DE2411828A1 - Verfahren zum adsorbieren von in einer waessrigen fluessigkeit enthaltenen fremdstoffen an koerniger aktivkohle - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.- Ing. W. Scherrmann Dr-ffig. R. kugef

7300 Esslingen (Neckar), Fabrikstraße 24, Postfach 348 12. März 1974

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353619

Telegramme Patentschutz Esslingenneckar

1. KUREIIA KAGAKU KOGYO KABUSHIKI KAISITA, 1-8, Horldome-cho Nihonbashi, Chuo-ku, Tokyo, Japan

2. TOYO BOSEKI KABU31IIKI KAISIIÄ, No. 8, Dojima Hamadori, 2-chome, Kita-ku,Osaka, Japan

Verfahren zum Adsorbieren von in einer wässrigen Flüssigkeit enthaltenen Fremdstoffen an körniger Aktivkohle

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Adsorbieren von in einer wässrigen Flüssigkeit enthaltenen Premdstoffen an körniger Aktivkohle in einem von der Flüssigkeit, von unten nach oben durchströmten Fließbett.

Es sind Verfahren zur Adsorbtion in flüssiger Phase bekannt, bei denen körnige Aktivkohle eine Feststoffpackung bildet, die von der zu reinigenden Flüssigkeit von unten nach oben durchströmt wird. Die Aktivkohlekörner bilden dabei entweder ein Festbett, ein aufgelockertes Bett oder ein Fließbett. Im Fall, daß die Aktivkohle in Form eines Festbettes vorliegt/ ergibt sich beim Durchströmen der Flüssigkeit ein merklicher Druckverlust. Um diesen Druckverlust in einem annehmbaren Rahmen zu halten, muß Aktivkohle einer relativ großen Korngröße verwendet werden. Nachteilig ist aber dabei," daß die adsorbierende Oberfläche und damit die Wirksamkeit der Adsorbtion abnimmt. Im Falle eines Fließbettes kann dagegen Aktivkohle mit kleiner Korngröße verwendet werden, da der Druckverlust beim

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Durchströmen eines Fließbettes erheblich geringer ist. Im Fließbett werden andererseits die Aktivkohlekörner durcheinander gewirbelt, wobei sich ebenfalls die Wirksamkeit der Adsorbtion verschlechtert. Um diese Nachteile zu umgehen, ist ein mehrstufiges Fließbettverfahren vorgeschlagen worden, das aber eine komplizierte und teure Einrichtung erforderlich macht, die außerdem noch schwierig zu bedienen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der bekannten Nachteile ein sehr einfaches und wirksames Verfahren zur Adsorbtion in einem Fließbett zu schaffen.

Diese Juifgäbe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Fließbett,, das aus Aktivkohlekörnern besteht, deren Durchmesser in einem Bereich zwischen 200 und 1500 um liegen, wobei zwischen dem größten und dem kleinsten jeweils vorkommenden Durchmesser ein Unterschied von mindestens 300 um vorhanden ist, und deren Größenverteilung so ist, daß in jeder von drei gleich großen nach dem Durchmesser aufgeteilten Fraktionen 20 bis 40 Gewichtsprozent der Aktivkohle enthalten sind, von der Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeit von. 10 bis 40 m/h durchströmt wird.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Entfernen von Verschmutzungen aus industriellen oder kommunalen Abwässern oder aus aufzubereitendem Trinkwasser.

Als besonders wirksam hat sich ein erfindungsgemäßes Verfahren herausgestellt, bei dem ein Fließbett aus kugelförmigen Aktivkohlekörnern verwendet wird.

Die Vorteile der Erfindung ergeben sich vor allem aus dem entlang des durchströmten Fließbetts in Strömungsrichtung

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gebildeten Korngrößengradienten der Aktivkohlekörner. Sie liegen insbesondere darin, daß eine wirksame Adsorbtion erreicht wird, ohne daß in einer Adsorbtionssäule Trennmittel wie beispielsweise Lochplatten vorgesehen werden müssen, um ein Durcheinanderwirbeln der Kornfraktionen zu verhindern.

Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Massensuminenfunktion der in einem Beispiel 1 verwendeten Aktivkohle als Funktion der Korngröße, wobei in jeder von drei gleich großen Korngrößenfraktibnen I, II und III 20 bis 40 Gewichtsprozent Aktivkohlekörner enthalten sind und

Fig. 2 der gleiche funktionelle Zusammenhang wie in Fig. 1, wobei in jeder von drei gleich großen Korngrößenfraktionen I¹, II¹ und III' je 20 bis 40 Gewichtsprozent Aktivkohlekörner enthalten sind.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit dem eine wirksame Adsorbtion in einem Aktivkohle-Fließbett erreicht werden soll. Insbesondere soll diese wirksame Adsorbtion beim Durchströmen einer wässrigen Flüssigkeit mit einer passenden Strömungsgeschwindigkeit von unten nach oben durch ein Fließbett erreicht werden, das kornförmige Aktivkohle enthält, deren Kornverteilung derart ist, daß sich ein Korngrößengradient längs des durchströmten Fließbetts ergibt.

Es sind Verfahren zur Adsorbtion in flüssiger Phase an kornförmiger Aktivkohle bekannt, bei denen die Aktivkohle-

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körner ein Festbett, ein aufgelockertes Bett (Japanische Patentveröffentlichung IJr. 39-25623/1964 o.a.) bzw. ein Fließbett (Journal WPCF 42(1)33/70) bilden, durch die jeweils die zu behandelnde Flüssigkeit in Aufwärtsrichtung strömt und dabei in den letzten beiden Fällen die Aktivkohlekörner auflockert bzw. fluidisiert. Bei jedem der genannten Verfahren ist es wünschenswert, die Aktivkohle wirkungsvoll einzusetzen, so daß die pro Gewichtseinheit Aktivkohle adsorbierte Menge Adsorbat möglichst groß ist, bzw. bei gleicher Menge Aktivkohle eine möglichst lange Lebensdauer erreicht wird.

Ein Festbett, in dem die dicht gepackten Aktivkohleartikel von einer Seite her durchströmt werden und von der Anströnseite her eine fortschreitende Adsorbtion stattfindet, entspricht einer "unendlich oft übereinander gelegten" Schicht Aktivkohle und ermöglicht ein nützliches Adsorbtions· verfahren. Es ist auch schon ein Verfahren zur Adsorbtion in einem bewegten Bett vorgeschlagen worden, bei dem innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls ein Teil der Aktivkohle, die eine ausreichende Menge Adsorbat aufgenommen hat, an der Einströmseite entfernt und durch' eine entsprechende Menge neuer Aktivkohle an der Abströmseite ergänzt wird. Auch bei diesem Verfahren wirkt die Aktivkohle als eine "unendlich oft übereinander gelegte" Schicht und ergibt eine gute Adsorbtionswirkung. Die Packung in dem Aktivkohlebett hat allerdings einen größeren Druckverlust zur Folge. Der Druckverlust wird noch verstärkt durch Verstopfungen in der Aktivkohlepackung, die von in der strömenden Flüssigkeit suspendierten Substanzen herrühren. Aus diesem Grund ist ein häufigeres Auswaschen des Festbettes mit umgekehrter Flüssigkeitsströmung erforderlich. Um den Druckverlust auf ein erträgliches Maß zu beschränken, ist es bislang nötig gewesen, Aktivkohlepartikel mit einer ziemlich großen Korngröße, in der

