3.1. Очистка воды активным углем


Некоторые компоненты растворенного органического вещества (РОВ) могут быть извлечены из аквариумной воды активным углем. Активный уголь готовят в два этапа. Первый этап — обжиг, во время которого такие углеродсодержащие материалы, как уголь, кости животных, древесину или скорлупу орехов, нагревают до красного каления (около 600° С) для удаления углеводородов.

Во избежание полного сгорания обжиг произ водят фактически без доступа воздуха. Следующий этап — активация. Обжиг повторяют на этот раз при температуре 900°C в присутствии окисляющего газа. Этот газ создает внутреннюю пористую поверхность уг ля, на которой впоследствии будут оседать извлеченные из воды POB (рис. 3.2). При удалении адсорбата из жидкой среды размер пор, как правило, не имеет большого значения (Тchobanoglous, 1972).
Применяют гранулированный или порошкообразный активный уголь. Хотя порошкообразный уголь имеет большую связывающую поверхность, он неудобен в эксплуатации и относительно дорог, поэтому в дальнейшем рассматривается в основном гранулированный уголь. Гранулированным называют активный уголь (ГАУ) с частицами размером более 0,1 мм (Тchobanoglous, 1972).
Факторы, влияющие на эффективность адсорбции. эффективность адсорбции растворенного органического вещества на ГАУ зависит от нескольких факторов, важнейшими из которых являются массоперенос адсорбата в гранулы угля, продолжительность контакта, концентрация и происхождение адсорбата, размер гранул, площадь поверхности пор и однородность фракций активного угля, наличие органической пленки на поверхности гранул. Температуру и рН как факторы, влияющие на адсорбцию, можно не учитывать, поскольку ваквариумах они должны поддерживаться в узком диапазоне, обеспечивающем нормальную жизнедеятельность животных и растений. Из этих двух факторов рН, по-видимо му, важнее. Моррис и Вебер (Morris and Weber, 1964) Отмечали, что адсорбционное равновесие не подвержено влиянию колебаний температуры воды, особенно в диапазоне, характерном для природных вод.
Чобаноглоус (Tcho banoglous, 1972) выделял в процессе адсорбции три самостоятельных этапа: перенос адсорбата через слой воды || биологическую пленку, окружающую адсорбент, проникновение в поры ГАУ, об разование химических связей между молекула ми адсорбата и активного угля. Первые два эта па зависят от продолжи тельности контакта, третий происходит мгновенно. Таким образом, моле

Схематический разрез гранулы активного угля, показаны молекулы POB, адсорбированые в порах
Рис. 3.2. Схематический разрез гранулы активного угля, показаны молекулы POB, адсорбированые в порах

 

кулярный массоперенос - лимитируется первыми двумя этапами (рис. 3.3). 

Продолжительность кон такта между водой, содержа щей Ров, и активным углем имеет принципиальное значение. Если продолжительность контакта очень мала, массопереноса не происходит. Увеличение продолжительности кон такта достигается удлинением контактной колонки или уменьшением расхода воды через
Контактор.

Рис. 3.3. Диффузионная модель адсорбции РОВ на активном угле:
су — концентрация РОВ воде, а = концентрация ров в гранулах активного угля: —


