सक्रिय कार्बन की पुनर्सक्रियन प्रक्रिया के दौरान पीएफए ​​का क्षरण

सक्रिय कार्बन को पुन: सक्रिय करने का कारण

का उपयोगसक्रिय कार्बनपीएफए ​​को पानी से हटाने के लिए सक्रिय कार्बन के अधिक लगातार पुनर्सक्रियन की आवश्यकता होती है। 500 डिग्री और उससे अधिक के तापमान पर एक ऑक्सीजन - मुक्त वातावरण के तहत, PFOA और PFO जैसे विशिष्ट पदार्थों को सक्रिय कार्बन से पूरी तरह से हटा दिया जाता है और विघटित हो सकता है। यह "फॉरएवर केमिकल्स" मुद्दे को संबोधित करने में मदद करता है। हालांकि, कुछ गिरावट वाले उत्पाद कम तापमान पर बनते हैं, इसलिए हीटिंग प्रक्रिया के दौरान गैस प्रवाह का उपचार - पोस्ट महत्वपूर्ण है। अधिक लगातार पुनर्सक्रियन के लिए महत्वपूर्ण ऊर्जा खपत की आवश्यकता होती है, साथ ही अतिरिक्त परिवहन और कच्चे माल के उपयोग की आवश्यकता होती है, जिससे उद्योगों के कार्बन पदचिह्न जैसे कि पीने के पानी का उत्पादन होता है।

 

 

अधिकांश जल शोधन प्रक्रियाएं, जैसे कि वातन, जमावट/फ्लोकुलेशन/वर्षा, तेजी से निस्पंदन, नरम, (उन्नत) ऑक्सीकरण, और धीमी रेत निस्पंदन, प्रति - और पॉलीफ्लुओरोकिल पदार्थों (PFAs) को हटाने में अप्रभावी हैं। इसके विपरीत, दानेदार सक्रिय कार्बन (GAC) या पाउडर सक्रिय कार्बन (PAC) का उपयोग करके सोखना PFAS हटाने में उच्च दक्षता प्रदर्शित करता है और वर्तमान में झिल्ली निस्पंदन के बगल में सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली PFAS हटाने की तकनीक है। दोनों विधियाँ प्रभावी रूप से पानी से PFAs को सोख सकती हैं, लेकिन उन्हें विघटित नहीं कर सकती हैं। इसलिए, Adsorbed PFAs को Re - से यथासंभव पर्यावरण में प्रवेश करने से रोकने के लिए उपाय किए जाने चाहिए।

 

PFAs की हटाने की दक्षता उनकी रासायनिक संरचना और सक्रिय कार्बन पर कार्बनिक यौगिकों के भार से प्रभावित होती है। लंबी - चेन PFAs (6 कार्बन परमाणुओं से अधिक या उससे अधिक या उससे अधिक कार्बन श्रृंखला की लंबाई के साथ) कम - श्रृंखला PFAs की तुलना में मजबूत सोखना गुण होते हैं, इसलिए शॉर्ट - श्रृंखला PFAs आमतौर पर तेजी से विघटित होती है। पीएफए ​​के सामान्य प्रकारों में सल्फोनिक एसिड (जैसे कि परफ्लुओरोक्टेनसुल्फोनिक एसिड, पीएफओ) और कार्बोक्जिलिक एसिड (जैसे कि परफ्लुओरोक्टानोइक एसिड, पीएफओए) शामिल हैं। सल्फोनिक एसिड में कार्बोक्जिलिक एसिड की तुलना में बेहतर सोखना प्रदर्शन होता है, जबकि ब्रांकेड - चेन पीएफए ​​में आमतौर पर गैर -- ब्रांकेड पीएफए ​​की तुलना में हीन सोखना प्रभाव होता है।

 

