ANALIZA PORÓWNAWCZA
USUWANIE PFAS

PRZEGLĄD USPRAWNIEŃ TECHNOLOGICZNYCH

do

do

do

0 x
WYŻSZA ZDOLNOŚĆ ADSORBCJI
0 x
WIĘKSZA OBJĘTOŚĆ PRZEFILTROWANEJ WODY
0 x
KRÓTSZY CZAS STYCZNOŚCI Z PUSTYM ZŁOŻEM

Od stycznia 2020 roku przeprowadzono szereg badań i filtracji pilotażowych w celu usunięcia różnych substancji per-i polifluoroalkilowych (PFAS) przy użyciu aktywnej filtracji plackowej (ACLF – Active Cake Layer Fitlration) opracowanej przez CERAFILTEC. Głównym celem badań było usunięcie łańcuchów C6-C8, w tym PFOS, PFOA, PFHxA oraz HFPO-DA (GenX), a także krótkich łańcuchów molekuł C3-C4, np. PFBA i PFBS. Badania potwierdzają bardzo wysoką skuteczność usuwania substancji PFAS oraz znaczne oszczędności w porównaniu do stosowania granulowanego węgla aktywnego (GAC), wymiany jonowej (IX) oraz procesu odwróconej osmozy (RO). Wyniki badań przedstawiono poniżej.

Proces aktywnej filtracji plackowej ACLF został opracowany przez członków zespołu CERAFILTEC na przestrzeni ostatniej dekady w celu selektywnego usuwania rozpuszczonych jonów. Duże stacje uzdatniania wody z przepływem ponad 400 000 m³/d używają z powodzeniem metody ACLF, na którą zdecydowały sie ze względu na znaczne obniżenie kosztów operacyjnych. Ten sam proces służy do usuwania molekuł PFAS a także rozpuszczonego węgla organicznego (DOC), lotnych związków organicznych (VOC), trihalogenometanów (THM), kwasów humusowych, pozostałości farmaceutyków, zapachu, smaku i koloru. Jedyną różnicą jest zastosowanie innego adsorbentu: sproszkowanego węgla aktywnego (PAC).

Węgiel aktywny jest efektywnym adsorbentem o uznanej skuteczności w usuwaniu substancji PFAS. Opracowany przez CERAFILTEC proces ACLF optymalizuje sposób wykorzystania adsorbentu: maksymalizuje powierzchnię właściwą i skraca ścieżki adsorbcji. Uzyskuje się to poprzez pokrywanie płaskich membran ceramicznych niezwykle cienką i nieskompresowaną warstwą sproszkowanego węgla aktywnego (PAC). Cała woda przechodzi przez tą powłokę. Proces ten możliwy jest wyłącznie przy użyciu ceramicznych membran płaskich.

Bardzo skuteczne i wydajne możliwości adsorpcyjne wynikają z dwóch faktów:

  • Im mniejsza wielkość cząsteczki, tym większa powierzchnia właściwa, tym lepsza zdolność adsorpcji – sproszkowany węgiel aktywny (PAC) jest około 25 razy mniejszy od cząstek granulowanego węgla aktywnego (GAC)
  • Im bliżej siebie znajdują się cząstki adsorbentu, tym cieńsza jest warstwa graniczna między cząstkami, tym krótsze są drogi zanieczyszczeń (adsorbatów) do adsorbentu – do 45 szybsza i najskuteczniejsza adsorpcja

W procesie ACLF CERAFILTEC po raz pierwszy obydwa warunki są doskonale połączone.

OBECNE STANDARDY PRZEMYSŁOWE WYKORZYSTUJĄCE WĘGIEL AKTYWNY

PROCES ACLF CERAFILTEC

ADSORBOWANA CZĄSTECZKA(-KI) PFAS

CZĄSTECZKA GRANULOWANEG WĘGLA AKTYWNEGO (GAC)

CZĄSTECZKA REAGLOMEROWANEGO WĘGLA AKTYWNEGO (R-GAC)

ZŁOŻE FILTRACYJNE ZE SPROSZKOWANEGO WĘGLA AKTYWNEGO (PAC)

PORY

TYPOWA WARSTWA NOŚNA

CERAMICZNA WARSTWA ULTRAFILTRACYJNA

OBECNE STANDARDY PRZEMYSŁOWE WYKORZYSTUJĄCE WĘGIEL AKTYWNY

ADSORBOWANA CZĄSTECZKA(-KI) PFAS

CZĄSTECZKA GRANULOWANEG WĘGLA AKTYWNEGO (GAC)

PORY

TYPOWA WARSTWA NOŚNA

ADSORBOWANA CZĄSTECZKA(-KI) PFAS

CZĄSTECZKA REAGLOMEROWANEGO WĘGLA AKTYWNEGO (R-GAC)

PORY

TYPOWA WARSTWA NOŚNA

PROCES ACLF CERAFILTEC

ADSORBOWANA CZĄSTECZKA(-KI) PFAS

ZŁOŻE FILTRACYJNE ZE SPROSZKOWANEGO WĘGLA AKTYWNEGO (PAC)