Скорость адсорбции час тично изменяется как корень квадратный из величины концентрации адсорбата в рас 
единицу времени извлекается больше адсорбата вплоть до удаления следов РОВ из раствора. Тем не менее скорость адсорбции возрастает с увеличением концентрации загрязнителя в растворе, но эта зависимость носит нелинейный характер, Моррис и Вебер (1964) обнаружили также, что крупные молекулы (с большой молекулярной массой) осаждаются медленнее, чем мелкие. Более того, конфигурация молекул оказывала влияние на скорость их осаждения: молекулы с сильно разветвленной цепью адсорбировались медленнее, чем молекулы со сходной молекулярной массой, но более компактные по структуре.
Скорость адсорбции частично изменяется как квадрат диаметра отдельных гранул активного угля (Morris and Weber, 1964). Как уже отмечалось, скорость диффузии органических молекул на границе воды и актив ного угля ограничена массопереносом в поры адсорбента, в свою очередь размеры гранул активного угля Влияют на скорость массопереноса; на более мелких частицах извлечение POB из воды происходит быстрее. Вместе с тем измельчение крупных гранул активного угля, хотя и создает дополнительные поры, не приводит к ощутимому увеличению скорости адсорбции (Morris and Weber, 1964). 
Площадь поверхности пар ГАУ может быть выраже на в общем виде мелассовым, фенольным или йодным числом. Молекулы каждого из этих химических веществ имеют разный размер, и степень, с которой оно может быть адсорбировано, зависит от числа пор определенно го размера на поверхности гранул активного угля. Мо лекулы йода как самые мелкие дают представление об общей площади поверхности пор. Мелассовое число характеризует число крупных пор, а фенольное — промежуточных по величине пор. Иодное, мелассовое и фепольное число позволяют приблизительно судить о потенциальной адсорбционной способности активного уг. ля данного сорта. Однако Сонтимер (Sоntheimer, 1974), испытывая ГАУ трех сортов в опытах по удалению общего органического углерода из сбросных вод, не обнаружил определенной зависимости адсорбционной емкости гранул ни от фенольного числа, ни от площади поверхности пор.
Последний фактор, определяющий скорость адсорбции, — это образование органической пленки. Гранулы, помещенные в воду, очень быстро покрываются пленкой «слизи, вырабатываемой бактериями, с одной стороны, она препятствует прониканию в ГАУ тяжелых молекул РОВ (McCreary and Snoeyink, 1977), с другой — обеспечивает удаление POB из воды, после того как физическая адсорбционная способность колонки с гранулированным углем исчерпана (Maqsood and Benedеk, 1977). Последний процесс обусловлен делительностью гетеротрофных бактерий, населяющих слизь.
Устройство ГАУ-контакторов. Гранулы активного угля обычно помещают в отдельный контейнер, так называемый контактор. Насыпание гранул прямо на фильтровальный слой неудобно, так как отработанные гранулы необходимо периодически отделять от гравия и удалять из аквариума. В небольших аквариумах в качестве контактора можно использовать стандартный угловой фильтр с эрлифтом. Для защиты гранул активного угля от слизи поверх них укладывают плотный слой Стекловаты.
Для крупных аквариумов контактор можно изготовить из отрезка полихлорвиниловой трубки (рис. 3.4). Для удобства на обоих концах контакторной трубки де лается резьба и навинчиваются съемные переходные
муфты. На выходном конце трубки во избежание выноса частиц угля в эрлифт устанавливают пористую пластинку, кусочек капронового сита или пробку из стекло ваты. ?выходному концу контакторной трубки присоединяют гибкий шланг с наконечником, снабженным краном. В схему включен перепускной клапан (рис. 3.5), чтобы воду можно было пустить через биологический фильтр, когда контактор отключен для перезарядки. В идеале контактор следует устанавливать сразу за биологическим фильтром (рис. 3.6). В результате гетеротрофных окислительных процессов многие компоненты РОВ минерализуются, что снижает нагрузку на активный уголь и продлевает срок его службы.
Контакторы, показанные на рис. 3.4 и 3.6, заменяются после переключения тока воды обратно в аквариум, затем отсоединяются передняя и задняя муфты. Эта процедура облегчается, если вместо жестких полихлорвиниловых трубок применяются гибкие соединительные шланги. Отработанный ГАУ заменяют новым, предварительно промытым в чистой водопроводной воде для удаления пыли. Во избежание просачивания воды в сочленениях нарезные концы оборачивают тефлоновой лентой.
ГАУ-контакторы для очень больших аквариумов можно изготовить из 200-литровой стальной бочки со съемной крышкой (рис. 3.7). Для защиты от коррозии внутренние поверхности бака и крышки покрывают двумя слоями эпоксидной краски. В стенке бочки высверливают два отверстия (диаметром 2,54 см): одно сверху, другое снизу. В отверстия вставляют нарезные полихлор
Гду = контактор

Внешний ви1 контактора для актив ного угля, изготовленно го из отрезка полихлор  виниловой трубы


Рис. 3.4. Внешний ви1 контактора для актив ного угля, изготовленно го из отрезка полихлор
виниловой трубы

Рис. 3.5. Двухходовая система установки ГАУ. контактора. Для нормальной фильтрацин откры вают краны 1 и 3 н закрывают кран 2. Во время замены контактора Воду пускают только через биологический фильтр, для этого открывают кран 2 и закрывают краны 1 и 3
 
Замкнутая аквариальная система, показаны биологический фильтр, контактор с активным углем и обводные краны
Рис. 3.6. Замкнутая аквариальная система, показаны биологический фильтр, контактор с активным углем и обводные краны. Расположение кранов то же, что и на рис. 3,5 виниловые фланцы диаметром 2,54 см и закреп
Водовпуск съемная крышка ляют их изнутри вместе с уплотнительной шайбой болтами, из нержавеющей стали, на наружные кон
цы фланцев навинчивают
«Активированный
хуголь гибкие полихлорвинило Вые шланги. Если на Водовыпуск Внутренний конец флан ца натянуть пластико вую сетку, отпадает необ ходимость устройства платы, как это делается в гравийном фильтре.
| Фланец с сетной Cетка предотвращает за
Место прикрепления сасывание эрлифтом час
гибного шланга тиц активного угля вак-

тальной контактор для вариум. Вода должна по активного угля вместимостью

Рис. 3.7. Стальной контактор для вариум. Вода должна по активного угля вместимостью

даваться в контур по об

ГАУ-контактор высокого давления для больших систем
Рис. 3.8. ГАУ-контактор высокого давления для больших систем
ходному пути через фильтр, как показано на рис. 3.5. Бочка заполняется на 3/4 промытым ГАУ. Одной заправки хватает для очистки 4000 л аквариумной воды.
Для очистки крупных аквариальных систем требу ется контактор с механическими насосами. Для этих целей пригодны также большинство песчаных фильтров высокого давления. Вместо песка и гравия эти установки наполняют активным углем. Фильтр целесообразно снабдить съемной крышкой, так как активный уголь необходимо периодически менять (рис. 3.8).