水処理における活性炭の応用

すべての表面は表面エネルギーを自発的に減少させる傾向があります。固体表面は自由に収縮できないため、界面張力が低下することで表面エネルギーが低下します。これが固体表面で発生する吸着の根本的な原因です。活性炭は、高度に発達した細孔構造と超大きな比表面積を特徴としており、ベンゼン化合物、フェノール化合物、石油および石油誘導体など、水中の溶存有機物に対する強力な吸着能力を備えています。-コア吸着剤として、廃水処理用活性炭また、色の原因となる物質、異臭化合物、界面活性剤、除草剤、合成染料、アミン、多くの人工合成有機化合物など、生物学的処理やその他の従来の処理では除去が難しい有機物も効率的に除去できます。{0}{1}したがって、活性炭吸着技術、特に活性炭の応用廃水処理用活性炭、水処理に広く採用されています。

 

I. 活性炭の特徴

活性炭は、よく発達した微細孔構造と巨大な比表面積を備えた多孔質の炭素質材料です。{0}表面で多数の化学物質を捕捉できる、さまざまな炭素ベースの吸着剤を網羅しています。-活性炭は当初は製糖業界で使用されていましたが、その後、廃水から有機および特定の無機汚染物質を除去するために広く使用されてきました。廃水処理用活性炭複雑な下水にターゲットを絞った性能により際立っています。

 

1.1 活性炭の一般的性質

活性炭は濃い黒色の外観をしており、優れた吸着性能を持っています。強酸、強アルカリに強く、浸水や高温にも耐える安定した化学的性質を誇ります。水よりも密度が低いため、多孔質疎水性吸着剤に分類されます。

 

 

1.2 活性炭の吸着メカニズム

活性炭への吸着は、固体表面の不飽和原子力場と表面エネルギーに起因します。この材料は分子を吸着して表面エネルギーを減少させます。固体が溶液から溶質分子を吸着した後、バルク溶液の溶質濃度は減少しますが、吸着された分子は固体表面に密に蓄積します。

活性炭の製造中に、揮発性有機成分が除去され、格子間空隙が形成され、さまざまな形やサイズの無数の細孔が生成されます。{0}通常、細孔は活性炭粒子の総体積の 70% ～ 80% を占めます。これらの細孔の形状と細孔サイズの分布は大きく異なります。細孔壁の総表面積、つまり比表面積は一般に 500 ～ 1700 m²/g に達します。これが、活性炭の強力な吸着能力と高い吸着負荷の主な理由です。

活性炭の吸着性能は、細孔の構造や分布だけでなく、表面の化学的性質にも依存します。活性炭自体は無極性です。-その表面官能基含有量と表面電荷は、原料組成と活性化条件によって異なります。低温活性化炭素（< 500°C) generates surface acidic oxides that release H⁺ upon hydrolysis. Weak polarity on the carbon surface enables polar solutes to compete for active adsorption sites, reducing the adsorption capacity of non-polar solutes. Meanwhile, ion exchange adsorption and complexation reactions occur between activated carbon and certain metal ions in water, improving the removal efficiency of metal ions.

要約すると、微細孔は全比表面積のほぼすべてを構成するため、微細孔構造が吸着能力を支配します。マクロ細孔と移行細孔は、それぞれ粗い物質移動チャネルと細かい物質移動チャネルとして機能します。その量と分布は吸着速度と脱着速度に大きく影響します。さらに、表面の化学的性質も活性炭の吸着性能に影響を与えます。

 

II.水処理における活性炭の応用

活性炭吸着プロセスは、水中の有機汚染物質を除去するための好ましい技術です。豊富な原料と大きな比表面積により、色、臭い、味などの有機汚染物質の高い除去率を実現し、水処理への用途が広がります。

