Kemisk regenerering av granulerat aktivt kol är ett alternativ till termisk regenerering då den senare kräver transport och upphettning. Frågan är aktuell då kolfiltrering är ett beredningsteg som många vattenverk har och fler planerar för.
Av: Thor Wahlberg
Granulerat aktivt kol (GAC) har en bred tillämpning för till exempel avskiljning av naturligt organiskt material, mindre organiska molekyler som bekämpningsmedel, tungmetaller och lukt och smak. GAC blir mättad över tid och kräver någon form av regenerering för att återställa dess adsorbtiva kapacitet. Byte mot nytt kol är ett alternativ men är förenat med höga kostnader, transporter och påverkan på miljö genom tillverkning. Kemisk regenerering är ett alternativ till termisk regenerering då den senare kräver transport och upphettning. Det är få vattenverk med möjlighet till regenerering av GAC i en egen anläggning.
Frågan är aktuell då kolfiltrering är ett beredningsteg som många vattenverk har och fler planerar för. Kemisk regenerering görs på plats och i vissa tillämpningar utan att flytta GAC från filtren. Tidigare forskning om kemisk regenerering finns och är främst från 70‐talet och 80‐talet. Artikelförfattarna redogör för senare forskning och tillämpning med kemisk regenerering. All typ av regenerering av aktivt kol såsom termisk, kemisk, biologisk och vacuum innebär en risk för att kolets egenskaper förändras och att oönskade biprodukter skapas.
Definition av termer
När kolet är nytt måste det aktiveras för att förbättra den inre porstrukturen och ytan vilken då möjliggör adsorption av små molekyler. Det är två begrepp som är viktiga för att mäta hur väl en reaktivering av kol motsvarar den ursprungliga adsorptionsförmågan. De två mätetalen är desorptionseffektiviteten (DE) och regenereringseffektivitet (RE). DE är förhållandet mellan ett visst ämnes desorberande mängd, vid regenerering, i förhållande till den ursprungliga adsorptionskapaciteten, per gram kol. RE är förhållandet mellan det regenererade kolets adsorptions kapacitet i förhållande till det ursprungliga.
Översikt över regeringsmetoder för GAC
Den idag vanligaste metoden är termisk regenerering med heta (ca 800 oC) gaser. Först torkas kolet vid 105 oC för att sedan hettas upp. Vid upphettning försvinner 5–10% av den ursprungliga mängden kol. Metoden innebär höga kostnader för energi och utsläpp av CO2. En risk med termisk regenerering är att kolets egenskaper förstörs om ugnens temperatur blir för hög. Andra metoder är biologisk‐ eller vacuumregenerering. Den biologiska baseras på metabolismen hos mikroorganismer som bryter ned det adsorberade ämnena, oftast organiskt material. Mikroorganismerna producerar enzymer som diffunderar in i kolets mikroporer och möjliggör hydrolys. Denna resulterar i produkter som har lägre adsorptionsförmåga kan desorberas från kolytor och biofilm.
Effekten i termer av RE är låg. Kemisk regenerering, vilket denna artikel fokuserar på, innebär att ändra de adsorberade ämnenas egenskaper genom syra‐ eller basreaktioner eller redox reaktioner. Beroende på vilket ämne eller vilka ämnen som kolet har adsorberat används olika kemikalier eller kombinationer av. Det är svårt att få en komplett kemisk regenerering avseende ämnen, då RE blir 100 % eller mer utan att höja temperaturen till över 50 oC. Dessutom beror det förstås på vilka ämnen som skall desorberas och den eller de kemikalier som används. Vilka är då fördelarna med kemisk regenerering? Först en relativt enklare hantering genom att kolet kan ligga kvar under tillsats av kemikalie/kemikalier. Inga väg‐ eller sjötransporter av kolet behövs vilket avsevärt minskar ställtiden. Sedan kan i flera fall regenereringsvätskan återanvändas. Invändningar finns förstås och den främsta är hantering och eventuell återvinning av de kemikalier som används och kvittblivning av desorberade ämnen. Kol måste rensas genom främst backspolning för att avlägsna alla kemikalierester innan filtren kan tas i bruk igen. Ett surt eller basiskt backspolvatten kan neutraliseras och släppas till recipient.
