SHARE ON:        

THE BASICS OFACTIVATED CARBONADSORPTIONA teaspoon of activated carbon has more surface area than a football field.

HENRY NOWICKIGEORGE NOWICKI FEBRUARY 1, 2016

Activated carbon has more than 2,500 commercial product applications. Most wastewater plants use the carbonsto purify the water and air leaving a facility. However, you will not find their characteristics and properties coveredin “formal” education. You learn about them on the job.

 ­lvinst­/iStock

Activated carbon is an inert solid adsorbent material commonly used to remove diverse, dissolved contaminantsfrom water and process gas­phase streams. It is made from almost any feedstock that contains carbon, includingcoconut shells and coal family members, as many readers will already know.

Adsorption is the accumulation of a gas or liquid on the surface of a liquid or solid substrate, as opposed toabsorption, in which the encroaching substance enters the substrate’s bulk or volume.

Activated carbon is porous, inexpensive and readily available for use as adsorbents, furnishing a large surfacearea to remove contaminants. It has more useful surface area per gram than any other material available forphysical adsorption. In fact, a teaspoon of activated carbon has more surface area than a football field.

Physical phenomenaBecause of its rare characteristics, activated carbon possesses an exceptional ability to capture water­dissolvedcontaminants that include taste­, odor­, color­ and toxic­promoting species. Removal takes place throughadsorption phenomena based on surface interactions between contaminants and carbon graphitic plateletsurfaces.

These contaminant­carbon surface interactions occur through Van der Waal forces and induced dipoleinteractions. Activated carbon graphitic platelets induce neutral organic molecules into intra­molecular dipoles.The induced dipoles cause the molecules to be attracted to each other and stick together, so they precipite out ofsolution in the carbon’s nano­sized pores or adsorption spaces. This is referred to as premature condensation,facilitated by the activated carbon.

Figure 1. These representations show activated carbon made from wood, coconut shells and bituminouscoal. All graphics courtesy of PACS Activated Carbon.

Activated carbon manufacturers use different feedstocks and process parameters to make a variety of pore sizedistributions available. Proper pore structure selection is essential to solve aqueous­ and gaseous­phaseproblems with activated carbon.

Figure 1 shows realistic representations of activated carbons manufactured from wood, coconut shells andbituminous coal. These carbon types are sold and used in different forms: powder, granular, pellets, blocks andcomposites. The difference is seen in the size of the graphitic platelets represented by the heavy black lines andhow close they are together, as indicated in the figure.

Powdered activated carbonPowdered, micron­sized activated carbon particles are milled from millimeter granular activated carbon andexhibit faster kinetics and a greater capacity for contaminant removal, when compared to carbons with largerparticle sizes.

Powdered activated carbon can be used for sporadic contaminant episodes, such as algae blooms and industrialspills, that contaminate municipal influent waters. Powder can be added to the clarification process settling unit toremove these contaminants with activated carbon. It can also protect fixed activated granular carbon bedsagainst sudden influent contamination.

Plants can use powder instead if they lack the infrastructure to use granular activated carbon or do not haveenough granular carbon between the influent and the effluent to economically use for removal in sporadiccontaminant episodes. The single­use powdered activated carbon is used as a batch process to removecontaminants to acceptable regulated maximum contamination levels (MCLs) but not necessarily to zero or non­detected contamination.

Granular activated carbonMillimeter­sized granular activated carbon can remove contaminants to concentrations below analytical detectionlimits, and compared to powder, it requires only about one­fourth the amount of carbon between influent andeffluent.

However, a plant needs proper infrastructure to install the fresh carbon and remove the spent granular activatedcarbon for furnace reactivation. Reactivated activated carbon costs about half as much as fresh or unusedgranular activated carbon. Granular activated carbon use is a continuous process, and it is a multiple­useproduct based on thermal reactivation. Thermal reactivation enables the carbon to be classified as “greenchemistry.”

Where the possibility of industrial pollution is relatively high, more activated carbon must be readily available forpossible emergencies. It can be kept in fixed vessels between the influent and effluent, and more powderedcarbon is needed as well.

