Co je aktivní uhlí
Aktivní uhlí je vysoce porézní uhlík s mimořádně velkým vnitřním povrchem (ca 400-1500 m2/g) [1]. Je to je soubor grafitových destiček, jejichž vzájemná vzdálenost tvoří vnitřní povrch - póry: Rozeznáváme mikropóry (< 2 nm), kde se odehrává adsorpce převážně organických látek (lze je přirovnat k parkovištím, kde zaparkujeme=sorbujeme své automobily) a transportní póry (makropóry > 50 nm a mesopóry 2-50 nm; lze je přirovnat k dálnicím a silnicím, po kterých jezdí automobily k parkovištím) [2], které umožňují přístup organických molekul k aktivním centrům aktivního uhlí - mikropórům.

Četnost výskytu mikropórů a transportních pórů určuje vlastnosti aktivního uhlí a jeho vhodnost či nevhodnost pro úpravu pitných vod. Pro "správný" poměr mikropórů a transportních pórů je rozhodující materiál, ze kterého se aktivní uhlí vyrábí. Struktura aktivního uhlí vyrobeného z černého uhlí je jiná než struktura aktivního uhlí vyrobeného z jiných materiálů, např. z kokosových skořápek nebo dřeva.

Aktivní uhlí vyrobené z černého uhlí má většinou vhodný poměr mikropórů a transportních pórů, zatímco u aktivního uhlí vyrobeného z kokosových  skořápek výrazně převažují mikropóry, u aktivního uhlí vyrobeného z dřeva makropóry (obr. 1) [3].

Obr.1: Aktivní uhlí vyrobená z a) černého uhlí, b) kokosových skořápek, c) dřeva

 a) surovina: černé uhlí b) surovina: kokosové skořápky c) surovina: dřevo

Aktivní uhlí vyrobená z černého uhlí jsou mnohem vhodnější pro aplikace ve vodárenství než aktivní uhlí vyrobená z kokosových skořápek, která i při  vyšším jodovém čísle a celkovém povrchu mají nižší sorpční schopnost, což se obvykle projevuje nižší účinností a životností [4].
 

Faktory ovlivňující adsorpci
Všechny látky jsou do určité míry adsorbovatelné. Nejlépe adsorbovatelné látky jsou organické sloučeniny a anorganické látky s větší molekulovou hmotností (rtuť, jód).
Adsorbovatelnost látek obecně stoupá se vzrůstající molekulovou hmotností, polaritou molekul, počtem dvojných vazeb a funkčních skupin (obr. 2).

Obr.2: Adsorpční síly organických sloučenin
 

Typy aktivního uhlí
Podle tvaru a velikosti dělíme aktivní uhlí na prášková, granulovaná (zrněná), extrudovaná (válečková) a tkaninová. Pro kontinuální úpravu pitných a bazénových vod se převážně používají granulovaná (zrněná) aktivní uhlí, pro nárazové odstraňování organických polutantů prášková aktivní uhlí. Extrudovaná (válečková) a tkaninová aktivní uhlí se obvykle používají pro čištění plynné fáze.
 

Parametry aktivního uhlí
Parametry charakterizující aktivní uhlí jsou [5]:

- velikost částic (mesh size). Důležitá je garance distribuce velikosti částic aktivního uhlí (např. u typu Filtrasorb 100 výrobce Chemviron Carbon garantuje, že průměrná velikost částic je 1.6 mm, ne více než 15% je větších než 2.36 mm a ne více než 4% je menších než 0.60 mm). Distribuce velikosti částic je důležitá pro správný návrh provozních průtoků vzhledem k tlakové ztrátě a doby kontaktu upravované vody s aktivním uhlím a pracích rychlostí.

- koeficient stejnoměrnosti (uniformity coefficient) je indikátorem distribuce velikosti částic aktivního uhlí. Čím je hodnota menší, tím je rozdíl velikosti největších a nejmenších částic menší. Tento parametr má význam pro konverzi pískových filtrů, tj. náhradu filtračních písků aktivním uhlím.

