فیلتر کربنی

فیلتر کربنی یکی از اجزای کلیدی در فرایند تصفیه آب است که وظیفه حذف طعم، بو، رنگ و ترکیبات آلی محلول را بر عهده دارد. فیلتر کربن اکتیو از یک مخزن تحت فشار (معمولاً ساخته‌شده از استیل ضدزنگ، فولاد گالوانیزه یا FRP) تشکیل می‌شود که با بسترهای کربن فعال (ذغال اکتیو) و سیلیس پر شده است. عبور آب از میان این بستر، موجب جذب سطحی کلر آزاد، ترکیبات آلی فرار و سایر ناخالصی‌هایی می‌شود که کیفیت فیزیکی و شیمیایی آب را کاهش می‌دهند.

فیلتر کربنی چیست؟

فیلتر کربنی دستگاهی است که با بهره‌گیری از خاصیت جذب سطحی ذرات کربن فعال، ترکیبات آلی، بو، طعم نامطبوع، کلر آزاد و رنگ‌های محلول را از آب یا گاز حذف می‌کند. فیلتر کربن فعال با عبور جریان از بستری متخلخل از کربن گرانولی یا پودری، آلاینده‌ها را در سطح خود جذب کرده و کیفیت فیزیکی، شیمیایی و ظاهری سیال را به‌طور قابل‌توجهی بهبود می‌بخشد. فیلتر کربنی یکی از مراحل کلیدی در تصفیه آب صنعتی و خانگی است و معمولاً پس از فیلتر شنی و پیش از سختی گیر یا ممبران اسمز معکوس نصب می‌شود تا از ورود کلر و مواد آلی به تجهیزات حساس جلوگیری کند.

روش تصفیه آب با فیلتر کربنی

فرآیند تصفیه در فیلتر کربنی بر پایه جذب سطحی انجام می‌شود. در این روش، آب از میان بستری از دانه‌های متخلخل کربن فعال عبور می‌کند. سطح وسیع و تخلخل زیاد این دانه‌ها باعث می‌شود ترکیبات آلی، کلر آزاد، بو، طعم و رنگ نامطلوب آب به‌صورت فیزیکی و شیمیایی بر روی سطح کربن جذب شوند.

فیلتر کربنی از یک مخزن تحت فشار ساخته‌شده از استیل، گالوانیزه یا فایبرگلاس تشکیل شده است. داخل این مخزن، لایه‌ای از سیلیس درشت برای توزیع یکنواخت جریان و در بالای آن، بستر کربن فعال گرانولی (GAC) قرار دارد. آب از بالا وارد فیلتر شده، از میان این بستر عبور می‌کند و پس از تماس مؤثر با دانه‌های کربن، مواد آلی و کلر را از دست داده و شفاف از پایین خارج می‌شود.

پس از مدتی کارکرد، سطح کربن با مواد جذب‌شده اشباع می‌شود. در این حالت، فیلتر به‌صورت شستشوی معکوس (Backwash) تمیز می‌شود تا ذرات معلق از بستر جدا شوند و افت فشار کاهش یابد. در نهایت، بستر کربن هر چند ماه یک‌بار باید تعویض گردد تا کارایی سیستم حفظ شود.

نتیجه این فرآیند، آبی بدون طعم و بو، عاری از ترکیبات آلی و کلر آزاد است که برای مراحل بعدی تصفیه مانند اسمز معکوس یا مصرف مستقیم در صنایع غذایی و دارویی مناسب خواهد بود.

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.

طراحی و محاسبه ظرفیت فیلتر کربنی

طراحی فیلتر کربنی (GAC) یکی از مراحل حیاتی در فرآیند تصفیه آب صنعتی است که به طور مستقیم بر کیفیت آب خروجی و عملکرد سایر تجهیزات مانند آب شیرین‌کن اثر می‌گذارد. برای رسیدن به عملکرد بهینه، پارامترهای کلیدی مانند دبی بهره‌برداری، زمان تماس بستر، عمق و حجم بستر، سرعت سرویس و بک‌واش باید به دقت محاسبه شوند.

دبی بهره‌برداری و زمان تماس بستر (EBCT)

EBCT نشان‌دهنده مدت زمانی است که آب با بستر کربن فعال در تماس خواهد بود و معمولاً برای حذف کلر 5 تا 10 دقیقه و برای کاهش مواد آلی، بو و طعم 8 تا 15 دقیقه در نظر گرفته می‌شود. انتخاب EBCT مناسب باید بر اساس هدف فرآیند و کیفیت آب خام صورت گیرد.