जब एक सक्रिय कार्बन फ़िल्टर टूट जाता है (यानी, इसकी सोखना क्षमता संतृप्त होती है), GAC को पुनर्सक्रियन उपचार से गुजरना पड़ता है। इस उद्देश्य के लिए, संतृप्त GAC को प्रसंस्करण के लिए सक्रिय कार्बन आपूर्तिकर्ताओं की पुनर्सक्रियन सुविधाओं के लिए ले जाया जाता है। एक मल्टी - चूल्हा भट्ठी (एक प्रकार का ऊर्ध्वाधर कैल्सीनिंग भट्ठा) का उपयोग आमतौर पर किया जाता है, जहां प्रदूषकों के साथ adsorbed GAC को ऊपर से खिलाया जाता है। उपचार की प्रक्रिया में निम्नलिखित चरण शामिल हैं: पहला, GAC को 105 डिग्री पर सूखना, फिर इसे 650 - 850 डिग्री पर अशुद्धियों को हटाने के लिए पायरोलाइज़िंग करना, और अंत में इसे सक्रिय कार्बन सतह [1] की सोखना गतिविधि को बहाल करने के लिए 800-900 डिग्री पर ऑक्सीजन-मुक्त वातावरण में पुन: सक्रिय करना। पुनर्सक्रियन प्रक्रिया के दौरान उत्पन्न गैस को एक ट्रैपिंग सिस्टम के माध्यम से एकत्र किया जाता है और 1000 डिग्री से ऊपर के उच्च तापमान पर बाहरी मजबूर बर्नर में कई बार गर्म और ऑक्सीकरण किया जाता है। गैस को फिर गैस स्क्रबर में शुद्ध किया जाता है, और ठोस कण फंस जाते हैं। उपचारित स्वच्छ सक्रिय कार्बन को भट्ठा के नीचे से डिस्चार्ज किया जाता है और पीने के पानी के उत्पादन जैसे अनुप्रयोगों में पुन: उपयोग किया जा सकता है।

 

पुनर्सक्रियन प्रक्रिया के दौरान, पीएफए ​​विभिन्न परिवर्तनों से गुजरते हैं, जिसमें हटाने, विनाश, परिवर्तन और खनिजकरण शामिल हैं। जब PFAs को GAC पर नहीं पाया जाता है, तो यह इंगित करता है कि PFAs को "हटा दिया गया" किया गया है। हालांकि, इसका मतलब यह नहीं है कि PFAs का अंतिम भाग्य स्पष्ट है - वे वाष्पीकरण, गिरावट या खनिज के माध्यम से बदल सकते हैं। पीएफए ​​के विनाश के दौरान, माता -पिता अणु नीचा और गायब हो जाते हैं। यदि गिरावट अधूरी है, तो परिवर्तन उत्पाद उत्पन्न हो सकते हैं, और यहां तक ​​कि अन्य प्रकार के पीएफए ​​भी बन सकते हैं, जो पर्यावरणीय रूप से विषाक्त भी हो सकता है। इसलिए, यह गिरावट की डिग्री का सही आकलन करना महत्वपूर्ण है और क्या परिवर्तन उत्पाद उत्पन्न होते हैं। परिवर्तन उत्पादों की उपस्थिति को ज्ञात या अपेक्षित उत्पादों के संदिग्ध विश्लेषण के माध्यम से, या गैर - लक्ष्य विश्लेषण के माध्यम से सत्यापित किया जा सकता है। यदि PFAs पूरी तरह से अपमानित हो जाते हैं, तो, यानी, खनिजकरण प्राप्त किया जाता है, सभी c - f बॉन्ड टूट जाते हैं, जिससे फ्लोराइड उत्पन्न होता है। फ्लोराइड तब पानी या कैल्शियम के साथ हाइड्रोजन फ्लोराइड (एचएफ) या कैल्शियम फ्लोराइड (सीएएफ) बनाने के लिए प्रतिक्रिया करता है, जिससे इसके पर्यावरणीय खतरों को कम किया जाता है। PFAS अणुओं के शेष भागों को कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) या पानी (H₂O) में परिवर्तित किया जाता है।

 

