Jak węgiel aktywny poprawia wyniki oczyszczania wody pitnej

W dzisiejszych systemach oczyszczania wody pitnej węgiel aktywowany wyróżnia się jako bardzo skuteczny środek usuwania zanieczyszczeń w wodzie. Dzięki przesiąkliwej strukturze i wysoce rozwiniętej powierzchni porowatej możliwe jest adsorbowanie szerokiego w zakresie zanieczyszczeń wpływających na czystość wody, co wykracza poza możliwości innych mediów filtracyjnych. Stosowanie wkładu węglowego jako części domowego filtra wodnego, w przenośnych urządzeniach do oczyszczania wody czy w zakładach uzdatniania wody na skalę miejską pozwala na usunięcie nieprzyjemnego smaku i zapachu oraz znacząco zmniejsza obecność innych szkodliwych substancji chemicznych w wodzie, bez usuwania niezbędnych składników mineralnych. W tym artykule szczegółowo omawiamy, w jaki sposób węgiel aktywowany poprawia ogólną jakość i bezpieczeństwo wody.

Unikalna struktura porowata i mechanizm adsorpcji

Tajemnicą możliwości węgla aktywowanego w filtracji lub oczyszczaniu substancji jest struktura powstająca podczas procesu aktywacji, składająca się z wielu drobnych otworów zwanych porami. Otworki te powstają wskutek zastosowania ciepła lub substancji chemicznych, co znacznie zwiększa jego wewnętrzną powierzchnię. Jeden gram węgla aktytowanego może mieć powierzchnię rzędu powierzchni boiska piłkarskiego. Węgiel aktytowany posiada porowatość od mikro do makroporów, które są skuteczne w zatrzymywaniu różnych zanieczyszczeń dzięki ogromnej powierzchni. W procesie adsorpcji, jakiej podlega węgiel aktytowany, cząsteczka wody wchodzi w kontakt z węglem i przenika na jego powierzchnię. Zanieczyszczenia, złożone związki i wiele substancji chemicznych zawartych w wodzie są pochłaniane lub przyciągane na powierzchnię węgla. Przywieranie do powierzchni węgla następuje dzięki siłom Van Der Waalsa działającym na odległość od 0,2 do 0,5 nm. Są to słabe siły odpowiedzialne za łączenie się zanieczyszczeń takich jak pestycydy, chlor czy lotne związki organiczne (VOCs) z węglem. Proces fizycznej adsorpcji nie zmienia chemicznie wody i nie wprowadza zanieczyszczeń, w przeciwieństwie do innych procesów chemicznych.

Usuwanie chloru i produktów ubocznych chlorowania

Usuwanie chloru i jego produktów ubocznych. Istnieje wiele organizacji, w tym uzdrowiska wodne, które dezynfekują wodę przy użyciu chloru. Ma to pewne zalety, jednak pojawiają się również wady. Woda zdezynfekowana chlorem ma związaną z tym woń oraz może posiadać nietypiczny smak. Chlor w reakcji z materią organiczną tworzy tzw. produkty uboczne dezynfekcji, które są niebezpieczne, zwłaszcza przy spożyciu. Obejmują one trihalometany i haloctyny. Są to zagrożenia dla zdrowia długoterminowe, z któryimi ludzie często je kojarzą. Pochłanianie swobodnego chloru i szkodliwych produktów ubocznych dezynfekcji zmniejsza ryzyko dla zdrowia. Zapobiega to również odczuwaniu nieprzyjemnych zapachów i smaków w jamie ustnej.

Typowym przykładem powyższego jest kran wodny zaprojektowany specjalnie dla gospodarstw domowych. Te filtry posiadają patrony chlorujące, które go wchłaniają i uzyskujemy w ten sposób wodę znacznie zdrowszą do picia.

Eliminacja zanieczyszczeń organicznych i pestycydów

Spośród wielu substancji, które mogą występować w wodzie pitnej, takich jak pestycydy, herbicydy, rozpuszczalniki czy nawet pozostałości leków, węgiel aktywny bez problemu usuwa je wszystkie. Najczęściej źródłami zanieczyszczenia są pozostałości pochodzące z rolnictwa, przemysłu oraz nieodpowiedzialnego usuwania odpadów. Ponieważ omawiane związki są organiczne, podczas filtracji przyciągane są i wiążą się z węglem aktywnym oraz jego porowatą powierzchnią. Na przykład filtry z węgla aktywnego stają się szczególnie skuteczne przy usuwaniu pestycydów z wód gruntowych, takich jak atrazyna czy glifosan. W innych regionach stosuje się więcej środków zapobiegających zanieczyszczeniom rolniczym, co powoduje, że węgiel aktywny jest bardziej rozpowszechniony w tych obszarach, ponieważ inne rejonu są gęściej zaludnione i ich źródła wody są szczególnie narażone.