حجم مفید بستر (BV) با توجه به دبی بهره‌برداری و EBCT محاسبه می‌شود:

BV (m³) = Q (m³/h) × EBCT (h)

سطح مقطع و قطر مخزن فیلتر کربنی

پس از تعیین حجم بستر، سطح مقطع و قطر مخزن فیلتر کربنی با استفاده از سرعت سرویس (Service Velocity) مشخص می‌شود. سرعت سطحی رایج برای GAC بین 6 تا 10 m/h است و روابط محاسباتی به شکل زیر است:

A (m²) = Q / v_s
D (m) = √(4 × A / π)

عمق مفید بستر و جرم کربن

عمق مفید بستر کربن معمولاً بین 0.9 تا 1.5 متر در نظر گرفته می‌شود و عمق 1.0 تا 1.2 متر رایج‌ترین مقدار است. اگر عمق محاسبه‌شده خارج از بازه استاندارد باشد، EBCT یا سرعت سرویس باید اصلاح شود تا عمق به نزدیک‌ترین مقدار استاندارد برسد.

جرم کربن فعال و سیلیس پشتیبان بخش دیگری از طراحی است. معمولاً سیلیس پشتیبان 10 تا 20 درصد عمق بستر را تشکیل می‌دهد و جرم کربن فعال با چگالی ظاهری حدود 0.50 t/m³ تعیین می‌شود:

M_GAC (t) ≈ (A × H) × ρ_bulk
M_silica (t) ≈ 0.1–0.2 × (A × H)

فضای آزاد و ارتفاع کل فیلتر

فضای آزاد (Freeboard) برای بک‌واش اهمیت بالایی دارد و حداقل باید 40 تا 50 درصد عمق بستر باشد تا هنگام انبساط بستر در بک‌واش، آب سرریز نکند. ارتفاع کل فیلتر برابر مجموع عمق بستر، سیلیس پشتیبان، فضای آزاد و فاصله نازل‌ها یا کله‌گی است.

طراحی بک‌واش

طراحی بک‌واش باید به گونه‌ای انجام شود که انبساط بستر 30 تا 40 درصد باشد. سرعت بک‌واش معمولاً 12 تا 18 m/h برای آب با دمای 20°C در نظر گرفته می‌شود و با کاهش دما، سرعت لازم افزایش می‌یابد. جریان بک‌واش محاسبه می‌شود:

Q_BW (m³/h) = v_BW × A

افت فشار اولیه بستر تمیز معمولاً بین 0.1 تا 0.2 بار است و آستانه بک‌واش می‌تواند بر اساس ΔP یا ساعت کارکرد تنظیم شود. برای دبی‌های بالاتر، طراحی مدولار با چند ستون موازی توصیه می‌شود تا قطر مخزن در محدوده عملیاتی باقی بماند.

نکات اجرایی فیلتر کربنی

• برای دی‌کلرینه کردن آب قبل از آب شیرین‌کن، EBCT بین 5 تا 10 دقیقه کافی است.
• برای حذف بو، طعم و COD محلول، زمان تماس به 10–15 دقیقه افزایش می‌یابد.
• فیلتر شنی به‌عنوان پیش‌تصفیه قبل از GAC استفاده شود تا گرفتگی زودرس جلوگیری شود.
• بک‌واش دوره‌ای بر اساس ΔP یا ساعت کارکرد انجام شود و ضدعفونی دوره‌ای برای کنترل رشد میکروبی توصیه می‌شود.
• ولوینگ با مالتی‌پورت یا مانیفولد چندحالته (Service / Backwash / Rinse / Fast Rinse / Drain) نصب شود تا عملکرد عملیاتی ساده و مطمئن باشد.

این طراحی دقیق و حساب‌شده فیلتر کربنی، ضمن تضمین کیفیت آب خروجی، عمر مفید بستر کربن را افزایش می‌دهد و مصرف انرژی و آب در بک‌واش را بهینه می‌کند.

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 استیل، فلزی با رنگ اپوکسی و 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 فیلتر کربن اکتیو 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 حالته بوده و قابلیت کنترل دبی و زمان عبور آب را دارا 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

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.

