Dans les systèmes de traitement de l'eau à membrane (tels que l'ultrafiltration (UF), la nanofiltration (NF) et l'osmose inverse (RO), le charbon actif n'est généralement pas le composant principal du dessalement ou de la stérilisation, mais il joue un rôle irremplaçable en tant que « pré-filtre » et « protecteur » crucial. Ses applications se reflètent principalement dans les aspects suivants :
1. Élimination complète du chlore résiduel
Les membranes en polyamide d'osmose inverse et de nanofiltration sont extrêmement sensibles aux oxydants. Même avec une concentration de chlore résiduel aussi faible que 0,1 ppm (mg/L) dans l'eau d'alimentation, un contact prolongé peut provoquer la rupture des chaînes polymères de la membrane, entraînant généralement une diminution permanente du taux de dessalement de l'élément membranaire en quelques heures, voire quelques jours. Les filtres à charbon actif peuvent réduire la concentration de chlore résiduel à un niveau sûr en dessous<0.01 ppm through efficient surface reduction reactions, completely eliminating its oxidative threat to the membrane.
Théoriquement, 1 gramme de charbon actif-de haute qualité peut éliminer environ 1 gramme de chlore disponible. En ingénierie pratique, un temps de contact en lit vide (EBCT) suffisant doit être conçu en fonction de la concentration de chlore résiduel et du débit de l'eau d'alimentation.
2. Adsorption très efficace de la matière organique, réduisant l'encrassement des membranes
Le charbon actif possède une grande surface spécifique, généralement comprise entre 700 et 1 500 m²/g. Cela lui permet d'adsorber efficacement la matière organique naturelle (MON) dans l'eau, réduisant la valeur UV254 (caractérisée par la matière organique contenant des doubles liaisons conjuguées et des cycles benzéniques) de l'eau d'alimentation de 60 à 90 % et éliminant le carbone organique total (COT) de 20 à 50 %. Cela réduit directement les charges colloïdales et organiques qui contribuent à l’encrassement de la membrane.
Indice d'encrassement amélioré : en éliminant efficacement les matières organiques, le prétraitement au charbon actif réduit considérablement la valeur SDI (indice de densité du sol) ultérieure, fournissant ainsi une eau d'alimentation qualifiée pour les membranes d'osmose inverse (SDI15 < 5, valeur idéale < 3).
3. L'effet du charbon biologiquement actif (BAC)
Under suitable temperature (>15 degrés) et les conditions nutritionnelles, les filtres à charbon actif biologiquement peuvent atteindre des taux d'élimination de l'azote ammoniacal (NH3-N) supérieurs à 80 % et des taux d'élimination du carbone organique dissous biodégradable (BDOC) atteignant 50 % à 70 %, nettement supérieurs aux 20 % à 40 % obtenus par simple adsorption physique.
Précautions et points opérationnels :
1. Sélection et paramètres des types de charbon actif :
Charbon actif de coque de noix de coco : possède des micropores extrêmement bien développés-(taille des pores<2nm), with iodine adsorption values typically >1000 mg/g. Il présente une vitesse d'adsorption rapide et une capacité élevée de chlore résiduel et de matière organique à petites molécules -.
Charbon actif à base de charbon- : possède à la fois des micropores et des mésopores (taille des pores 2 à 50 nm). Les valeurs d'adsorption du bleu de méthylène peuvent atteindre 150-250 mg/g, offrant de meilleurs effets d'élimination des molécules organiques plus grosses (telles que l'acide humique) et de la couleur de l'eau.
Lors de l'achat, en plus de l'indice d'iode et de l'indice de bleu de méthylène, il convient également de prêter attention à la résistance supérieure ou égale à 95 % (pour réduire la casse et la pulvérisation pendant le fonctionnement) et à la teneur en humidité inférieure ou égale à 8 %.
2. Prévention des fuites de poudre de charbon actif :
Nouveau rinçage au charbon actif : le charbon actif nouvellement chargé doit subir un lavage à la fois vers l'avant et vers l'arrière. Le temps de rinçage nécessite généralement 1 à 2 heures ou plus jusqu'à ce que la turbidité de l'effluent soit<1.0 NTU.
Filtre de sécurité : Un filtre de sécurité de précision de 5 μm doit être installé par la suite, garantissant un taux d'augmentation normal de la pression différentielle. Si l’élément filtrant devient noir trop rapidement, cela indique une fuite importante de poudre de charbon actif.
3. Croissance et contrôle microbiens :
Les filtres à charbon actif non contrôlés peuvent avoir un nombre de bactéries dans les effluents 1 à 2 ordres de grandeur (10 à 100 fois) supérieur à celui de l'affluent.
Désinfection régulière : il est recommandé de rincer à l'eau chaude à une température supérieure ou égale à 80 degrés pendant au moins 30 minutes tous les 1-3 mois, ou d'utiliser un bactéricide non oxydant (tel que le DBNPA) pour un dosage choc.
Optimisation de la conception : pour éviter la rétention microbienne à long-terme, la conception du système doit garantir que le filtre à charbon actif subit quotidiennement des opérations de lavage périodique ou de lavage avant supérieures ou égales à 10 %.
4. Saturation d’adsorption et cycle de remplacement
Indicateur de surveillance clé : Le chlore résiduel dans les effluents de charbon actif doit être surveillé en continu ou au moins quotidiennement pour garantir qu'il reste à 0 mg/L. Si du chlore est détecté, une enquête immédiate ou un remplacement est nécessaire.
Estimation du cycle de remplacement : Le cycle de remplacement (T) peut être estimé de manière préliminaire à l'aide de la formule suivante : T (heures)=[Quantité de charge de charbon actif (kg) × Capacité d'adsorption unitaire (mg Cl₂/g de carbone)] / [Débit d'influent (m³/h) × Concentration résiduelle de chlore (mg/L)]
Où, la capacité d'adsorption unitaire peut être prise comme étant de 10 à 15 mg Cl₂/g de carbone (valeur de conception conservatrice).
Exemple : Un filtre contenant 500 kg de charbon actif, traitant un influent avec une concentration de chlore résiduel de 1,5 mg/L et un débit de 50 m³/h, a un temps de rétention théorique du chlore d'environ (500 × 1000 × 10) / (50 × 1,5) ≈ 666 heures (environ 28 jours). Il s'agit uniquement du temps de rétention du chlore ; en ce qui concerne l'adsorption de matière organique, le cycle de remplacement réel est généralement fixé entre 6 et 24 mois et doit être basé sur les données de surveillance réelles.
5. Paramètres de contrôle et de fonctionnement hydrauliques
Le temps de contact avec le lit vide (EBCT) est un paramètre de conception clé. Pour l’élimination du chlore résiduel et des matières organiques, l’EBCT est généralement conçu pour durer 10 à 15 minutes.
Débit de lavage à contre-courant : 12-15 m³/(m²·h) (c'est-à-dire 12-15 m/h), d'une durée de 10-15 minutes.
Intensité du nettoyage à l'air : si un lavage à contre-courant combiné air-eau est utilisé, l'intensité de l'air est d'environ 50 à 60 m³/(m²·h).
Le lavage à contre-courant est généralement effectué toutes les 24 à 48 heures ou lorsque la différence de pression d'entrée augmente de 0,5 à 1,0 bar.