Угольный фильтр как эффективное средство очистки физических сред от примесей
- Краткая историческая справка и открытие сорбционных свойств угля
- Типы и марки активированных углей, размеры пор
- Каталитическая и физическая сорбция
- Типы, виды и назначения промышленных и бытовых угольных фильтров
- Вытяжная вентиляция
- Автофильтры
- Респираторы, защитные маски и противогазы
- Бытовая техника
- Малое растениеводство
- Медицинские применения
- Фильтрация воды и жидкостей
- Бассейны и аквариумы, очистные сооружения и скважины
- Самогоноварение, виноделие, пивоварение
- Промышленные воздушные угольные фильтры
- Особенности проектирования и создания адсорберных систем
- Регенерация угольного сорбента: методы и подходы
- Итоговая классификация
- Разработка, производство, доставка и ввод угольных фильтров в эксплуатацию в России, СНГ, Европе и Азии
Приволжский завод газоочистного оборудования тепло встречает своих Посетителей и предлагает в исключительных деталях ознакомиться с таким устройством как угольный фильтр, а для представителей промышленности – рассмотреть предложение его индивидуального проектирования, изготовления, доставки и монтажа на производственном объекте.
Задайте вопрос или запросите калькуляцию стоимости оборудования
История и физико-химический принцип работы угольного фильтра
Сорбционные и дезодорирующие свойства древесного угля были известны с давних времен, но первые эксперименты в области исследования и научного осмысления феномена карбоновой сорбции приписываются русскому химику немецкого происхождения Иоганну Тобиасу Ловицу (1757-1804).
Перед ученым стояла задача очистки существенных объемов винной (диоксиянтарной) кислоты, которая в 18-19 веках широко требовалась в медицине. Использовав в процессах дистилляции фильтрацию растворов через древесный уголь, герр Ловиц обнаружил, что пропускание жидкостей сквозь такие «преграды» уменьшает мутность, убирает окрашивание, а также снижает запах и ослабляет вкус обрабатываемых веществ.
Открытие углевой сорбции сыграло огромную роль в улучшении гигиенических условий во многих сферах жизни Человека. Так, например, матросы начали добавлять уголь в бочки с пресной водой – это сдерживало рост патогенных организмов и сохраняло воду пригодной для питья в течение долгих месяцев.
Позже, в 1915 году, в разгар WWI, Николаем Дмитриевичем Зелинским – в сотрудничестве с инженером Э. Кумантом – был разработан адсорбционный противогаз, в котором задержание токсических соединений и боевых отравляющих веществ (молекулярного хлора, фосгена, синильной кислоты) происходило в слое активированного березового или липового угля.
Противогазы Первой Мировой Войны (слева направо – американский, британский, британский, французский, германский)
Первая Мировая Война выступила в роли мощного драйвера, поспособствовавшего свершению множества важных открытий, в том числе, в разрезе разработки промышленного газоочистного оборудования адсорбционного и каталитического типа.
Разумеется, без мощных микроскопов и понимания квантовых взаимодействий принцип действия угольных фильтров изначально не был вполне понятен, но развитие методов оптического и физико-химического исследования вскоре позволило более детально ознакомиться с микропроцессами, сопутствующими хемо- и физиосорбции.
Типы, марки и обозначения активированных углей, размеры молекул захватываемых соединений
Удалось установить, что сорбционная активность угля обусловлена наличием в его поверхности множества пор, которые, в зависимости от размера, получили следующие устоявшиеся названия:
- Микропоры – с размером менее 2 нанометров (в них хорошо задерживаются молекулы газов с маленьким кинетическим диаметром);
- Мезопоры (греч. μέσος – средний, промежуточный) – от 2 до 50 нанометров (большое количество мезопор в сорбенте позволяет эффективно захватывать крупносоставные органические молекулы);
- Макропоры – свыше 50 нанометров (в таких порах идет захват микромеханических включений).
Активацией угля называется такое воздействие на вещество, при котором происходит «раскрытие» макро, мезо или микропор – в зависимости от назначения сорбента. Отталкиваясь от планируемого применения фильтрующего субстрата, угольные гранулы, таблетки или пеллеты могут содержать заданное (в процентах) количество пор нужного размера.
