NL1032645C2 - Op kool gebaseerde geactiveerde kool met langzaam afgevend fosfaat en werkwijze voor het filtreren van water. - Google Patents

Description

Titel: Op kool gebaseerde geactiveerde kool met langzaam afgevend fosfaat en werkwijze voor het filtreren van water

De uitvinding ligt op het gebied van het filtreren van water en meer in het bijzonder op het gebied van filtreren van drinkwater onder toepassing van geactiveerde kool.

5 Verwijdering van op geloste organische stoffen uit water is een belangrijk aspect bij de behandeling van drinkwater. Ruwweg kunnen deze organische verbindingen in twee categorieën opgedeeld worden, natuurlijk organisch materiaal (NOM) en organische microverontreinigingen.

Behalve humusstoffen (humuszuren en fulvine zuren) kan NOM 10 bestaan uit polysacchariden, eiwitten, amino suikers, enz. In het algemeen wordt de concentratie aan NOM bepaald door som-parameters zoals totaal organische koolstof (TOC), opgeloste organische koolstof (DOC), UV-absorptie en KMn04 oxideerbaarheid. Organische microverontreinigingen omvatten bijv. VOC (vluchtige organische verbindingen zoals trichloor 15 ethyleen), pesticide residuen (bijv. atrizine, isoproturon), phenolen en detergentia. Deze microverontreinigingen worden ofwel gemeten als individuele verbindingen of als een som-parameter, bijv. AOX (adsorbeerbare organische halogenen).

Gangbare behandelingsstappen voor de verwijdering van zowel 20 NOM en organische microverontreinigingen omvatten oxidatie technieken -in het bijzonder ozonbehandeling - en behandeling met korrelvormige actieve kool (GAC). De reactie van ozon resulteert in de partiele afbraak van opgeloste organische stoffen. Verder wordt ozon gebruikt vanwege zijn desinfecterende eigenschappen. GAC verwijdert organische verbindingen 25 door fysische adsorptie; tevens fungeert GAC als een drager van biomassa en als een mechanisch filtratiemiddel.

1032645 2

De gecombineerde toepassingen ozon GAC is in de loop van de jaren sterk gegroeid voor de behandeling van drinkwater.

Na een gebruik van in het algemeen 1 tot 4 jaar is de GAC uitgeput en wordt gevangen of geregenereerd. De huidige regeneratie berust op 5 thermische reactivering bij temperaturen boven 850 °C. Geadsorbeerde organische verbindingen worden gekraakt, gepyroliseerd en vergast, waarbij stoom gebruikt wordt als oxidatiemiddel. Roterende ovens of meer-haard ovens worden in het algemeen gebruikt. Teneinde de excessieve verliezen aan GAC gedurende reactivering te vermijden, dient de oorspronkelijke 10 GAC een goede mechanische sterkte te bezitten en dient deze thermisch resistent te zijn bij de reactiverings temperaturen.

De meest toegepaste basismaterialen voor de productie van de geactiveerde kool zijn hout, kokosnoot, turf en kool. Op beperkte schaal wordt GAC geproduceerd uit uitgangsmaterialen zoals olijfpitten, palm kern 15 schillen en pek. Afhankelijk van het gebruikte productie proces, zijn andere additieven zoals bindmiddelen nodig. Voor en/of na de activeringsstap worden de deeltjesgrootte en vorm geregeld door behandelingen zoals vermalen, zeven of extrusie.