यद्यपि खनिज प्रक्रिया कच्चे माल और ऊर्जा की खपत को बढ़ाती है, लेकिन यह पर्यावरण में "हमेशा के लिए रसायनों" की प्रदूषण समस्या को पूरी तरह से गैर -- विषाक्त तत्वों (जैसे फ्लोराइड, CO₂, और H₂O) [1] में विघटित करके पर्यावरण में "हमेशा के लिए रसायनों" की प्रदूषण समस्या को संबोधित करने में मदद करती है। फ्लोराइड आयन एकाग्रता को मापने से, यह सत्यापित करने के लिए एक द्रव्यमान संतुलन स्थापित करने का प्रयास किया जा सकता है कि क्या पीएफए ​​पूरी तरह से खनिज कर रहे हैं। सैद्धांतिक रूप से, पूरी तरह से खनिजित पीएफए ​​को 100% पता लगाने योग्य फ्लोराइड आयनों में परिवर्तित किया जाना चाहिए। हालांकि, व्यवहार में, इस प्रक्रिया का सत्यापन आमतौर पर चुनौतियों का सामना करता है, आंशिक रूप से क्योंकि फ्लोराइड की विश्लेषणात्मक पता लगाने की सीमा अपेक्षाकृत अधिक होती है (आमतौर पर लगभग 20 g/g/l), जबकि पानी में PFAs की एकाग्रता अक्सर प्रति लीटर नैनोग्राम (एनजी/एल) स्तर पर होती है, जिससे विश्लेषण मुश्किल होता है।

 

 

यह ज्ञात है कि दानेदार सक्रिय कार्बन (GAC) का हीटिंग परिस्थितियों में प्रति - और पॉलीफ्लुओरालोकिल पदार्थों (PFAs) के खनिज पर एक उत्प्रेरक प्रभाव होता है। वतनबे एट अल। । क्रमशः 72%। जब PFAs को GAC पर सोख लिया गया, तो फ्लोराइड उत्पादन दर क्रमशः 51%, 74%और 70%तक बढ़ गई। इसके अलावा, पुनर्सक्रियन कॉलम में सोडियम हाइड्रॉक्साइड को जोड़ने के बाद, फ्लोराइड पीढ़ी की दरों को और अधिक 74%, 91%और 90%तक सुधार किया गया, जबकि मूल PFAS घटकों की अवशिष्ट राशि 1%से कम हो गई। इन परिणामों से संकेत मिलता है कि GAC PFAs की खनिजकरण प्रक्रिया में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। हालांकि, कुशल अनुप्रयोग के लिए, GAC की सतह पर होने वाली भौतिक रासायनिक प्रक्रियाओं को गहराई से समझना महत्वपूर्ण है। जीएसी प्रभावी रूप से पीएफए ​​को "बनाए रख सकता है" जब तक पुनर्सक्रियन कॉलम खनिज के लिए उपयुक्त तापमान तक नहीं पहुंचता है। थर्मोकेमिकल प्रतिक्रियाओं के अलावा, GAC (जैसे सतह छिद्र संरचना और रासायनिक गतिविधि) के भौतिक रासायनिक गुणों का PFAs [1] के खनिजकरण दक्षता पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ने की संभावना है।

 

यदि केवल पीएफए ​​को हटाने या विनाश पूर्ण खनिज के बिना होता है, तो पीएफए ​​या उनके गिरावट उत्पादों को केवल पूरी तरह से समाप्त करने के बजाय स्थानांतरित किया जा सकता है। प्रभावी नियंत्रण उपायों के बिना, ये PFA या उनके गिरावट वाले उत्पाद - को पर्यावरण और जल प्रणालियों में प्रवेश कर सकते हैं, जिससे सतह के पानी के - संदूषण और अंततः GAC का उपयोग करके माध्यमिक हटाने की आवश्यकता होती है। बड़े - स्केल उपचार में, अतिरिक्त दहन चरणों और गैस स्क्रबर्स को आमतौर पर पुनर्सक्रियन प्रक्रिया के दौरान जारी गैस प्रवाह को संभालने के लिए पेश किया जाता है, ताकि गिरावट उत्पादों के उत्सर्जन को रोकने के लिए। हालांकि, समस्या पीएफए ​​की चरम रासायनिक स्थिरता में निहित है। यह ज्ञात है कि PFAs केवल पूरी तरह से "जला" हो सकता है और 1200 डिग्री से ऊपर के उच्च तापमान पर विघटित हो सकता है। इसलिए, पारंपरिक दहन चरणों के वास्तविक प्रभाव को अभी भी आगे सत्यापन की आवश्यकता है।