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Größenordnung von 1000 pm oder mehr im Durchmesser, einzusetzen. In der Adsorbtion in flüssiger Phase an Aktivkohle hängt die adsorbierte Menge stark von der Korngröße ab. Sie ist umgekehrt proportional zur 1,5-bis 2-fachen Potenz der Korngröße. Bei Verwendung von Aktivkohle großer Korngröße nimmt also die adsorbierte Menge stark ab. Demzufolge nimmt die Adsorbtionszeit zu und der Wirkungsgrad ab, was entsprechende Nachteile zur Folge hat« Diese Nachteile lassen sich bis zu einem bestimmten Grad vermeiden, wenn die Tiefe der Aktivkohleschicht vergrößert wird. Dabei wird allerdings die erforderliche Menge Aktivkohle auch vergrößert, was größere und damit sperrigere Einrichtungen zur Folge hat. Außerdem erhöht sich dabei auch wieder der Druckverlust.

Das Fließbettverfahren dagegen ergibt eine bessere Lösung der obengenannten Schwierigkeiten. Beim Fließbettverfahren erfolgt die Adsorbtion beim Durchströmen der zu behandelnden Flüssigkeit in Aufwärtsrichtung durch ein mit Aktivkohlepartikeln gefülltes Bett, das durch die Strömung fluidisiert wird. Da einerseits in dem Aktivkohlebett praktisch keinerlei Verstopfung vorkommt und andererseits der Druckverlust in dem Fließbett sehr gering ist, können mit Erfolg Aktivkohlepartikei relativ kleiner Korngröße verwendet werden. Dadurch wird die Wirksamkeit der Adsorbtion vergrößert und die Adsorbtionszeit verkürzt. Demzufolge kann mit einer kleineren Menge Aktivkohle wirksam adsorbiert v/erden. Da aber die Aktivkohlepartikei keine feste Lage einnehmen, sondern die gesamte Menge Aktivkohle in dem Fließbett durcheinander gewirbelt wird, vermindert sich die Wirksamkeit der Adsorbtion. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist vorgeschlagen worden, ein mehrstufiges Fließbett zu verwenden, das durch in Strömungsrichtung hintereinander liegende Lochplatten unterteilt ist.

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Dabei ergibt sich aber eine aufwendige und teure Einrichtung. Außerdem ist diese Einrichtung schwierig zu bedienen.

In Anbetracht der vorgenannten Schwierigkeiten, hat die Erfindung ein einfaches und sehr v/irksames Fließbett-Adsorbtionsverfahren ergeben, das die Nachteile der Adsorbtion am bewegten Festbett vermeidet und den größten Teil der Vorteile des reinen Fließbettverfahrens aufweist. Es ergibt insbesondere eine sehr v/irksame Adsorbtion beim Durchströmen einer wässrigen Flüssigkeit in Aufwärtsrichtung und mit geeigneter Fließgeschwindigkeit durch ein Aktivkohlebett, dessen Partikeln eine geeignet gewählte Korngrößenverteilung aufweisen. Nach der Erfindung sind die Aktivkohlepartikeln in von dem Boden des Fließbetts in Richtung auf sein oberes Ende abnehmender Korngröße unter Bildung eines Korngrößengradienten geordnet. Es hat sich herausgestellt, daß damit eine sehr v/irksame /\dsorbtion zu erreichen ist, ohne daß irgendwelche Lochplatten verwendet werden müssen, da die gesamte Aktivkohlemenge dabei nicht unregelmäßig durcheinandergewirbelt wird. Um die geschilderte erfindungsgemäße Wirkung zu erhalten, sollte das Verfahren die folgenden Bedingungen erfüllen.