Gedurende activering wordt de interne porositeit gevormd in het 20 koolhoudende basismateriaal. Gericht op de toepassing van GAC producten voor gebruik bij drinkwaterbehandeling, worden twee verschillende methoden gebruikt in specifieke ovens, zogenaamde stoom- en chemische activering: • Stoomactivering: stoom is gebruikt als oxidatiemiddel bij

25 temperaturen in het bereik van 800-1000 °C

• Chemische activering: gecontroleerde carbonisering in aanwezigheid van fosforzuur bij temperaturen in het bereik van 400-700 °C

De filters voor het behandelen van drinkwater worden gevuld met 30 de geactiveerde kool en na een adaptatie periode van een aantal weken 3 ontwikkelt zich een biomassa op de geactiveerde kool, welke helpt bij de zuivering van het water. Deze methode wordt op ruime schaal gebruikt en is bekend als BAC-filtratie. Voordelen van de aanwezigheid op het oppervlak van de korrelkool (GAC) omvatten de verwijdering van de biologisch 5 afbreekbare componenten in het water, hetgeen betekend dat er minder microbiële nagroei plaatsvindt in het distributie netwerk, hetgeen de noodzaak voor chemische desinfectering verminderd. Deze componenten omvatten oxidatie bijproducten, ammonia, geur- en smaakverbindingen en tot op zekere hoogte organische microverontreinigingen.

10 Allerlei typen actieve korrelkool (GAC) zijn voorgesteld voor toepassing in BAC filtratie. Belangrijke aspecten bij deze selectie van kolen zijn de capaciteit voor het adsorberen van niet-biologisch afbreekbare verontreinigingen en de mogelijkheid voor micro-organismen om op het oppervlak ervan te hechten.

15 Er bestaan verschillen tussen korrelkolen in termen van poriestructuur, d.w.z. adsorberende eigenschappen. Met betrekking tot biologische eigenschappen worden in het algemeen geen verschillen tussen de verschillende korrelkolen geobserveerd, maar onder moeilijke condities, bijv. koud water, laag fosforgehalte en korte contacttijd, kunnen verschillen 20 waargenomen worden.

Als uitgangspunt dient in het water de verhouding P : C tenminste 1 : 100 (op gewichtsbasis) te bedragen teneinde te voldoen aan de vereisten voor bacteriegroei. Derhalve is een bepaald minimaal fosforgehalte gunstig voor de ontwikkeling van biomassa gehecht op het oppervlak de korrelkool.

25 In het geval van een laag fosfaatgehalte van het te behandelen water, bijv. vanwege lage fosfaatniveaus in het onbehandelde water of verwijdering van fosfaat gedurende de flocculeringsstap stroomopwaarts van de korrelkool kan het voordelig zijn een fosfaatbevattende GAC te gebruiken, die langzaam fosfaat aan het water afgeeft.

4

Een voorbeeld van een kool die hoeveelheden fosforverbindingen bevat die langzaam uitgeloogd worden uit de kool zijn chemische geactiveerde, op hout gebaseerde GAC-typen. Nadelen van dit type product zijn de onmogelijkheid de geactiveerde kool na gebruik te regenereren en 5 nog belangrijker, het nogal steile uitloogprofiel van de fosforverbindingen.

In het begin worden grote hoeveelheden fosforverbindingen uitgeloogd, welke hoeveelheden snel met de tijd afnemen, resulterend in een tamelijk ongelijk fosforniveau in de kool in de loop van de tijd.

Het is een doel van de onderhavige uitvinding een geactiveerde 10 kool te verschaffen die geschikt toegepast kan worden voor BAC-fïltratie, welke geactiveerde kool een gebalanceerd eigenschappen profiel bezit, meer in het bijzonder met betrekking tot adsorptie en biologische kenmerken.

De uitvinding heeft betrekking op een op kool gebaseerde actieve kool die langzaam afgevend fosfaat bevat, welke kool een meso- en 15 macroporie structuur heeft gedefinieerd door een tannine adsorptie van 0,08 tot 0,12 mg/mg bij Ce van 1 mg/1, een molasse getal gelegen tussen 300 en 450 en een macro-porie volume in poriën tussen 0,5 en 30 pm of at least 0.18 cm3/g. Het product wordt hierna aangeduid als SYMBIO kool.