Микроскопическое исследование образца: видны различные диаметры пор
Область применения фильтрующего материала нередко отражается в оригинальных названиях фильтросубстратов: AmmonoSorb – для поглощения аммиака, FormaSorb – для улавливания формальдегида, ExtraSorb – универсальный, FlueCarbon – для очистки дымовых газов.
Приставка «K» в названии угля обычно указывает на то, что исходным сырьем для производства является кокосовая скорлупа, а «S» – что уголь является минеральным / каменным. Впрочем, производители часто вводят в обиход уникальные буквенные, цифровые и комбинированные обозначения, согласно собственным патентам и ТУ (УБФ, АГ, БАУ, ОУ и так далее).
Интересный факт: общая поверхность всех пор в 1 грамме активированного угля может достигать 2000 м2 и выше.
Помимо прочего адсорбенты характеризуются т.н. йодным индексом – показателем емкости, то есть, массовым количеством примесей, которое может удерживать в себе фильтрующий материал; для актикарбона йодный индекс составляет от 500 до 1200 миллиграммов на каждый грамм.
Научно-популярный ролик, доступно раскрывающий базовые принципы и физические причины захвата веществ активированным углем
В некоторых случаях емкость адсорбента замеряется по массовому эквиваленту метиленового синего (C₁₆H₁₈ClN₃S), (рекомендуемое значение – от 220 мг/г).
Таблица 1: некоторые диаметры молекул газов и соединений
Название соединения | Диаметральный размер молекулы, нм |
N2 (азот) | 0,37 |
H2 (водород) | 0,27 |
Xe (ксенон) | 0,40 |
CO2 (углекислый газ) | 0,33 |
CH4 (метан) | 0,44 |
C2H2 (ацетилен) | 0,42 |
O2 (кислород) | 0,35 |
Cl2 (хлор) | 0,54 |
H2S (сероводород) | 0,32 |
SO2 (диоксид серы) | 0,34 |
Выбор размера пор адсорбента позволяет осуществлять селективность (выборочность) очистки газовоздушных или жидкостных сред. То есть, угольный фильтр может использовать такую подложку / патрон / насадку / массив фильтрующих тел, который позволит, как молекулярное сито, задерживать одни вещества, не воздействуя на другие.
Этот подход широко используется в промышленности и современных отраслях сельского хозяйства, в частности, в очистке биогаза от сероводорода. H2S эффективно задерживается в адсорбере, в то время как ценный продукт – метан – свободно минует фильтр, поступая на энергетическую утилизацию или дальнейшую обработку.
Каталитическая и физическая угольная сорбция
Говоря о захвате примесей в фильтрующих субстратах из древесного, каменного, кокосового, бамбукового или иного угля, следует отметить, что улавливание компонентов может проходить как по адсорбционному (физиосорбционному), так и по каталитическому (химическому) пути. Разъясним отличия в таблице.
Таблица 2: фундаментальные различия в физиосорбционном и каталитическом захвате поллютантов на поверхности углевых наполнителей
Тип сорбирования | Особенности и комментарии |
Адсорбция / Физический захват | Большинство крупных органических молекул не вступают во взаимодействие с углем. Задержание происходит на физическом принципе – молекулярные конгломераты «застревают» в порах соответствующих размеров. Температурный режим водо-, воздуха или газоочистки не меняется. Регенеративные мероприятия – как правило, механические или термические: продувка горячим паром, термопрокаливание |
Катализ | Некоторые вещества, обладающие высокой химической активностью – например, фтор, хлор, хлорамин, бром, и другие галогены и галогениды – захватываются угольными фильтрами на химическом / каталитическом базисе, то есть, при контакте этих сред происходит образование новых химических связей, что всегда, в той или иной степени, сопряжено с изменением температуры субстрата и – зачастую – всей конструкции фильтра. Химические связи обычно крепче, чем физические, поэтому мероприятия по реактивации фильтрующих субстратов нередко подразумевают использование других химических веществ, которые, обладая более сильной, чем уголь, активностью, способны «отрывать» молекулы примесей с поверхности адсорбента. Для усиления каталитической активности наполнителей, последние часто дополнительно «усиливаются» металлическими включениями – алюминием, марганцем, кальцием, литием, магнием и другими активными металлами, их оксидами, сплавами |
Стоит заметить, что в реальных условиях поверхностная сорбция, в той или иной мере, сочетает в себе как физические, так и каталитические черты – в разных пропорциях. Так, к примеру, с повышением температуры, сорбционные процессы – особенно на металлизированных углесорбентах – смещаются в сторону химического взаимодействия.