En reaktion som har visat sig effektivt regenerera kol, utan att förstöra eller påverka dess egenskaper, är Fenton reaktion. Den innebär att fria radikaler bildas som effektivt oxiderar organiskt material. Nackdelen är att den kräver relativt stora mängder kemikalier som järnsalt, väteperoxid och syra. En ny teknik som använder elektrokemisk metod visar lovande resultat men förutsätter att ett kol med elektriskt ledande egenskaper används. De kol som vanligtvis används vid vattenverk har låg/ingen elektrisk ledande förmåga. Vilka är viktiga egenskaper hos regenereringsvätskorna?
De kan grupperas i två typer. Dels oorganiska, med eller utan oxiderande egenskaper, dels organiska lösningsmedel. Beroende på vilka ämnen som adsorberats av kolet så är det deras egenskaper som bestämmer val av regenereringsvätska såsom polär eller opolär egenskap, hydrofobicitet, löslighet, molekylvikt, pH, kokpunkt och toxicitet. För oorganiska finns flera studier av basers och syrors förmåga att erhålla ett högt RE. Det är då främst aromatiska kolföreningar som desorberas. Det är en förändring av pH som ändrar ytladdning hos det adsorberade ämnet och kemiska reaktioner mellan bas/syra och ämnet i fråga. I många studier har saltsyra (HCl) använts som rengenereringsvätska. Ett nyligen genomförd studie visade t.ex. att Diklofinac kunde desorberas till RE 100% med 20% HCl. En annan vanlig bas är natronlut (NaOH). Det finns exempel på desorption av NOM med NaOH lösning under 24 h. DE för detta var ca 14% vilket är lågt. Istället kan persulfat användas och då försök visar på RE mellan 68 % och 87 %. Persulfat är sulfatjoner som innehåller peroxidgrupper och i artikel hänvisas till försök med det peroxidmonosulfat.
Organiska regenereringsvätskor behöver god löslighet med avseende på de ämnen som skall desorberas och låg molekylvikt. Både metanol och etanol används. Metanol uppvisar höga RE och kan sköljas ur med vatten. Tyvärr kan den orsaka negativa hälsoeffekter pga bildande av formaldehyd och är inte lämplig i dricksvattensammanhang. Myrsyra och ättikssyra har i försök visat på höga RE för desorption av humussyror. Försök har också gjorts med blandningar av oorganiska och organiska och där t.ex. En blandning av NaOH och etanol för att regenerera kol mättat avseende bekämpningsmedlet metaldehyd (bekämpningsmedel mot sniglar och snäckor). Vilka är då mekanismerna vid kemisk regenerering? Ämnen som adsorberats till kolet kan desorberas, brytas ned och/eller få kemiskt ändrade egenskaper. Vatten är en mycket svag regenereringsvätska då de allra flesta ämnen har högre affinitet till kol jämfört med vatten.
Slutsatser
Både oorganiska och organiska lösningsmedel visar en bredd av regenererings‐ och desorptionseffektiviet i mättat kol. En kombination av lösningsmedel ger oftast större effekt. En aspekt som kvarstår är nedbrytning av de ämnen som avskiljs från kolet och hur de skall behandlas och deponeras. Fördelarna med kemisk regenerering jämfört med termisk är flera men kemisk är förenat med kostnader för de kemikalier som behöver användas. Efter ett antal regenereringar behöver kolet också deponeras oavsett vilken metod som använts. Trots flera goda resultat i labförsök saknas en så länge fullskaletester på vattenverk och då om regenerering skall ske kontinuerligt eller i en fast bädd.
Egna reflexioner
I stort sett är den enda regenereringsmetoden som tillämpas idag biologisk genom s.k. biologiskt aktiva kolfilter. Den har en dålig effektivitet mätt med relativt lågt RE. När nu kraven skärps från vattenproducenter så är termiskt regenerering det som ligger närmast tillhands. Nackdelarna är flera och här kan kemisk regenerering vara ett alternativ. Branschorganisationer och större vattenproducenter behöver skaffa sig mer kunskap genom till exempel pilot‐ eller halvskaleförsök.
Källa: Amanda Larsati, Geoffrey D. Fowler and Nigel J.D. Graham. Insights into chemical regeneration of activated carbon for water treatment. Journal of Environmental Chemical Engineering vol 9 (2021)