 

पुनर्संरचना प्रयोग

KWR, यूके में स्नान विश्वविद्यालय के सहयोग से, नियंत्रित परिस्थितियों में सक्रिय कार्बन को पुन: सक्रिय करने और PFAs के परिवर्तन व्यवहार का अध्ययन करने के लिए एक प्रयोगात्मक उपकरण विकसित किया है। यह उपकरण पुनर्सक्रियन प्रक्रिया को सटीक रूप से अनुकरण कर सकता है, जो PFAs की गिरावट दक्षता का मूल्यांकन करने और प्रक्रिया मापदंडों को अनुकूलित करने के लिए एक विश्वसनीय मंच प्रदान करता है।

 

 

सबसे पहले, एक उच्च - एकाग्रता PFAS "स्टॉक सॉल्यूशन" तैयार किया गया था, जो अपेक्षाकृत उच्च एकाग्रता में विभिन्न - और पॉलीफ्लुओरालोकिल पदार्थों (PFAs) के प्रति विभिन्न समाधान है। प्रयोग में, इस स्टॉक समाधान को बाद के परीक्षणों के लिए आवश्यक एकाग्रता के लिए पतला किया गया था।

प्रयोग के लिए एक नया दानेदार सक्रिय कार्बन (मॉडल टीएल - 830, केमिविरन) का चयन किया गया था। सक्रिय कार्बन के दो बैच क्रमशः perfluorooctanesulfonic एसिड (PFOS) और perfluorooctanoic एसिड (PFOA) के साथ लोड किए गए थे। इसके बाद, लोडिंग के बाद समाधान में पीएफए ​​की एकाग्रता का विश्लेषण तरल क्रोमैटोग्राफी - मास स्पेक्ट्रोमेट्री (एलसी-एमएस) द्वारा स्नान विश्वविद्यालय में किया गया था, और सक्रिय कार्बन पर पीएफएएस लोडिंग की गणना की गई थी।

 

परिणामों से पता चला कि PFOS का लोडिंग सक्रिय कार्बन का 81/g/g था, और PFOA का लोडिंग सक्रिय कार्बन का 75 μg/g था। प्रयोग में, सक्रिय कार्बन को प्रत्येक 10 ग्राम के समूहों में विभाजित किया गया था, और गर्मी - एक ट्यूब भट्ठी में 300 डिग्री, 500 डिग्री, 700 डिग्री और 900 डिग्री पर क्रमशः इलाज किया गया था। उपचार की शुरुआत में, सक्रिय कार्बन को पहले 105 डिग्री पर 30 मिनट के लिए गर्म किया गया था, ताकि इसमें निहित नमी को वाष्पित किया जा सके, ताकि बाद के उच्च - तापमान उपचार के दौरान भाप विस्तार के कारण सक्रिय कार्बन की माइक्रोप्रोरस संरचना को क्षतिग्रस्त होने से रोका जा सके। फिर, सक्रिय कार्बन को लक्ष्य तापमान तक गर्म किया गया था। पूरे प्रयोग के दौरान, नाइट्रोजन गैस को ऑक्सीजन - मुक्त वातावरण को बनाए रखने के लिए ट्यूब भट्ठी में लगातार पेश किया गया था। बाहर निकलने वाली गैस धारा को एक ठंडे जाल के माध्यम से संघनित किया गया था और दो गैस धोने की बोतलों के माध्यम से क्रमिक रूप से शुद्ध किया गया था।

 

प्रत्येक पुनर्सक्रियन पूरा होने के बाद, सिस्टम को साफ किया गया था, और फिर प्रयोग को जारी रखने के लिए सक्रिय कार्बन का एक नया बैच लोड किया गया था। डेटा की विश्वसनीयता सुनिश्चित करने के लिए प्रत्येक तापमान की स्थिति के तहत उपचार को दो बार दोहराया गया था। पुनर्सक्रियन के बाद, सक्रिय कार्बन को सक्रिय कार्बन पर शेष पीएफए ​​की सामग्री निर्धारित करने के लिए निष्कर्षण विश्लेषण के अधीन किया गया था। परिणामों से पता चला कि PFOS और PFOA की एक बहुत कम मात्रा में केवल 300 डिग्री की पुनर्सक्रियन स्थिति के तहत निकालने में पता लगाया जा सकता है। जब तापमान 500 डिग्री (सक्रिय कार्बन पुनर्सक्रियन प्रक्रिया में एक सामान्य तापमान) और ऊपर तक पहुंच गया, तो सक्रिय कार्बन पर कोई अवशिष्ट PFOS या PFOA का पता नहीं लगाया जा सकता है।

