الكربون المنشط: تطبيقات تحلية المياه

تتم مناقشة الأول في سلسلة من خمسة أجزاء حول تطبيقات الكربون المنشط ، وتحلية المياه هنا. مع معاناة أجزاء معينة من العالم باستمرار من ضعف إمدادات مياه الشرب ، فإن مفهوم تحلية المياه جذاب. الطرق المعاصرة لإزالة الملح من مياه البحر باهظة الثمن وتستهلك الكثير من الطاقة. قد يساعد استخدام الكربون المنشط في تخفيف بعض هذه المخاوف.

الحالة الراهنة للفن

فهو ليس ضروريا للحفاظ على الحياة فحسب، بل
إن ضمان إمدادات المياه الجيدة
أمر بالغ الأهمية للنجاح المستمر والاستقرار في أي بلد. مع تسبب الاحترار العالمي في ارتفاع درجات الحرارة مما يؤدي إلى الجفاف وبالتالي جفاف البشر والحيوانات وفشل المحاصيل ، لم يكن الحفاظ على إمدادات ثابتة من المياه النظيفة أكثر أهمية من أي وقت مضى. تستخدم محطات تحلية المياه المعاصرة مياه البحر (الوفيرة) ومن خلال عملية الترشيح حسب الحجم تنتج المرشحات والأغشية وغيرها إمدادات نظيفة وصالحة للشرب. يمكن أن تحتوي مياه البحر على ما يصل إلى 35 جم L-1 من المواد الصلبة الذائبة (1).

النوع الرائد من محطات تحلية المياه هو محطة التناضح العكسي. هذا يجبر الماء النظيف عبر غشاء نافذ جزئيا من مكان يحتوي على تركيز ملح مرتفع إلى مكان منخفض. هذا يستخدم الطاقة الكهربائية. كما أنه يزيل الأيونات والشوائب الأخرى من الماء المالح. ومع ذلك ، يتم فقدان الكفاءة عندما تصبح هذه الأغشية مسدودة أو مسدودة بالملوثات والكائنات الحية واللدائن الدقيقة على سبيل المثال. تعمل محطات التناضح العكسي الحديثة بكفاءة تبلغ حوالي 30٪ فقط ، وبالتالي فإن الحاجة إلى نظام ترشيح ما قبل الغشاء أمر بالغ الأهمية.

تستخدم تركيبات التناضح العكسي المعاصرة الترشيح التدريجي قبل الغشاء القابل للنفاذ لضمان عملية فعالة قدر الإمكان. مع الفكرة التي تتمثل في تقليل تراكم المواد الصلبة في موقع الغشاء ، يمكن تقليل متطلبات الطاقة. تشمل الخيارات الشائعة لوسائط الترشيح أنثراسايت والرمل
والكربون المنشط
الحبيبي. يمكن أن تسمح مسارات الترشيح هذه بتعزيز استعادة المياه بنسبة 35٪ على مدار العام مقارنة بعدم الترشيح. يمكن لمرشحات الوسائط المتعددة هذه معالجة ما يصل إلى 40 مترا مكعبا من مياه البحر في الساعة - وغالبا ما تنتج حوالي 10 أمتار مكعبة من مياه الشرب (2).

الكربون

إضافة GAC كمرشح تناضح عكسي مسبق

تماما كما هو الحال مع أنثراسايت ، فإن نشر GAC كمرشح ما قبل التناضح أمر شائع. في كثير من الأحيان يتم استخدامها جنبا إلى جنب من أجل توفير الترشيح الأكثر شمولا - وهو مفيد لمزيد من الحماية للمرشح ، وهو عملي لأن كلا من GAC و anthracite عبارة عن مواد عالية المرونة. مثل هذا المثال على استخدامها معا هو المكان الذي تم فيه تحسين الكفاءة الكلية للنظام من خلال إزالة GAC للمواد العضوية الذائبة بشكل فعال (بنسبة تصل إلى 70٪) و cTEP (بنسبة تصل إلى 90٪) مع تحسينات الكفاءة الإجمالية التي تأتي عن طريق انخفاض النفاذية المحدود (3). عند استخدامها كجزء من إعداد الترشيح الفائق ، تكون مكاسب الكفاءة أكبر.

لإزالة البقايا البكتيرية ، تم استخدام GAC و anthracite في دراسة منافسة. وقد وجد أن كلاهما فعال للغاية كمعالجة مسبقة لتحلية مياه البحر في الحالات التي تكون فيها مياه البحر غنية بالبكتيريا. في عمود سرير ثابت تم إعداده بعمق سرير 1 متر ، كان كلاهما فعالا ، لكن أنثراسايت يميل إلى السماح بمزيد من التكتل البكتيري في الجزء العلوي من سرير المرشح (4). في الواقع، لطالما اعتبر استخدام GAC كجزء من نظام الترشيح قبل الغشاء فعالا ضد المواد البيولوجية(5).