PORY

CERAMICZNA WARSTWA ULTRAFILTRACYJNA

GŁÓWNE ZALETY PROCESU ACLF

  • Zmaksymalizowana właściwa powierzchnia adsorbcyjna
  • Najwyższa wydajność adsorbcji
  • Bardzo małe zużycie węgla aktywnego – niskie koszty (OPEX)
  • Bardzo krótki czas styczności z pustym złożem (EBCT)
  • Zdolność do natychmiastowego dostosowania dozowania PAC do zmiany koncentracji substancji PFAS

Idealne wykorzystanie adsorbentu (węgla aktywnego) prowadzi do najniższego całkowitego kosztu posiadania oraz bezpiecznej i najbardziej przyjaznej dla środowiska eksploatacji.

GRANULOWANY
WĘGIEL AKTYWNY
WYMIANA
JONOWA
ODWRÓCONA
OSMOZA
CERAFILTEC
ACLF
Oszczędności kapitałowe (CAPEX)o--+
Oszczędności operacyjne (OPEX)o--+
Usuwanie długich łańcuchów PFAS++++
Usuwanie krótkich łańcuchów PFAS-o++
Adaptowalność do zmian stężenia PFAS--++
Utylizacja PFAS*+--+
GRANULOWANY WĘGIEL AKTYWNYWYMIANA JONOWAODWRÓCONA OSMOZACERAFILTEC ACLF
Oszczędności kapitałowe (CAPEX)o--+
Oszczędności operacyjne (OPEX)o--+
Usuwanie długich łańcuchów PFAS++++
Usuwanie krótkich łańcuchów PFAS-o++
Adaptowalność do zmian stężenia PFAS--++
Utylizacja PFAS*+--+

* Żywice jonowymienne muszą być regenerowane za pomocą substancji chemicznych – w rezultacie powstaje toksyczny ściek z substancjami PFAS.
Odwórcona osmoza (RO) wytwarza około 10-15% koncetratu (ścieku) ze skoncentrowanymi substancjami PFAS.

* Żywice jonowymienne muszą być regenerowane za pomocą substancji chemicznyc
– w rezultacie powstaje toksyczny ściek
z substancjami PFAS;
Odwórcona osmoza (RO) wytwarza około 10-15% koncetratu
ze skoncentrowanymi substancjami PFAS

UNIKALNE ZŁOŻE FILTRACYJNE PAC

Adsorbcja i ultrafilrtracja są połoączone w jednym, zaawansowanym procesie – ACLF. Płaska membrana ceramiczna działa jako warstwa nośna dla złoża filtracyjnego co pozwala na użycie sproszkowanego adsorbentu o bardzo małych cząstkach. Nawet najmniejsze cząsteczki sproszkowanego węgla aktywnego (PAC) są zatrzymywane przez membranę o wielkości porów 0,1 µm. Filtracja zanurzeniowa (podciśnieniowa) z zewnątrz do wewnątrz pozwala na utworzenie bardzo luźnego złoża sproszkowanego węgla aktywnego (PAC) bez kompresji cząstek na membranie – dzięki czemu nie następuje wzrost ciśnienia i możliwa jest praca z maksymalnym przepływem.

Uformowana warstwa złoża sproszkowanego węgla aktywnego (PAC) zapewnia idealne ścieżki którymi każda molekuła wody i zanieczyszczenia PFAS muszą podążyć. Takie złoże jest prawie idealnie równomiernie rozłożone i tworzy maksymalnie wiele różnych i bardzo wąskich ścieżek. Dzięki temu adsorbat/zanieczyszczenie ma bardzo krótką drogę do natychmiastowego rozprzestrzenienia się na powierzchni adsorbentu i migracji do jego porów.

WOLNA CZĄSTECZKA PFAS

ADSORBOWANA CZĄSTECZKA(-KI) PFAS

MEMBRANA
GRUBOŚĆ ~2.5 mm

ZŁOŻE FILTRACYJNE SPROSZKOWANEGO WĘGLA AKTYWNEGO
GRUBOŚĆ < 2 mm

KANAŁ WODY PRZEFILTROWANEJ ~2×2 mm

WARSTWA ULTRAFILTRACYJNA MEMBRANY;
WIELKOŚĆ PORÓW 0,1 µm
GRUBOŚĆ < 80 µm

STRONA CIŚNIENIA OTOCZENIA

STRONA PODCIŚNIENIA (SSANIA)

CZYSTA PRZEFILTROWANA WODA

SKAŻONA SUROWA WODA

ANALIZA PORÓWNAWCZA 1

Porównanie procesu ACLF CERAFILTEC, granulatu węgla aktywnego wytworzonego z kokosa (GAC) oraz reaglomerowanego granulatu węgla aktywnego na bazie węgla kamiennego (R-GAC), przy użyciu jednostopniowego zbiornika. Zastosowano wodę zasilającą o charakterystyce oraz zawartości mieszaniny różnych związów PFAS z 800 ng/l PFOS oraz 920 ng/l PFOA odpowiadającą dostępnym badaniom referencyjnym*.