Типы и виды угольных фильтров в разрезе различных сфер бытового и промышленного применения
Углефильтры – в силу простоты эксплуатации, высокой емкости, ценовой доступности и безопасности – используются чуть менее чем во всех сферах быта и промышленности: от домашних аквариумов до газоочистных комплексов нефтехимических, химических и металлургических предприятий.
Бытовая и промышленная вытяжная вентиляция
Логически ясно и практически известно, что одной из наиболее востребованных сфер применимости карбоновых фильтров является вытяжная вентиляция – как бытовая, так и индустриальная / цеховая.
Способность активированного угля хорошо задерживать органические молекулы, пары, масла и жиры делает углеродные подложки для вытяжек электрических или газовых плит великолепным решением для уничтожения запахов сильнопахнущих веществ, возникающих при жарке, варке, тушении, запекании.
Вытяжной очистной модуль с включением углеволокна
Бытовые фильтры, как правило, являются одноразовыми и по достижении ощутимой напитки примесями утилизируются как отходы.
Что же до промышленной вентиляции и аспирации, то индустриальные производства в большинстве случаев оперируют соединениями куда более опасными (и пахучими!), чем жареная рыба или тушеные морепродукты, и сопутствующие выбросы множества технологических процессов являют собой исключительно токсичные, а иногда и взрывоопасные вещества.
Индустриальный адсорбционный модуль (может одинаково эффективно использовать в работе различные сорбенты)
Высокие сорбционные свойства угля (наряду со множеством доступных на рынке марок) привели к широкому индустриальному использованию актикарбоновых фильтраторов. Так, сегодня Carbo Activatus используется для эффективной вентиляции и аспирации цехов или производственных зон, где технологически выделяется сероуглерод, сероводород, окислы серы и оксиды азота, галогены, меркаптаны, летучие углеводороды (топливные пары) и множество других нежелательных и опасных включений.
Читайте подробнее о промышленных адсорберах.
Салонные фильтры для автомобилей
Углеволокно часто входит в состав фибры для салонных автомобильных фильтров. Надежно улавливающие исключительно опасные компоненты выхлопных газов, выбрасывающиеся участниками дорожного движения, такие решения позволяют обеспечивать чистоту и свежесть поступающего в салон воздуха.
Салонный фильтр для авто (в микрофибре видны черные прожилки и вкрапления – угольные волокна)
Что же до прямой очистки выхлопных газов, то все современные моторизированные средства имеют в выхлопном тракте каталитические нейтрализаторы – в просторечии катализаторы – которые, принципиально схожи с углефильтрами, но выполнены из более сложных, более эффективных и высокоактивных керамо-металлических сорбентов.
Респираторы, защитные маски и противогазы
Конечно же, актикарбон – один из основных фильтронаполнителей в противогазах, респираторах и лицевых защитных масках. Патроны (т.н. коробки) противогазов всегда содержат слой мелкой шихты активированного угля как биоочистную подсистему, которая, наряду с волокнистым противоаэрозольным материалом, обеспечивает чистоту вдыхаемого воздуха. В зависимости от класса защиты противогаза, толщина угольного слоя и тип материала может варьировать.
Строительный респиратор с карбоновым слоем
Используется древесно- и каменноугольный субстрат и в индивидуальных системах очистки воздуха для пожарных и спасателей, где он выполняет роль сорбента опасных дымовых газов и аэрозолей – SO2, NO2, HCl, бензпирена, фенола, фурана, диоксинов и других продуктов горения.
Респираторы, предназначенные для использования на вредных производствах, обычно не содержат чистого активированного угля – углеродное волокно распределено в общем составе поглощающей микрофибры. Впрочем, в зависимости от типа производства и уровня заботы производителя о персонале, конструкция респиратора может быть более сложной.