- hustota (density). Rozeznáváme sypnou hmotnost (apparent density), což je max. hustota po vibračním setřesení, "bed density" (v případě pitné vody se nazývá "backwashed & drained density"), která se používá pro přepočet objemu a hmotnosti aktivního uhlí. Další typy hustot jsou "particle density", "bulk density", "real density". Rozdíl mezi běžně udávanou sypnou hmotností a hustotou "bed density" je ca 15% pro aktivní uhlí vyrobená z černého uhlí (obr. 3).

 Obr.3: Porovnání hustot �bed density� a �apparent density�

- celkový povrch (total surface area; BET) v m2/g. Větší část celkového povrchu se nachází v mikroporech, které jsou "odpovědné" za adsorpci. Tento parametr má význam hlavně v plynné fázi, pro úpravu vod má omezenou vypovídací hodnotu, protože nepopisuje obsah mikropórů a transportních pórů v aktivním uhlí. Transportní póry jsou odpovědné za "přísun" molekul polutantů k mikropórům, kde se odehrává adsorpce.

- jódové číslo (iodine #) částečně charakterizuje sorpční vlastnosti aktivního uhlí. Tento parametr indikuje celkovou porozitu, ale zcela nevypovídá o sorpčních vlastnostech aktivního uhlí ve vodárenství. Jako příklad uvádím Filtrasorb 400 (j.č. min 1050), které má nižší životnost pro chlorované uhlovodíky než Filtrasorb 200 (j.č. min 850). Oba typy jsou vyrobeny z černého uhlí (obr. 4).

 Obr.4: Porovnání aktivních uhlí Filtrasorb 200 a Filtrasorb 400 pro odstraňování chlorovaných uhlovodíků

- dechlorační půlhodnota (chlorine half lenght), která vyjadřuje účinnost a životnost aktivního uhlí při odstraňování silných oxidačních látek typu ozón, chlórdioxid nebo chlór. Princip odstraňování oxidačních látek (kombinace katalýzy rozkladu oxidačního činidla a reakce na povrchu aktivního uhlí) je odlišný od odstraňování (adsorpce) organických polutantů (např. snižování CHSK).

Čím nižší je dechlorační půlhodnota, tím je aktivní uhlí účinnější a má delší životnost pro odstraňování oxidačních látek typu ozón, chlórdioxid nebo chlór. Dechlorační půlhodnota je výška sloupce aktivního uhlí v cm, na kterém se sníží koncentrace chlóru ve vodě na 50% (z 5 ppm na 2.5 ppm při lineární rychlosti 36 m/h).

- otěr (abrasion) je indikátorem mechanické pevnosti granulovaného (zrněného) aktivního uhlí v kapalné fázi s ohledem na zmenšení průměru. K otěru dochází při plnění do filtrů, praní a reaktivaci.

- tvrdost (hardness) udává, kolik aktivního uhlí zůstane na příslušném sítě po analýze velikosti částic. Tento parametr je vhodný pro aplikace v plynné fázi, nikoli v kapalné, protože vyjadřuje mechanickou pevnost jednoho rozměru granule (zrna) aktivního uhlí a ne zmenšení průměru.

Parametry "otěr" a "tvrdost" nelze zaměňovat, protože v číselných hodnotách je velký rozdíl. Např. pro aktivní uhlí Filtrasorb 100 je garantovaný otěr >75, typický 85, zatímco tvrdost je 95.

- obsah popela (ash content) nemá ve vodárenství praktický význam. Tento parametr má význam pro speciální aplikace, např. čištění parních kondenzátů, kde je důležitá vodivost. V těchto případech se obsah popela snižuje promytím aktivního uhlí kyselinou nebo louhem (ve výrobním závodě nebo přímo u zákazníka).

- obsah vody při balení (moisture as packed). Tento parametr má obchodní význam, protože udává, kolik zákazník platí za vodu a kolik za aktivní uhlí.
 

Reaktivace
Po vyčerpání sorpčních vlastností je aktivní uhlí nutno vyměnit za nové nebo ho reaktivovat.  Reaktivací neboli přepracováním (obr. 5) rozumíme odběr aktivního uhlí v úpravně vody obvykle speciální autocisternou, transport do reaktivačního závodu, vlastní reaktivaci prováděnou zahříváním na různé teploty, doplnění úbytku aktivního uhlí při reaktivaci novým aktivním uhlím, transport zpět k zákazníkovi speciální autocisternou a naplnění do filtrů. Vlastní reaktivace zahrnuje 4 stupně: sušení; desorpci těkavých organických sloučenin při teplotách do 250 oC; pyrolýzu a karbonizaci netěkavých organických sloučenin při teplotách do 750 oC a aktivaci při ca 800 oC, tj vytvoření velkého vnitřního povrchu.