Na ilustracji poniżej: Im dalej na prawo krzywa koncentracji PFAS przecina limit 70 ng/l USEPA (horyzontalna czerwona linia), tym lepsza wydajność technologii – m.in. wyższa skuteczność adsorpcji i niższe koszty operacyjne.

Proces ACLF CERAFILTEC okazał się znacznie bardziej wydajny niż filtracja przy użyciu obu rodzajów granulatu węgla aktywnego. Uzyskano odpowiednio 3,9 oraz 4,2 razy więcej przepfiltrowanej objętości w stosunku do objętości złoża przy usuwaniu PFOS oraz PFOA do limitu ustanowionego przez USEPA 70 ng/l, w porównaniu do najlepszych rezultatów osiągniętych przez reaglemorowany węgiel aktywny

KRZYWE PRZEŁAMANIA PFOS (C8) PRZY STĘŻENIU WEJŚCIOWYM 800 ng/l

KRZYWE PRZEŁAMANIA PFOA (C8) PRZY STĘŻENIU WEJŚCIOWYM 920 ng/l

ANALIZA PORÓWNAWCZA 2

Porównanie pomiędzy procesem ACLF CERAFILTEC, reaglemntowaneym węglem aktywnym z węgla kamiennego (GAC) i żywicą jonowymienną. Węgiel aktywny oraz żywica jonowymienna zarówno w pojedyńczym oraz podwójnym układzie (lead-lag) zbiorników, CERAFILTEC tylko jako pojedyńczy stopień procesu. Zastosowano wodę zasilającą o charakterystyce i zawartości substancji PFAS: 27400 ng/l PFOS i 11500 ng/l PFOA odpowiadającą dostępnym danym referencyjnym**.

Jednostopniowy proces CERAFILTEC osiągnął znacznie lepsze wyniki niż reaglemerowany GAC: ponad 5,3 i 2,9 razy więcej przefiltrowanej wody w stosunku do objętości złoża odpowiednio dla PFOS i PFOA do osiągnięcia limitu USEPA 70 ng/l. W porównaniu do żywicy jonowymiennej, proces ACLF zapewnił ~15% więcej przefiltrowanej wody w porównaniu do objętości złoża dla PFOS oraz ~55% więcej dla PFOA.

Dane referencyjne dla drugiego stopnia żywicy jonowymiennej (lag) dostępne są do 21000 objętości złoża dla PFOS. Do tej wartości proces ACLF uzyskał taką samą wydajność. Dla PFOA drugi stopień wymiany jonowej (lag) uzyskał 27% większą ilość przefiltrowanej wody w stosunku do objętości złoża. Należy wskazać, że dwustopniowy system żywic jonowymiennych (lead-lag) znacznie zwiększa niezbędne koszty kapitałowe i operacyjne w porównaniu do systemów jednostopniowych.

KRZYWE PRZEŁAMANIA PFOS (C8) PRZY STĘŻENIU WEJŚCIOWYM 27400 ng/l

KRZYWE PRZEŁAMANIA PFOA (C8) PRZY STĘŻENIU WEJŚCIOWYM 11500 ng/l

ANALIZA PORÓWNAWCZA 3

Porównanie pomiędzy procesem ACLF CERAFILTEC (jednosopniowym), reaglomerowanym węglem aktywnym wytworzonym z węgla kamiennego (jednostopniowym), i żywicą jonowymienną (zbironik lag w systemie dwustopniowym). Zastosowano wodę o charakterystyce oraz zawartości PFAS z łańcuchami C6 PFAS – PFHxA i GenX w celu porównania do dostępnych danych referencyjnych**.

Proces ACLF CERAFILTEC uzyskał większą ilość przefiltrowanej wody w stosunku do wielkości złoża – 4,2 razy więcej niż reaglomerowany węgiel aktywny oraz 1,8 razy więcej niż żywica jonowymienna dla krótkich łańcuchów PFHxA do limitu USEPA 70ng/l.

Trzeba podkreślić, że według dostępnej literatury, GenX jest ekstremalnie trudny do usunięcia z wody; brak jest dogłębnych badań jego usuwania za pomocą granulatu węgla aktywnego i żywic jonowymiennych. Pomimo bardzo dużego stężenia GenX w wodzie zasilającej: 7100 ng/l, nasz proces ACLF okazał się bardzo efektywnym w jego usuwaniu i przy tym ekonomicznym rozwiązaniem.

KRZYWE PRZEŁAMANIA PFHxA (C6) PRZY STĘŻENIU WEJŚCIOWYM 8000 ng/l ORAZ GenX (C6) PRZY STĘŻENIU WEJŚCIOWYM 7100 ng/l

ZAMKNIJ MENU