Пылесосы и холодильники
Среди производителей бытовой техники сегодня четко прослеживается тенденция к созданию все более экологичной продукции и имплементации в свои агрегаты различных систем очистки / самоочистки.
Так, многие современные холодильники ведущих мировых поставщиков подразумевают опциональное использование угольных блоков / модулей, которые могут быть предназначены для внутренней дезодорации воздуха в холодильной камере или для очистки воды – в моделях с водным / ледяным диспенсером.
Пылесосный деодоратор с углетканью
Встраивают углеродные волокна и в фильтры для пылесосов. Такие изготовители как Rowenta, Bosch, Makita, Electrolux комплектуют пылесосы предварительными или окончательными сменными HEPA-фильтрами, которые блокируют неприятные запахи внутри аппаратов и полностью удаляют специфический запах «уборки».
Гроубоксы, теплицы и оранжереи
Набирающие в последние годы популярность автономные гроубоксы – (англ. Grow Box – контейнер для выращивания растений) – обычно оснащаются не только системами освещения, подогрева, увлажнения и напитки микроатмосферы углекислым газом, но и продвинутыми воздушными фильтрами, одним из основных элементов которых является, по обыкновению, недорогой и эффективный активированный уголь.
Растения и почва, нередко удобряемая достаточно активными веществами, генерируют значительное количество газов и микроаэрозолей, подлежащих обязательному удалению. Поскольку конструкции гроубоксов, как правило, закрытые, то фильтрование воздуха также проходит в закрытом контуре, где высокую результативность демонстрируют модули с угольным наполнителем.
Фильтрующий блок для гроубокса
Такой же принцип лежит и в климатическом обустройстве теплиц, оранжерей, зимних садов, где использование недорогого и эффективного активированного углерода позволяет организовать тонкую очистку воздуха от органических или неорганических газопримесей.
Медицинские применения
Рассматривая свойства угля, стоит обязательно упомянуть их ценность для медицины и околомедицинской практики.
Угольные таблетки давно и успешно используются как энтеросорбенты, детоксиканты и средства от диарей различного генеза. Особенно показаны углепрепараты при очищении организма после отравлений наркотическими / химическими препаратами и алкоголем, но этим прикладное использование 6-го элемента периодической таблицы не ограничивается.
Простое, но незаменимое средство при отравлении
Активная углеволоконная фибра используется в наркозных аппаратах – для фильтрации воздуха, выдыхаемого Человеком, находящимся под общей анестезией; (это позволяет уберечь врача от ингаляции анестетика). Другое, эстетически малоприятное, но важное применение – угольные подложки в калоприемниках – для исключения выхода запаха из резервуара с твердыми отходами жизнедеятельности.
Тонкая очистка и дезинфекция воздуха требуется и в операционных, и в реанимационных боксах, где актикарбоновые фильтры неизменно играют роль одного из важнейших звеньев воздухоочистного тракта.
Интересный факт: британская компания «Shreddies» освоила выпуск немедицинского нижнего белья для людей, страдающих метеоризмом / флатуленцией. Дезодорация кишечных газов осуществляется за счет включения в ткань боксеров, хипсов, лосин, кальсон, пижам и джинсов специальных графитовых нитей.
Фильтрация воды и жидкостей
Другой обширной областью использование угольных фильтров является тонкое очищение воды и жидкостей от химических и органических загрязнителей, а также механическая нейтрализация биологически активных соединений, бактерий и микроорганизмов.
Принципиальная схема сорбционной очистки ливневого стока (на примере установки завода "НПК ТЕХВОДПОЛИМЕР")
Бассейны и аквариумы, очистные сооружения и скважины
Вода играет одну из ключевых ролей в жизни Человека и всего живого, и мы – прямо или опосредованно – имеем с ней дело ежедневно. Рассмотрим основные сферы быта и промышленности, где применение водных фильтров с активным углем наиболее оправданно технически и экономически.