Redukcja metali ciężkich

Chociaż głównie znany jest ze swojej zdolności do adsorpcji materiałów organicznych, zastosowanie węgla aktywowanego w usuwaniu niektórych ciężkich metali z wody pitnej, zwłaszcza po modyfikacji lub połączeniu z innymi materiałami, również jest istotne. Prosty węgiel aktywowany może adsorbować ołów, miedź, a nawet rtęć poprzez mechanizmy wymiany jonowej lub kompleksowania powierzchniowego, w których jony metali tworzą kompleksy z aktywnymi grupami funkcyjnymi na powierzchni węgla. Bardziej chemicznie zmodyfikowany węgiel aktywowany (na przykład węgiel aktywowany poddany działaniu związków chemicznych, takich jak siarka lub żelazo), który wykazał większą zdolność adsorpcji ciężkich metali, jest skuteczniejszy w ich usuwaniu. W przenośnych filtrach wody przeznaczonych do wody zanieczyszczonej ołowiem, węgiel aktywowany stosuje się w połączeniu z innymi materiałami (na przykład z żywicami jonowymi) w celu obniżenia stężenia ołowiu do dopuszczalnych granic wyznaczonych przez EPA.

Poprawa smaku i zapachu

Oprócz usuwania szkodliwych zanieczyszczeń, węgiel aktywny poprawia jakość sensoryczną wody pitnej, eliminując nieprzyjemny smak i zapach. Problemy takie jak geosmina i 2-metyloizobornol (MIB) powodują, że woda ma ziemisty i stęchły zapach, nawet w bardzo małych ilościach. Makro- i mezoporowata struktura węgla aktywnego adsorbuje i wiąże związki powodujące nieprzyjemny zapach, co skutkuje znacznie bardziej przyjemną w smaku wodą. Ta cecha stanowi atut zarówno dla dostawców wody miejskiej, jak i producentów domowych filtrów wodnych, ponieważ smak i zapach są głównymi czynnikami determinującymi akceptację wody z kranu. Tracą mniej wody na skutek odwołań i mniej polegają na butelkowanej wodzie w opakowaniach, unikając tym samym negatywnego wpływu na środowisko związanych z wodą butelkowaną.

Zgodność z innymi metodami oczyszczania

Węgiel aktywny poprawia skuteczność innych technologii stosowanych do oczyszczania wody. Często wykorzystuje się go w zakładach uzdatniania wody po procesach koagulacji, flokulacji i sedymentacji w celu usunięcia zanieczyszczeń organicznych i chloru przed dystrybucją wody. W systemach domowych z odwróconą osmozą (RO), filtry z węgla aktywnego stosuje się zarówno przed, jak i po membranach RO. Filtry wstępne usuwają chlor, który jest szkodliwy dla membran, oraz materię organiczną, natomiast filtry końcowe pozwalają usunąć pewne zanieczyszczenia, co poprawia smak wody uzyskanej w procesie RO. Systemy dezynfekcji UV są uzupełniane przez węgiel aktywny, ponieważ eliminuje on składniki organiczne, które chronią mikroorganizmy przed działaniem światła UV stosowanego do dezynfekcji. Taka wielofunkcyjność sprawia, że węgiel aktywny może zwiększać skuteczność wielostopniowych systemów oczyszczania wody.

Zastosowania w różnych systemach oczyszczania

Zastosowanie węgla aktywowanego w systemach filtracji wody pitnej jest liczne, a każdy kontekst wykorzystuje jego zalety w filtracji. W systemach filtracji miejskich, granulowany węgiel aktywowany poddawany jest ogrzewaniu i umieszczany w dużych filtrach, których głównym zadaniem jest usuwanie chloru oraz innych zanieczyszczeń organicznych w systemach GAC, przetwarzających miliony galonów dziennie. W systemach domowych, proszkowy węgiel aktywowany stosowany jest w filtrach do baterii, dzbankach oraz podzlewozmywakowych systemach filtracyjnych, niwelując wady GAC i oferując wygodną filtrację w miejscu użytkowania. Przenośne filtry węgla aktywowanego, takie jak butelki do wody, są wygodne w podróży i na aktywnościach na świeżym powietrzu. Usuwają zanieczyszczenia z wody, która jest niezdatna do picia. Dodatkowo, tabletki i saszetki z węglem aktytowanym to proste i wygodne formy filtracji w sytuacjach nadzwyczajnych, gdy nie ma dostępu do bezpiecznej wody pitnej.

Długoterminowa skuteczność i konserwacja

Aby węgiel aktywny mógł poprawić wyniki oczyszczania, konieczne jest odpowiednie utrzymanie. Pojemność adsorpcyjna zmniejsza się, gdy porowatość węgla nasycona jest zanieczyszczeniami. Wartość filtracji węglem aktywnym zależy od jakości wody, szybkości przepływu i stężenia zanieczyszczeń; filtry do baterii w gospodarstwach domowych wymienia się zazwyczaj co dwa do sześciu miesięcy, natomiast miejskie filtry GAC mogą działać przez wiele lat zanim zajdzie potrzeba ich regeneracji lub wymiany. Odpowiednie systemy GAC, bardziej opłacalne i przyjazne dla środowiska, wykorzystują ciężki węgiel, który jest ogrzewany do bardzo wysokich temperatur w celu uwolnienia zanieczyszczeń zatrzymanych w porach węgla. Regularna konserwacja zwiększa skuteczność filtrów węglowych, pozwalając uzyskać wodę o wysokiej jakości do picia.