 

 

पोस्ट - पुनर्सक्रियन उपचार

कार्बन, कंडेनसेट्स, और वॉशिंग पानी का विश्लेषण तरल क्रोमैटोग्राफी - मास स्पेक्ट्रोमेट्री (lc -} ms) द्वारा किया जाता है, जो perfluorooctanesulfonic एसिड (PFOS), perfluorooctanoic एसिड (PFOA), या उनके संभावित डिग्रेडेशन उत्पादों का पता लगाने के लिए है।

 

 

प्फोस
PFOS - लोड किए गए सक्रिय कार्बन के पुनर्सक्रियन के बाद, केवल C8F16, Perfluorooct-1-ene (m/z 399), 300 डिग्री पर इलाज किए गए सक्रिय कार्बन में गुणात्मक रूप से पता लगाया गया था। इस घटक को कोल्ड ट्रैप या गैस धोने की बोतलों में नहीं पाया गया था। 500 डिग्री (या उच्चतर) पर पुनर्सक्रियन के बाद, इस पदार्थ को सक्रिय कार्बन, घनीभूत या गैस धोने की बोतलों में नहीं पाया गया था। Perfluorooct-1-ene विशेषता सल्फोन समूह के बिना एक PFOS आणविक श्रृंखला है। यह पुनर्सक्रियन से पहले लोड किए गए सक्रिय कार्बन के अर्क में भी पाया गया था, लेकिन स्टॉक समाधान में नहीं। इसलिए, यह पदार्थ पहले से ही सक्रिय कार्बन पर मौजूद था।

 

पीएफओए
PFOA - लोड किए गए सक्रिय कार्बन के पुनर्सक्रियन के बाद, सक्रिय कार्बन पर कोई गिरावट उत्पाद नहीं पाए गए। हालांकि, कोल्ड ट्रैप और गैस धोने की बोतलों के संघनन में विभिन्न गिरावट वाले उत्पाद पाए गए। 300 डिग्री पर गठित परिवर्तन उत्पाद और घनीभूत या गैस धोने की बोतलों में पाए जाने वाले तापमान में उच्च मूल्यों तक बढ़ने की प्रक्रिया के दौरान भी बन सकते हैं और कम तापमान पर ठंडे जाल पर संघनित किया गया है। C8HF14O2 (M/Z 395), जो पुनर्सक्रियन के दौरान एक फ्लोरीन परमाणु को "खो" गया, कंडेनसेट्स और दोनों गैस धोने की बोतलों में पाया जा सकता है। यह पदार्थ स्टॉक समाधान में भी मौजूद था, लेकिन पुनर्सक्रियन के बाद सक्रिय कार्बन से हटा दिया गया था।

C5F9 (M/Z 231), C4F7 (M/Z 181), C3F7 (M/Z 169), C3F5 (M/Z 131), और C2F5 (M/Z 119) अनुक्रमिक गिरावट वाले उत्पाद हैं, जिसमें कार्बन परमाणु या CF2 आणविक श्रृंखला से टूट गए हैं। गिरावट उत्पादों के गुणात्मक माप के कारण, यह निर्धारित करना असंभव है कि उच्च - तापमान उपचार के दौरान उनकी सामग्री बढ़ जाती है या घट जाती है या नहीं।

 