Sorpční vlastnosti reaktivovaného aktivního uhlí jsou prakticky stejné jako u nového aktivního uhlí [6]. Cena reaktivace, která je zpravidla výrazně levnější než u nového aktivního uhlí, zahrnuje výše uvedený postup (odebrání, transport, vlastní reaktivace, transport zpět, naplnění).

Obr.5: Reaktivace aktivního uhlí
 

Návrh aktivního uhlí (AU)
Důležitými parametry jsou kontaktní doba a lineární rychlost proudění upravovaného media [3]. Tyto parametry charakterizují rovnice (1) a (2).

(1) Kontaktní doba [min] = Objem AU [m3]  * 60 / průtok [m3/h]

(2) Lineární rychlost [m/h] = průtok [m3/h] / průřez [m2]

Z rovnice (1) lze při známém průtoku a odhadu vhodné kontaktní doby spočítat objem aktivního uhlí. V tabulce 1 jsou uvedeny přibližné kontaktní časy a doba životnosti aktivního uhlí. Tyto hodnoty zhruba platí pro aktivní uhlí řady Filtrasorb (výrobce Chemviron Carbon, aktivní uhlí vyrobená z černého uhlí).
 

 Tab.1: Kontaktní doby a životnost pro různé aplikace
 

Kontaktní doba [min] Životnost [roky]
Zlepšování organoleptických vlastností  06 - 12 2 - 4
Odstraňování pesticidů 10 - 15 1 - 3
Odstraňování humínových látek & trihalomethanů  15 - 30 1.5 - 3
Chlorované uhlovodíky 20 - 30 0.5 - 3
Dechlorace  04 - 08 1 - 2
Rozklad chloraminů - Centaur 04

 

Aktivní uhlí pro úpravu bazénových vod
Pro úpravu bazénových vod se používají granulovaná (zrněná) aktivní uhlí běžně používaná ve vodárenství, a to zejména pro zlepšování organoleptických vlastností a snižování koncentrace organických látek.

Pro snižování koncentrace chlóraminů se používají speciální neimpregnovaná katalytická aktivní uhlí. Např. Centaur CDC, které katalyzuje rozklad chlóraminů dle rovnice [7]:

3 NH2Cl                         2 HCl + N2 + NH4Cl

Chlóraminy v bazénových vodách vznikají jako vedlejší produkty dezinfekce chlórem oxidací organických látek. Způsobují zdravotní problémy � dráždí oči a dýchací trakt a nepříjemně zapáchají. Jsou korozivní, což má dopad na korozi zařízení bazénů včetně ventilace.
 

Literatura:
[1] K. Ciahotný: Vlastnosti, výroba a použití uhlíkatých sorbentů, VŠCHT, Praha, 1995.
[2] A. Capelle, F. de Vooys: Activated carbon � a fascinating material. Norit N.V., Amersfoort, 1983.
[3] Granular Activated Carbon for Drinking Water Treatment. Chemviron Carbon
[4] B. Pinker, W.D. Henderson: The Influence of Raw Material on the performace of Qranular Activated Carbon Used for the Treatment of Potable Water, Proceedings of Journees Informations Eaux, Portiers, France, September 18-20, 1996.
[5] Characterisation of Activated Carbon. Chemviron Carbon
[6] B. Pinker, W.D.: Význam reaktivace granulovaného aktivního uhlí používaného pro úpravu pitné vody. Vodní hospodářství 47 (5), 166-168, 1997.
[7] J. Gyselinck, R. Senten: Combined chloramine control in covered circulation pools by Centaur CDC a catalytic activated carbon. KVIV swimming pool conference, Antwerp, 1998.
[8] Jaroslav Kopecký: Aktivní uhlí - technologie pro úpravu pitných a bazénových vod. Vodní hospodářství (7), 185-187, 2003.