粉末活性炭（PAC）は、藻類細胞によって分泌される低分子量の溶存有機炭素（DOC）--に特に効果的で、水中のミクロシスチンを効率的に除去できます。従来の緩速濾過器の後に活性炭フィルターを設置すると、ジェオスミンや 2-メチルイソボルネオール (MIB) などの臭気の原因となる有機物が除去され、排水中の不快な味と臭気が大幅に減少します。{3}}しかし、活性炭は危険性の高いハロゲン化炭化水素に対する吸着性能が限られており、飽和活性炭の再生では長い間満足のいく結果が得られていませんでした。現在、活性炭繊維や多孔質合成樹脂などの新しい吸着剤が研究開発されています。

 

 

2.1 飲料水処理への応用

粒状活性炭 (GAC) を充填した急速生物学的フィルターは、二次濾過ユニットとして一般的に使用されます。粒状活性炭の表面に付着した微生物は、水中の生分解性有機物 (BOM) を分解します。このプロセスは、二次生物学的活性炭濾過としても知られています。文献により、その信頼性の高い治療効果が証明されています。運営コストを削減し、浄水場での普及を促進するために、「一次砂ろ過 + 生物活性炭ろ過」の二層ろ過コンセプトが提案されています。- BOM 除去における生物学的フィルターの利点は次のとおりです。

1. 給水パイプライン内で細菌が増殖するための栄養基質を減らし、細菌の繁殖を効果的に抑制します。
2. 消毒剤と反応する有機物の含有量を削減し、消毒剤の投与量を減らし、完成水中の残留消毒剤濃度を安定させます。
3. 製品による消毒の有機前駆体を除去し、完成水中の製品レベルによる消毒を軽減します。{{0}{1}
4. 有機汚染物質を無機最終製品に変換します。
5. 古くなって剥がれたバイオフィルムの残留物は、化学沈殿スラッジよりも処分が簡単です。
6. 生物学的処理により、単独の活性炭吸着よりも低い運用コストが実現します。

 

 

2.2 活性炭による排水の脱臭

活性炭吸着カラムは幅広い悪臭物質を除去します。アセトアルデヒドやインドールなどの悪臭成分は物理吸着によって除去され、硫化水素 (H₂S)、メルカプタン、その他の硫黄-含有化合物は炭素表面での酸化反応とその後の二次吸着によって除去されます。活性炭は、硫化水素および硫黄を含む化合物に対して優れた性能を発揮します-が、アンモニアおよび窒素を含む有機物に対しては限定的な除去効果しか示しません-。

活性炭は、吸着飽和に至るまで比較的安定した悪臭物質の除去率を維持し、ガス流の衝撃荷重にも強いため、幅広い適応性を示します。それにもかかわらず、吸着剤を頻繁に再生することは現実的ではないため、流入する排ガスの濃度は低レベルに制御する必要があります。

 

2.3 活性炭による印刷・染色廃水の脱色

活性炭吸着により、複雑な染料製造廃水に優れた処理能力を発揮します。標準的なプロセス フローを以下に示します。

1. 嫌気前処理とそれに続く凝集沈殿の後、COD 除去率は約 83% に達し、脱色率は 99.3% に達し、その後の活性炭吸着に有利な入口条件を作り出します。
2. 活性炭は優れた吸着能力を持っています。このプロセスの最適な吸着パラメータは、pH=4、粉末活性炭の投与量 20 g/L、吸着中の連続撹拌、および吸着時間 40 分です。吸着後、排水の CODCr は 150 mg/L 未満に低下し、国の排出基準に適合します。
3. アルカリ溶出とフェントン試薬酸化の 2 つの再生方法により、飽和活性炭の吸着性能を効果的に回復できます。再生後も、再生カーボンは 77% を超える COD 除去率と 97% を超える脱色率を達成しています。

 

活性炭吸着技術は、豊富な原料源、大きな表面エネルギー、強力な吸着能力、便利なリサイクル性の恩恵を受けて、廃水処理において成熟した発展と幅広い応用を達成しました。当社は、水処理用に特別に開発された活性炭製品の全シリーズを提供しています。ご興味がございましたらお気軽にお問い合わせください！

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