واحدة من المزايا الرئيسية ل GAC كمرشح ما قبل الغشاء هي قدرتها على تقليل الجرعة المطلوبة من المواد الندفية. GAC قادرة على إزالة ما يزيد عن 70٪ من المركبات منخفضة الوزن الجزيئي - المحايدة والحمضية - مما يقلل من الحشف الحيوي للغشاء. في النظم التقليدية ، عادة ما تكون هناك حاجة إلى جرعة من كلوريد الحديديك وكبريتات بولي الحديديك (3 و 2 ملغ L-1 على التوالي) لضمان إزالة المخلفات العضوية عن طريق التلبد. إن استخدام GAC كمرشح يقلل بشكل كبير من كمية كلوريد الحديديك والكبريتات إلى حوالي 1 مجم L-1 باستمرار - مما يقلل التكلفة والتعقيد (6).

النشاط الميكروبي في المرشح الحيوي GAC ليس مصدر قلق. يقلل GAC من كمية المواد الحيوية من خلال الامتزاز والتحلل البيولوجي ، مع وجود المواد البيولوجية على المرشح لأنها يمكن أن تسبب تدهور جزيئات الملوثات الأخرى (7). تؤدي المرشحات الحيوية GAC باستمرار إلى تقليل تركيز جزيئات البوليمر الخارجي الشفافة والكربون العضوي القابل للاستيعاب.

حتى مياه البحر الملوثة بالنفط يمكن معالجتها باستخدام GAC. بطبيعة الحال، يكون الأمر أكثر صعوبة ويجب أن تفكر عمليات النشر الكبيرة في استخدام مواد أخرى لإزالة النفط بالإضافة إلى ذلك، لكن الأبحاث أظهرت أن ترشيح GAC يمكن أن يزيل ما يصل إلى 98٪ من الكربون العضوي المذاب من مياه البحر الملوثة بالنفط المجوي (8). يمثل هذا تحسينا مثيرا للإعجاب على ما هو ممكن مع تلبد كلوريد الحديد وحده ، والذي كان قادرا فقط على إزالة ربع الكربون العضوي المذاب.

بشكل عام ، يمكن القول دون شك أن GAC هو مسار فعال لمعالجة مرشح غشاء التناضح العكسي الذي يضمن الإزالة الكافية للمركبات العضوية الذائبة والبكتيريا وغيرها ، من أجل حماية الغشاء.

طريقة أخرى لإزالة الأيونات هي إزالة الأيونات بالسعة الغشائية ، والتي تستخدم إعدادا يشبه التحليل الكهربائي لإزالة الأيونات من السوائل على نطاقات صغيرة. في حين يتركز الكثير من التركيز على هويات الأقطاب الكهربائية نفسها ، فإن هوية المادة التي تفصل بينها ليست كذلك. المواد الشائعة هي ألياف الفولاذ المقاوم للصدأ وورق الترشيح. تتفوق GAC على هذه بهامش كبير في تحلية المياه. وتستطيع شركة غينيا ألومينا كوربوريشن تحلية المياه بمعدل 513.4 مجم L-1 H-1، في حين لوحظت قيم 374.1 و297.9 مجم L-1 H-1 للمواد التقليدية على التوالي(9).

المياه النظيفة تتدفق بعد التصفية من خلال وسائط تصفية الزجاج

الاعتبارات المطلوبة

GAC ليس حلا سحريا ، وغالبا ما يستخدم جنبا إلى جنب مع طرق العلاج الأخرى لسبب وجيه. أظهرت الدراسات أنه على الرغم من فعاليته الساحقة كعلاج ما قبل الغشاء، إلا أن GAC قد لا يكون فعالا ضد الملوثات مثل جزيئات الدبالية منخفضة الوزن الجزيئي المرتبطة بالسكريات والبروتينات(10). لحسن الحظ، فإن GAC فعال في معظم الخطوط الأخرى، بما في ذلك وخاصة المواد القابلة للتحلل الحيوي والمواد العضوية الأخرى التي تشكل معظم الملوثات المسؤولة عن القاذورات على أي حال.

أمثلة من العالم الحقيقي

في حين أن الاختبارات المعملية المكثفة مفيدة ، لا شيء يمكن أن يتفوق على الخبرة التي تم جمعها في العالم الحقيقي. تستخدم GAC في عدة أماكن حول العالم كجزء من برنامج شامل لتحلية المياه. في كوراكاو في جزر الأنتيل الهولندية، يستخدم GAC لشل حركة أنواع البورون بعد مرورها عبر غشاء التناضح العكسي. كجزيرة كاريبية ، تعتمد كوراكاو على التناضح العكسي لنسبة كبيرة من احتياجاتها من مياه الشرب. إن GAC في مصنع كوراكاو مسؤول عن إزالة مستويات البورون إلى أقل من الحد القانوني البالغ 0.3 مجم L-1 ، وتوفر هذه العملية 50٪ من مياه الجزيرة (11).