پروسه حذف مواد آلی از آب در فیلتر کربنی بدین گونه است که ابتدا مواد آلی توسط گرانولهای کربن فعال 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. بنابراین 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

قیمت فیلتر کربنی به سایز مخزن، ظرفیت آبدهی و حجم بستر کربن فعال بستگی دارد. فیلترهای کربنی سایز کوچک مانند مدل 844 معمولاً با قیمت حدود 26 میلیون تومان عرضه می‌شوند و با افزایش حجم مخزن، قیمت به صورت پلکانی بالا می‌رود.

به عنوان مثال، مدل‌های 1052 و 1252 به ترتیب حدود 32 و 39 میلیون تومان قیمت دارند. در سایزهای بزرگ‌تر مانند 1665 تا 2162، قیمت بین 65 تا 86 میلیون تومان قرار می‌گیرد. همچنین مدل‌های صنعتی بزرگ همچون 2472 و 3072 که برای دبی‌های بالا در تصفیه‌خانه‌ها استفاده می‌شوند، با قیمت حدود 105 تا 144 میلیون تومان ارائه می‌گردند. در نتیجه هرچه حجم بستر کربن و دبی طراحی افزایش یابد، قیمت فیلتر کربنی نیز بیشتر خواهد بود.

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.

مشخصات فنی فیلتر کربنی

فیلتر کربنی از یک مخزن تحت فشار تشکیل شده که معمولاً از جنس فولاد کربنی با پوشش اپوکسی یا بدنه پلی اتیلن تقویت شده با الیاف فایبرگلاس ساخته می‌شود و درون آن بستر کربن فعال دانه‌ای با درجه خلوص و تخلخل بالا قرار دارد. کربن فعال مورد استفاده دارای ظرفیت جذب سطحی مناسب برای حذف طعم، بو، رنگ و ترکیبات آلی محلول در آب است.

در بخش فوقانی فیلتر کربن فعال نازل‌های پخش یکنواخت جریان و در بخش پایینی مجموعه جمع‌آوری و تخلیه جریان قرار گرفته تا عبور آب به صورت عمقی و یکنواخت از بستر فیلتر انجام شود. طراحی سیستم شامل شیر چندراهه یا مجموعه شیرآلات برای دو حالت بهره‌برداری و شستشوی معکوس بوده و امکان احیای عملکرد فیلتر را فراهم می‌کند.

انتخاب سایز و ظرفیت فیلتر کربنی بر اساس دبی مورد نیاز، زمان تماس آب با بستر و کیفیت آب خام ورودی انجام می‌شود و رعایت این پارامترها تضمین‌کننده عملکرد پایدار دستگاه در تصفیه‌خانه‌های صنعتی، نیمه‌صنعتی و ساختمانی است.

راهنمای نصب فیلتر کربنی

برای عملکرد صحیح فیلتر کربنی، محل نصب باید کاملاً صاف، محکم و بدون لرزش باشد تا فشار داخلی و ارتعاش پمپ‌ها به بدنه و اتصالات آسیب نرساند. پیش از بهره‌برداری، مسیر لوله‌کشی را بر اساس فلش روی بدنه فیلتر مشخص کرده و فشارسنج در ورودی و خروجی نصب کنید تا افت فشار بستر به‌راحتی کنترل شود.

درون فیلتر کربنی ابتدا نازل‌های کف بررسی و سپس لایه‌ای از سیلیس ریخته می‌شود تا جریان به‌صورت یکنواخت توزیع گردد. در ادامه بستر کربن فعال گرانولی (GAC) تا ارتفاع طراحی‌شده اضافه می‌شود. پس از پر شدن مخزن، فیلتر چند دقیقه در حالت شستشوی اولیه قرار می‌گیرد تا گرد و غبار و ذرات سبک از بستر خارج شوند.

خط بک‌واش باید در بالای فیلتر کربنی نصب شود تا آب از پایین به بالا جریان یابد و بستر با سرعت حدود 15 متر بر ساعت شسته شود. پس از اتمام بک‌واش و شفاف شدن آب خروجی، دستگاه در وضعیت سرویس قرار می‌گیرد. تمام اتصالات باید با نوار تفلون آب‌بندی و شیرها به‌آرامی باز شوند تا شوک فشاری به سیستم وارد نشود.

رعایت این نکات باعث افزایش طول عمر فیلتر کربنی و پایداری کیفیت آب تصفیه‌شده خواهد شد.