها غالبا کربن فعال دانه ای یا به عبارت بهتر گرانول کربن اکتیو می باشد. این ماده در ذغال سنگ نارس، ذغال چوب و پوست گردو یافت می شود. در مصارف صنعتی این ماده را با استفاده از ترکیب قیر با ذغال سنگ طی پروسه حرارت دهی در شرایط بی هوازی بدست می آورند.
مهمترین ضابطه ای که برای طراحی فیلتر کربن فعال مطرح می باشد در سال 1976 توسط بولتین به شرح زیر تبیین گردیده است:
- دانسیته حجمی کربن باید برابر 480 کیلوگرم در متر مکعب باشد.
- سطح کل گرانول کربن اکتیو برابر 800 الی 900 متر مربع در هر گرم باشد.
قیمت فیلتر کربنی
فیلترهای کربنی بر اساس ظرفیت خود قیمت گذاری می شوند. ظرفیت فیلتر کربن با ابعاد آن رابطه مستقیم دارد. بنابراین با افزایش ظرفیت قطر و ارتفاع بزرگتر شده در نتیجه وزن ورق مصرفی افزایش یافته و در نهایت قیمت تمام شده فیلتر نیز افزایش خواهد یافت. البته میزان کربن اکتیو داخل مخزن نیز با افزایش ظرفیت، افزایش خواهد داشت.
همانطور که میدانید در مخازن فلزی وزن بدنه تاثیر مستقیم در قیمت تمام شده کار دارد. یعنی ضخامت بدنه از عوامل تاثیرگذار در قیمت فیلتر کربن خواهد بود. فاکتور بعدی جنس، کیفیت و درجه خلوص کربن اکتیو مصرفی است.
در نهایت برای اطلاعات بیشتر و محصول مرتبط با این فیلترها پیشنهاد میشود صفحه سختی گیر آب را مطالعه نمایید.
در صورت تهیه مخازن تحت فشار FRP شرکت ناب زیست جهت فیلتر شنی و کربنی، میتوانید از تصویر زیر جهت راهنما استفاده نموده و جهت مشاوره و قیمت با مشاوران ما تماس بگیرید.
محاسبه ظرفیت فیلتر کربنی
هدف ما رسیدن به کدورت خروجی کمتر از 0.1NTU میباشد لذا ملاحظات اصلی در طراحی فیلتر کربنی عبارتند از:
- دانستن دبی آب ورودی
- آنالیز آب ورودی؛ لازم بذکر است مشخصات فیزیکی و شیمیایی ترکیبات آلی موجود در آب ورودی تا حد زیادی بر نوع و میزان پیش تصفیه قبل از ورود به بسترهای کربن دانه ای فعال تأثیری می گذارند.
- آگاهی از نوع مصرف آب تصفیه شده
- کیفیت و نوع کربن فعال خریداری شده: اندازه حفره های کربن فعال دانه ای فاکتوری مهم در حذف مواد آلی به شمار می رود.
- زمان ماند آب درون بستر کربن
- فاصله زمانی بین دفعات احیا و روش آن
در هر صورت ما در پی فراهم کردن نسبت L/D مناسب در بستر بمنور تماس کافی آب با ذرات کربن هستیم. برای فرآیند جذب، کربن فعال دانه ای، با ذرات کوچک و ضریب یکنواختی بالا ترجیح داده می شود. ولی برای فرآیند فیلتراسیون به ذرات بزرگ دانه ای و ضریب یکنواختی پایین نیاز است. اندازه کربن فعال دانه ای به مقدار زیادی بر عمق بستر و افت هد بستر تاثیر می گذارد