In een verdere voorkeursuitvoeringsvorm bedraagt de hoeveelheid 20 fosfaat, berekend als PO4, tussen 0,4 en 3 gewicht% van het gewicht van de geactiveerde kool. Verder heeft de geactiveerde kool bij voorkeur een oenocyanine ontkleuring tussen 25 en 32%.

De combinatie van eigenschappen van de geactiveerde kool, bij voorkeur in de vorm van geactiveerde korrelkool, maakt deze bijzonder 25 geschikt voor toepassing in BAC-filtratie processen, zowel bij filters gebaseerd op zwaartekracht (specifieke GAC-filters, omgebouwde snelle zwaartekracht zandfilters, langzame zandfilters) of drukfilters.

Een belangrijk voordeel van het onderhavige product, in vergelijking met de bekende op hout gebaseerde producten, is gelegen in de 30 mogelijkheid de GAC na gebruik te genereren.

5

De geactiveerde kool van onderhavige uitvinding kan op diverse manieren geproduceerd worden, onder toepassing van conventionele productieprocessen. Door de selectie van de uitgangskool wordt veel van de vereiste porieverdeling bepaald, aangezien het carboniseringsproces deze 5 verdeling niet significant verandert. Verder dient er een fosfor bron gedurende de productie toegevoegd te worden, bijv. zoals beschreven in US-A 4,032,476, waarvan de inhoud hierin opgenomen is bij wijze van referentie. Het uitgangsmateriaal kan iedere geschikte kool zijn, zoals bitumineuze of sub-bitumineuze kool. Het fosfaat wordt bij voorkeur 10 zorgvuldig gemengd met de ruwe kool voor de briquetteerstap. Indien voordeling kunnen ook mengsels van kolen toegepast worden.

De geactiveerde kool is gedefinieerd als een geactiveerde korrelkool. Dit betekent dat de gemiddelde deeltjesgrootte (op gewichtsbasis) ervan in hoofdzaak ligt tussen 0,25 en 4,0 mm.

15 De uitvinding is ook gericht op een werkwijze voor het filtreren van water onder toepassing van de hierin beschreven geactiveerde kool, evenals op de toepassing daarvan bij het filtreren van water. Figuur 1. toont een kenmerkende behande lings werkwijze.

20 Gebruikte methode:

Oenocvanine ontkleuring "Mesure du pouvoir decolorant des charbons Oenologiques", Office International de la Vigne et du Vin (OIV), zoals aangepast in NSTM 5.10, versie 4 (augustus 19, 2004).

25 Tannine adsorptie EPA goedgekeurde methode volgens NSTM 2.25, versie 2 (november 21, 2002).

Macro-porie volume

Macro-poriën met diameter 0.5 - 30 pm, bepaald met Mercury Intrusion 30 Analysis (ASTM D 4284-03).

6

Figuren 2 en 3 tonen de poriegrootte verdeling gebaseerd op kwik intrusie porosimetrie; de poriegrootte verdeling van de kool die onderwerp is van de onderhavige uitvinding blijft dezelfde na thermische behandeling bij 5 900 °C, in tegenstelling tot de porieverdeling van een chemisch geactiveerd op hout gebaseerde GAC. Het macroporie volume, zoals hierin gedefinieerd, van de geactiveerde kool volgens de uitvinding bedraagt 0.19 cm3/g.

Tabel 1 toont het gewichtverlies op basis van thermogravimetrische analyse van beide GAC typen.

10

Tabel 1: TGA gewichtsverlies SYMBIO ten opzichte van op hout gebaseerde chemisch geactiveerd GAC. i i

TGA gewichtsverlies 100 - 900 »C

__(massa-%)_ SYMBIO kool__4_ op hout gebaseerd kool 18_ 15 Figuur 4 toont isothermen van de SYMBIO kool volgens de onderhavige uitvinding in vergelijking met een conventionele koolgebaseerde korrelkooltype van hoge kwaliteit. De isothermen illustreren de krachtige adsorptie capaciteit voor tanninen (polyphenol type verbinding). Tabel 2 illustreert de hoge capaciteit van SYMBIO voor 20 kleurstoffen in molassen. Tegelijkertijd handhaaft de SYMBIO kool een hoge adsorptie capaciteit voor organische microverontreinigingen (tabel 3).