Es ist Aktivkohle mit einer in einem Bereich zwischen 200 und 1500 pm liegenden Korngrößenverteilung zu verwenden. Zwischen der größten und der kleinsten jeweils verwendeten Korngröße muß mindestens ein Durchmesserunterschied von 300 pm bestehen. Die Korngrößenverteilung muß so sein, daß in jeder von drei gleich großen, nach der Korngröße unterteilten Fraktionen je 20 bis 40 Gewichtsprozent der Gesamtmenge Aktivkohle enthalten sind. Wenn die Partikeln eine kleinere Korngröße als 200 um im Durchmesser auf v/eisen, besteht die Gefahr, daß sie mit der strömenden Flüssigkeit mitgerissen werden. Wenn die Partikeln eine größere Korngröße

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als 1500 pm im Durchmesser aufweisen, werden sie erst bei einer sehr großen Fließgeschwindigkeit fluidisiert. Bei einer solchen Fließgeschwindigkeit ist in den meisten Fällen eine wirksame Adsorbtion nicht möglich. Wenn der Korngrößenbereich der verwendeten Aktivkohlepartikeln schmäler gewählt wird, wird die Ausbildung eines geeigneten Korngrößangradienten beim Fluidisieren schwierig. Die Aktivkohlepartikeln können eine beliebige Form, beispielsweise kugelig, abgerundet, zylinder- oder bruchstückartig aufweisen. Allerdings ist Aktivkohle in Kugelform besonders geeignet, die beispielsweise nach einem aus der DT-PS 220 274 bekannten Verfahren hergestellt ist.

Die Wirksamkeit des erfindungsgeraäßen Verfahrens kommt besonders zur Geltung, wenn eine wässrige Flüssigkeit mit einer relativ hohen Geschwindigkeit ein Aktivkohlebett durchströmt. Als bevorzugt haben sich Geschwindigkeiten in einem Bereich von 10 bis 40 m/h, als Oberflächen-Geschwindigkeit gemessen, herausgestellt. Bei einer niedrigeren Geschwindigkeit als 10 m/h werden die Äktivkohlepartikeln, auch bei Verwendung einer relativ gleichmäßigen Korngröße in einem Korngrößenbereich von 300 pm Unterschied zwischen dem größten und dem kleinsten Durch-'messer, wenig durcheinandergewirbelt und somit eine gute Adsorbtion erreicht. Allerdings ist es dabei schwierig, da das Fließbett eine beachtliche Flächenausdehnung aufweist, das Verfahren praktisch wirtschaftlich durchzuführen. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von über 40 m/ii besteht dagegen die Gefahr, daß Aktivkohlepartikelnrelativ kleiner Korngröße mit der Flüssigkeit fortgerissen werden, während solche relativ hoher Korngröße nur eine verminderte Adsorbtionswirkung ergeben und somit die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens schwer zu erreichen ist.

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Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet, in einer wässrigen, d.h. überwiegend aus Wasser bestehenden, Flüssigkeit enthaltene Fremdstoffe durch Adsorbtion an Aktivkohle zu binden. Sehr wirksam können nach diesem Verfahren u.a. industrielle und kommunale Abwässer geklärt und ebenso Wasser zu Trinkwasser aufbereitet werden. Das Verfahren ist auch für viele andere Verwendungszwecke geeignet, beispielsweise für die Wiedergewinnung von wertvollen Stoffen, wie beispielsweise Phenol, Essigsäure, Metalle usw, aus Wasser.

Zwei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung werden nun mit Hilfe von Kornanalysen erläutert.

Beispiel 1

15 kg kugeliger Aktivkohle mit einem mittleren Durchmesser von 440 um (vgl. Fig. 1) und einem Korngrößenbereich von 250 bis 590 um Durchmesser wird in eine Säule mit 250 mm Durchmesser eingefüllt und Wasser mit einer Temperatur von 15° Celsius mit einer Oberflächen-Geschwindigkeit von 19 m/h durch das gebildete Aktivkohlebett gefördert, wobei dieses fluidisiert wird. Es werden Proben Aktivkohle in der Mitte von fünf gleichen entlang der Strömungsrichtung gebxldeten Abschnitten aus dem Fließbett entnommen. Die Bestimmung der jeweiligen mittleren Korngröße in den entnommenen Proben ergibt das in Tab. 1 dargestellte Ergebnis.