تحتوي مياه النهر المالحة في أحواض نهري يوبريغات وتير - بالقرب من برشلونة - على مستويات مرتفعة من المواد العضوية الطبيعية وثلاثي الميثان. يتم استخدام ترشيح GAC قبل عملية تحلية المياه العكسية لغسيل الكلى الكهربائي. على عكس التناضح العكسي ، فإن الهدف الرئيسي ليس حماية الغشاء في حد ذاته ، ولكن إزالة الهالو ألكانات والمخلفات العضوية تعني أن المحلل الكهربائي قادر على الأداء في ظروف أكثر ملاءمة (12). المحطة قادرة على إنتاج 2.3 م3 s-1 من مياه الشرب ل 4.5 مليون نسمة يعتمدون عليها.

أكثر قابلية للتطبيق على العالم النامي هو تحلية المياه بالطاقة الشمسية. هذا أيضا لا يعتمد على الغشاء ويمكن وصفه بأنه طريقة أكثر فظاظة - ولكنها أكثر قوة. نظرا لأن نظام تحلية المياه بالطاقة الشمسية يعتمد على الماء المغلي والمكثف، فمن الضروري أن تكون الأشياء الوحيدة التي تحتويها المياه هي الماء والملح. يستخدم الكربون المنشط الحبيبي كمرشح واسع النطاق لإزالة العديد من الملوثات. يؤدي مرشح الامتصاص المسامي هذا إلى أداء أفضل للطاقة الشمسية وتكلفة تشغيل أقل وانبعاثات إجمالية أقل أيضا (13).

ميزة الموافقة المسبقة عن علم

موجز

  • الكربون المنشط الحبيبي هو مرشح مفيد ومستخدم على نطاق واسع لمجموعة متنوعة من التطبيقات
  • استنادا إلى مساميته وكيمياء سطحه الفريدة ، فإنه يستخدم في تطبيقات تحلية المياه كجزء من مسار المعالجة المسبقة ، غالبا جنبا إلى جنب مع مواد مثل أنثراسايت والرمل
  • تحلية المياه هي واحدة من أكثر الطرق المدروسة والمستخدمة على نطاق واسع لضمان إمدادات المياه النظيفة
  • كمعالجة مسبقة ، تعمل GAC على حماية غشاء مرشح التناضح العكسي - مما يضمن أنه يمكن أن يعمل دون هوادة ودون إزعاج من الجزيئات التي ليست مالحة وماء
  • يعني استخدام عملية المعالجة المسبقة أن هناك حاجة إلى طاقة أقل للتناضح العكسي وأن الغشاء يدوم لفترة أطول - مع إنتاج ما يصل إلى 35٪ من مياه الشرب نتيجة لذلك
  • تم استخدام GAC كمرشح ما قبل الغشاء بنجاح اليوم في جزر الأنتيل الهولندية للتناضح العكسي وفي إسبانيا لطرق تحلية المياه بالغسيل الكهربائي العكسي
  • كما أنه مفيد في إزالة الأيونات بالسعة الغشائية ، متفوقا على تقنيات الفصل التقليدية
الكربون

مراجع

1 س.-ح. كيم وآخرون ، تحلية ومعالجة المياه ، 2011 ، 32 ، 339

2 وزارة الجيش، الدليل الفني لتحلية المياه، واشنطن العاصمة، 1986

3 س. لابوري وآخرون، تحلية المياه، 2016، 383، 1

4 ج. نايدو وآخرون ، إيكولوغ. المهندس., 2013, 60, 370

5 س. فيجنيسواران وآخرون، تحلية المياه، 2009، 247، 77

6 S. Vigneswaran et al., تحلية المياه, 2014, 354, 9

7 س. فيجنيسواران وآخرون، تحلية المياه، 2013، 309، 254

8 دبليو - ه. كيم و م. أوكادا, كور. ياء - المياه Env., 2004, 20, 447

9 P. Liang et al., تحلية المياه, 2016, 381, 95

10 سي جي دوسوريتز وآخرون ، Water Res. ، 2008 ، 42 ، 1595

11 V. Bonnélye et alتحلية المياه، 2007، 205، 200

12 ف. فاليرو و ر. أربوس، تحلية المياه، 2010، 253، 170

13 ج. ب. عبد العزيز وآخرون، بيئة سلامة العمليات. حماية, 2021, 147, 1052