-
Бытовые области: стационарная и мобильная / патронная фильтрация водопроводной воды от микробов и дезинфекционных агентов, особенно, – от биоцидов, фтористых и хлористых соединений;
- Использование в аквариумах, на рыбных фермах и в небольших рыбозаводческих прудах позволяет поддерживать здоровую среду обитания рыб, водорослей, улиток, рачков и других «полезных» представителей водной стихии;
-
Финишная подготовка воды на частных скважинах и очистных сооружениях участковых, поселковых и городских масштабов, (как правило тонкая углеочистка проводится после первичного обезжелезивания воды, поскольку, содержащая железные соединения вода очень быстро исчерпывает ресурс карбоновых фильтраторов);
- Обработка ливневой канализации – углесодержащие блокаторы позволяют эффективно задерживать загрязнители, попадающие в ливневку / стоки с проезжей части, (среди вредных компонент следует отметить нефтепродукты, топливные остатки, машинные масла и другие отходы автотранспорта);
-
Чистка бассейнов: в декоративных бассейнах фильтрация позволяет предупредить т.н. цветение чаши (зарастание поверхности водоема колониями микроорганизмов и водорослей), а в плавательных и дачных бассейнах угольный слой играет роль дезинфектора.
Самогоноварение, виноделие, пивоварение
Традиционно, в России увлекаются домашним самогоноварением, изготовлением спиртовых настоек, пива, вина, наливок.
Производство кустарного самогона, рома, виски, коньяка и другой крепкой алкогольной продукции сопряжено с повышенным содержанием в получаемом спирте опасных примесей – сивушных масел.
Удаление "сивухи" из самогона
Интересно: фактически, сивушные масла не имеют никакого отношения к традиционным маслянистым субстанциям и представляют собой комплексную смесь высших алифатических спиртов (изоамиловый, изобутиловый, изопропиловый), альдегидов, эфиров и других продуктов брожения, (всего около 40 наименований).
Представляя собой крупные органические молекулы, сивушные масла хорошо задерживаются в порах активированного угля, что сделало фильтры на его основе – наряду с мокрой абсорбцией на медной насадке Панченкова – рациональным решением для ректификации домашнего самогона и других спиртосодержащих напитков.
Промышленные воздушные угольные фильтры для дегазации, газоочистки и удаления запаха
Особое внимание – в плане очистки воздуха и газов – стоит уделить такому агрегату как промышленный угольный воздушный фильтр, поскольку надлежащая нейтрализация поллютантов в век развитой индустрии является одним из ведущих факторов в сохранении окружающей среды, здоровья людей и благополучия будущих поколений.
Как упоминалось ранее, сухая адсорбционная дегазация применяется в широчайшем спектре индустриальных техпроцессов: обессеривание, удаление азотистых соединений, ЛОС, аренов, кислых газов, цианидов, диоксинов, взрыво- и пожароопасных газовоздушных смесей.
Видеопрезентация обессеривающего адсорбера для очистки газовых выбросов
Причем, одинаково результативно проводится селективное удаление поллютантов как из газов, так и из воздуха. Абсолютная степень очистки делает адсорберы исключительно действенными уничтожителями любых производственных запахов, (а вместе с ними, разумеется, и загрязнителя, являющегося источником одора).
Особенности проектирования и создания адсорберных систем
Одно из исполнений адсорбционной установки ООО «ПЗГО». Система включает в себя 2 аппарата, работающих попеременно: пока первый функционирует в режиме сорбции, второй находится в резерве. После насыщения сорбента, газоочистка переводится на второй аппарат, в то время как в первом проводится процесс десорбции или перезагрузки истощенного угля. Вдобавок, система «из коробки» оснащена конденсационным обезвоживателем кожухотрубного типа (показан желтым цветом)
Для более наглядного представления отобразим в таблице 3 основные технические параметры промышленных угольных фильтров, разрабатываемых и изготавливаемых на нашем заводе.