Tab. 1

Probenabschnitt 12 3 4 5

Mittlere Korngröße 265 340 430 520 575 pm

(Abschnitt 1 ist der oberste, Abschnitt 5 der unterste Abschnitt der Säule)

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Aus dieser Tabelle ergibt sich deutlich, daß sich von dem oberen Ende des Fließbetts in Richtung auf dessen Boden ein Korngrößengradient ausgebildet hat.

Abwasser einer petrocheraischen Fabrik mit einem chemischen Sauerstoffbedarf (COD) von 120 ppm wird in Aufwärtsrichtung durch das obengenannte Aktivkohlebett gefördert. Der an der Abströmseite des Fließbetts gemessene chemische Sauerstoffbedarf beträgt zu Beginn der Durchströmung 3 ppm. Es dauert 34 Stunden, bis der chemische Sauerstoffbedarf an der Abflußseite einen Wert von 50 ppm erreicht hat. Zum Vergleich wird das Abwasser unter denselben Bedingungen durch ein Aktivkohlebett mit einem mittleren Durchmesser von 450 pm und einem Korngroßenbereich von 420 bis 500 po Durchmesser geschickt. Direkt nach Beginn der Durchströmung wird an der Abflußseite des Fließbettes ein chemischer Sauerstoffbedarf von 2 8 ppm gemessen. Nach 15 Stunden erreicht er einen Wert von 50 ppm. Daraus ergibt sich, daß die Nutzdauer des Fließbettes mit dem Korngroßengradienten erheblich über der des normalen Fließbetts liegt.

Beispiel 2

500 g kugeliger Aktivkohle mit einen mittleren Durchmesser von 660 pra und einen Korngroßenbereich von 350 bis 1000 pm Durchmesser (vgl. Fig. 2) wird in eine Säule (70 von 30 mm Durchmesser eingefüllt und 500 g kugeliger Aktivkohle mit einem mittleren Durchmesser von 650 pm und einem I'vorngrcßenbereich von 590 bis 710 pm Durchmesser in eine Säule (B) von 80 mm Durchmesser. Methylenblau in einer Konzentration von 100 mg/1 enthaltendes.Wasser wird mit einer Oberflächen-Geschwindigkeit von 25 m/h jeweils durch die beiden Aktivkohlebetten geschickt. Die an dem Abströmende des Fließbetts jeweils gemessene Methylenblau-Konzentration des

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Wassers erreicht in der Säule (A) nach einer Zeitdauer von D Stunden einen Wort von 20 mg/1, während er diesen Wert in der Säule (B) bereits nach 5,5 Stunden erreicht.

- Patentansprüche -

— ι ι —.

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Claims (3)

— -η τ. -χ . ν, Tj. ,^ ίο*-. Patentansprüche

1.) Verfahren zum Adsorbieren von in einer wässrigen

sigkeit enthaltenen Fremdstoffen an körniger Aktivkohle in einem von der Flüssigkeit von unten nach oben. durchströmten Fließbett, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fließbett, das aus Aktivkohlekörnern besteht, deren Durchmesser in einem Bereich zwischen 200 und 1500 pm .liegen, wobei zwischen dem größten und den. kleinsten jeweils vorkommenden Durchmesser ein Unterschied von mindestens 300 pm vorhanden ist, und deren Größenverteilung so ist, daß in jeder von drei gleich großen nach dem Durchmesser aufgeteilten Fraktionen 20 bis 40 Gewichtsprozent dsr Aktivkohle enthalten sind, von der Flüssigkeit mit einer Oberflächen-Geschwindigkeit von 10 bis 40 m/h durchströmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das Festbett durchströmende Flüssigkeit industrielles oder kommunales Abwasser oder ein aufzubereitendes Trinkwasser ist.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fließbett aus kugelförmigen Aktivkohlekörnern verwendet wird.

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