Finally, pellets, or extra­large carbon granules, are used to control vapor phase municipal wastewater hydrogen

Figure 2. A horizontal bed configurationlooks like this, whereas vertical beds takeadvantage of gravity flow.

sulfide and other odors. These relatively large forms of activated carbon enable gas streams to flow throughcarbon beds uninhibited. This decreases the use of fans and energy necessary to blow gas streams through tightbeds. Regular and catalytic carbons are used for hydrogen sulfide odor control.

With regular carbon, mobile hydrogen sulfide is oxidized to immobilized sulfur, which accumulates on the carbonsurface. Using elemental sulfur build­up on working carbon has determined when the carbon needs to bereplaced with fresh carbon at laboratories. Catalytic carbons transform hydrogen sulfide to sulfuric acid byoxidation. Sulfuric acid on this catalytic carbon can be washed from used carbon with water and be reused onsite many times.

Mass transfer zoneAqueous and gas phase applications develop a movingcontaminant mass transport zone (MTZ) as morecontaminated water or gas passes through a bed. Carbonbeds are usually 3 to 10 feet deep and composed ofstratified activated carbon, where smaller sized particles areon top of a working carbon bed and the largest sizedparticles are on the bottom.

Do not mix used and unused carbon in a process. The MTZillustrated in Figure 2 has a horizontal bed configuration, butbeds are typically vertical to take advantage of gravity flow.Bed stratification must be maintained after backwashing toremove solids that may accumulate on top of the bed.

Activated carbon removes water soluble organics and solids from water by backwashing. This MTZ has threeworking zones:

1.  Zone 1 (between A and B, a portion of the total length of the carbon bed) is completely used and nolonger removes water­soluble contaminants.

2.  Zone 2 (between B and C) removes variable amounts of contaminants. The shape of this curve will reflectthe concentration profile of the contaminants exiting the carbon bed at breakthrough. Water applicationstypically have much longer MTZ distance between B and C than gas­phase applications, which typicallyhave much smaller MTZs. The MTZ shape may be sharp or broad depending on how strongly the carbonadsorbs the adsorbates.

3.  Zone 3 (between C and D) is unused activated carbon. With increasing bed service­time and exposure tocontaminants, the distance between A and B increases and between C and D decreases. MTZ distancefrom B to C is constant.

Maximizing performanceFor improved performance and economics, the typical configuration in operation of multiple beds of activatedcarbon is a sequential series. Multiple beds in a series enable complete carbon bed use through breakthrough,where influent and effluent are equivalent in contaminant concentrations. This is because in operation anyremaining backup beds in the series start another MTZ as needed.

This lead­and­lag bed configuration enables treatment of a maximum number of gallons of water per pound ofactivated carbon before spent carbon must be replaced with fresh.

The working goal is high­quality potable water at the lowest cost. The final beds of activated carbon in thesequential series complete the polishing to remove trace contaminants, and to provide safe, quality drinkingwater. By changing out the earlier completely exhausted carbon beds with fresh carbon (when bed influent andeffluent concentrations are equivalent), the later beds function longer as the final polisher and provide a safetymargin.

When samples are taken to profile a carbon bed, they should be taken from top, middle and bottom. This typesampling allows more accurate estimate in locating the MTZ and remaining service time for the carbon bed.

Spent activated carbonActivated carbon does not last forever. It needs a periodic change­out with fresh virgin or reactivated carbon.Pores or physical adsorption spaces, which are nanometer­sized volumes between the graphitic platelets,eventually fill and are no longer capable of removing adsorbates. Carbon pores are heterogeneous and vary inadsorption energy from strong to weak. Note the graphitic platelet spacing in Figure 1. Carbon graphitic plateletsthat are close together provide high adsorption potential energies, and wide platelet spacings have relatively lowadsorption energies.

Drinking water plants have two main choices for change­outs: purchase virgin or unused carbon or usereactivated carbon. Following several reactivation cycles, the efficacy of reactivated carbon will diminish andmust be replaced by fresh, virgin carbon.

Sometimes widening the pore size distribution with reactivation is beneficial, especially for larger molecules andhigher molecular weight adsorbates. However, water soluble, low molecular weight compounds at traceconcentrations such as trihalomethanes may not be as readily adsorbed and could develop a longer MTZ whenused with reactivated carbon with a wider pore size distribution.

Further discussion of this topic will cover test methods to aid water plant personnel to select the best activatedcarbon for a given application and to monitor the efficacy and life cycle of the carbon through its final disposal.