Параметр | Значение и пояснение |
Эффективность | Результативность адсорбционных колонн или модулей очень высока, ≈ 99%. Единственное требование для выхода на номинальный КПД агрегата и повышения емкостного ресурса сорбента – предварительное обезвоживание газопотока до влажности 70% и ниже |
Объемы очищаемого газа или воздуха | От десятков единиц до сотен тысяч кубических метров среды в час (от небольших лабораторных моделей до многоступенчатых комплексов) |
Диапазон температур | Наши аппараты способны обрабатывать загрязненные потоки с температурой от +10 до +60 градусов Цельсия. Индивидуально мы изготавливаем конструкции, способные работать со средами до +400 °C. Футеровка рабочей камеры аппарата термокислотоупорным бетоном делает возможным процессинг газов с t до +600 °C |
Конструкционные материалы | Исходя из температурного режима работы, аппараты могут быть изготовлены из полипропилена сополимера (до +45 °C), углеродистых или нержавеющих сталей |
Наполнитель | В роли наполнителя может выступать, в зависимости от характера и температуры обрабатываемой среды, активированный уголь, силикагель, цеолит (и другие алюмосиликаты), а также синтетические полимерные адсорбенты, в том числе, с металлизированной матрицей |
Пневматическое сопротивление | ≈ 1000 Па (низкое сопротивление устройств практически не влияет на общее давление в газовоздушной инфраструктуре производственной зоны / участка) |
Углефильтрационный комплекс аварийной нейтрализации топливных паров не снижает эффективности даже будучи установленный на под открытым небом (сделано в ООО "ПЗГО")
Регенерация угольного сорбента
Одной из особенностей использования активного углерода является его постепенное насыщение захватываемыми веществами и, как следствие, потеря эффективности.
В большинстве бытовых приложений, где объем очистки невелик, стоимостью истощенного наполнителя можно пренебречь и заменить фильтр на новый, более того, сами производители почти никогда не предусматривают возможности регенерации угля своими руками в домашних условиях.
По-другому дело обстоит в промышленности – объемы сорбента могут исчисляться тоннами и десятками тонн в день. Разумеется, такие количества отработанного материала не утилизируются как отходы – производственники стремятся увеличить экономическую выгоду и уголь подвергается повторной активации.
Индустриальная регенерационная установка
Как правило, реактивационные процедуры подразумевают продувку субстрата горячим паром (под давлением или при нормальных условиях), продувку кислородом, инертными газами и / или термическое прокаливание.
Восстановление эффективности / десорбция адсорбата может проводиться как в рамках конструкции самого адсорбера, (чье техническое исполнение подразумевает возможность проведения регенерационных мероприятий), так и через сторонние компании, которые транспортируют субстрат на свои технологические линии, проводят десорбцию, а потом возвращают субстрат производителю.
Впрочем, в часто емкости угля хватает на достаточно длительный срок. Так, к примеру, адсорбционная очистка биогаза от сульфида водорода может эффективно проводиться в фильтре до нескольких месяцев без какого-либо вмешательства.
Итоговая классификация
Подводя итог, можно составить общую классификацию угольных фильтров по видам их конструкции и областей использования:
-
По назначению – бытовые, промышленные, сельскохозяйственные, хозяйственные / коммунальные;
- По обработке среды – жидкостные (погружные, проточные), воздушные, газовые, комбинированные;
-
По мобильности – стационарные, мобильные, индивидуальные (носимые);
- По физическому представлению активного слоя – ткани, пропитки, подложки, патроны, сменные гильзы, коробки, камеры с заполнением / засыпкой;
-
По форме / структуре рабочего вещества – нити, таблетки, гранулы, пеллеты, брикеты, крошка, пыль;
- По ориентации – колонные (башенные), горизонтально-модульные, комбинированные;
-
По подвижности наполнителя (только для промышленных) – неподвижный или подвижный / кипящий слой (модели с сухим кипящим слоем используются достаточно редко, поскольку к требованиям по емкости сорбента присовокупляются требования по его механической стойкости к истиранию).
Заказ, производство, доставка и ввод угольных промышленных фильтров в эксплуатацию в России и Евразии
По любым вопросам, касающимся индивидуальной разработки и изготовления угольных фильтров промышленного назначения, пожалуйста, контактируйте с нами удобным Вам способом или заполняйте Анкету Заказчика.
Быстро произведем, доставим и – по требованию Заказчика – осуществим профессиональный ввод оборудования в технологический цикл Вашего предприятия. Обучим рабочий штат. Полная комплектация для быстрого ввода в эксплуатацию. Гарантия производителя.
ООО «ПЗГО» – дышите легко!