7 j

Tabel 2: Molasse getal SYMBIO ten opzichte van op kool gebaseerde GAC

__Molasse getal_ SYMBIO kool__400_ 1 GAC 1240 (Norit) 250 1 5 Tabel 3: Adsorptie gegevens van organische

microverontreinigingen; K-waarde (mg/g) bij 1 pg/l evenwichtsconcentratie (20 0Q

Verbinding SYMBIO GAC 1240 (Norit) 1,1,2,2-tetrachloroetaan__2JJ__£9_ 1.2.3- trichloropropaan__2JJ__2^2_ 1.2.4- trichlorobenzeen__56__£7_ n-propyl-benzeen__24__40_

Atrazin__32__40_ 10 Tabel 4 verschaft gegevens van de langzame afgifte van fosfaat uit SYMBIO kool.

Tabel 4: langzame afgifte van fosfaat uit GAC, gemeten middels versnelde kolomtesten (20 °C, gesimuleerde contacttijd 10 min.), gemiddeld 15 voor jaar 1 en jaar 2 van gesimuleerde werking.

Fosfaat afgifte aan water (ug/l)

Jaar 1____33_

Jaar 2___15_

Figuur 5 toont de continue verwijdering van biologisch afbreekbare organische verbindingen (aldehyden) door de GAC volgens onderhavige 20 uitvinding.

1 0 3 2 6 4 5

Claims (10)

1. Op kool gebaseerde actieve kool die langzaam afgevend fosfaat bevat, welke kool een meso- en macroporie structuur heeft, gedefinieerd 5 door tannine adsorptie van 0,08 tot 0,12 mg/mg bij Ce is 1 mg/1, een molasse getal van tussen 300 en 450 en een macroporie volume van tenminste 0,18 cm3/g.

2. Actieve kool volgens conclusie 1, waarin de hoeveelheid fosfaat, berekend als PO4, ligt tussen 0,4 en 3 gewichts% op basis van het gewicht 10 van de actieve kool.

3. Actieve kool volgens conclusie 2, met een oenocyanine ontkleuring tussen 25 en 32%.

4. Actieve kool volgens conclusie 1-3, waarin de kool thermisch geactiveerd is.

5. Actieve kool volgens conclusie 1-4, waarin de kool thermisch gereactiveerd kan worden na gebruik.

6. Actieve kool volgens conclusie 1.5, waarin de tannine adsorptie 0,08 tot 0,12 mg/mg is bij Ce is 1 mg/1.

7. Werkwijze voor het filtreren van water, bij voorkeur drinkwater, 20 onder toepassing van actieve kool met daarop aangebracht een biomassa, welke werkwijze omvat het filtreren van water door een bed van actieve kool zoals gedefinieerd in één der conclusies 1-6.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, waarin gedurende filtratie, een hoeveelheid van 1 tot 40 pg/l aan PO4 wordt uitgeloogd in het water 25 gedurende 12 maanden gebruik.

9. Werkwijze volgens conclusie 7 of 8, waarbij de kool thermisch gereactiveerd wordt na gebruik.

10. Toepassing van een fosfaatbevattende op kool gebaseerde actieve kool met een meso- en macroporie structuur gedefinieerd door een tannine 1032645 adsorptie van 0,08 tot 0,12 mg/mgbij Ce is 1 mg/1, een molasse getal gelegen tussen 300 en 450 en een macroporie volume van tenminste 0,18 cm3/g, in water filtratie, bij voorkeur drinkwater filtratie. i 1 03 2 6 4 5