फ्लोराइड द्रव्यमान संतुलन
फ्लोराइड द्रव्यमान संतुलन को पूरा करने से पता चल सकता है कि क्या पीएफए ​​में मौजूद सभी फ्लोराइड्स मिल सकते हैं, जो इस सवाल का जवाब देने में मदद करता है कि क्या पीएफएएस को पूरी तरह से नीचा दिखाया गया है। प्रयोग में, फ्लोराइड केवल कोल्ड ट्रैप के कुछ संघनितों में पाया गया था। सक्रिय कार्बन अर्क या गैस धोने की बोतलों में कोई फ्लोराइड का पता नहीं चला। पूर्ण खनिजकरण के मामले में, लगभग 320 gg f - कार्बन पर मौजूद होगा। हालाँकि, अधिकतम 0.013 g f - कुल मिलाकर पाया गया था, जो 0.004%है। गठित फ्लोराइड को अत्यधिक प्रतिक्रियाशील हाइड्रोजन फ्लोराइड (एचएफ) में परिवर्तित किया जा सकता है। फिर, HF SIF4 बनाने के लिए क्वार्ट्ज ट्यूब के साथ प्रतिक्रिया कर सकता है, या CAF2 बनाने के लिए कार्बन पर कैल्शियम के साथ प्रतिक्रिया कर सकता है, जिसका अर्थ है कि फ्लोराइड द्रव्यमान संतुलन पूरा नहीं किया जा सकता है।

 

निष्कर्ष

इस अध्ययन ने PFOS या PFOA के साथ लोड किए गए सक्रिय कार्बन के पुनर्सक्रियन की जांच की। परिणामों से पता चला कि कम से कम 500 डिग्री के तापमान पर सक्रिय कार्बन का इलाज करने के बाद, PFOS और PFOA को सक्रिय कार्बन से पूरी तरह से हटा दिया गया था और हो सकता है कि इसे नीचा दिखाया गया हो। PFOS, C8F16 का गिरावट उत्पाद केवल 300 डिग्री पर इलाज किए गए सक्रिय कार्बन पर पाया गया था। इसके अलावा, सक्रिय कार्बन या गैस धोने की बोतलों में कोई गिरावट उत्पादों का पता नहीं चला। C8HF14O2, C5F9, C4F7, C4F7, C3F7, C3F7, और C2F5 सहित PFOA के गिरावट वाले उत्पाद सक्रिय कार्बन पर नहीं पाए गए थे, लेकिन ठंड के जाल कंडेनसेट और दो गैस धोने की बोतलों में पाया गया था। इन पदार्थों के संकेत बहुत कम थे, इसलिए विभिन्न तापमानों पर उपचार प्रक्रिया को स्पष्ट करना असंभव था (यानी, चाहे वे केवल अपेक्षाकृत कम तापमान पर हीटिंग के दौरान या उच्च तापमान पर उपचार के दौरान भी बन गए थे)। 500 डिग्री से ऊपर के तापमान पर एनोक्सिक स्थितियों के तहत पुनर्सक्रियन सक्रिय कार्बन से पीएफओ और पीएफओए को प्रभावी ढंग से हटाने के लिए लगता है, जो सक्रिय कार्बन निर्माताओं के बयानों के अनुरूप है। परिवर्तन उत्पादों को साहित्य [3] और [4] में पहचाने गए गिरावट मार्गों के अनुरूप पाया गया। हालाँकि, - उत्पादों द्वारा अन्य के गठन को खारिज नहीं किया जा सकता है। इस पेपर में प्रस्तावित फ्लोराइड माप ने अभी तक एक अंतिम PFAS द्रव्यमान संतुलन नहीं निकाला है, जो कम पता लगाने की सीमा के साथ प्रौद्योगिकियों की आवश्यकता पर जोर देता है। सक्रियण सक्रिय कार्बन से पीएफए ​​को हटाने के लिए एक प्रभावी तरीका है, लेकिन जितना अधिक पीएफए ​​को हटाने की आवश्यकता होती है, उतने अधिक पुनर्सक्रियन चक्रों की आवश्यकता होती है। इसका मतलब यह भी है कि परिवहन, ऊर्जा की खपत और कच्चे माल की खपत में वृद्धि, साथ ही शुद्धि क्षमता भी कम हो। यह पीने के पानी के उत्पादन के कार्बन पदचिह्न को भी बढ़ाएगा। स्वच्छ पानी कीमती है, लेकिन इसे प्राप्त करने का साधन उच्च लागत पर आता है।