粉狀活性炭的生產方法及工藝技術改進趨勢

　　隨著食品、醫藥、輕工、環保等行業的發展，活性炭作為一種吸附脫色劑，其用量迅速增加。建國初期我國活性炭的年產量僅為 3 0多噸，至1996年，全國生產廠家有二百多個，年產量達13萬噸。

　　根據活性炭的用途不同可將其制成粉狀和粒狀 ,粒狀活性炭又分定型炭（例：柱狀、球狀等）和非定型；根據生產中所用活化劑的不同又可將其分為物理法活性炭和化學法活性炭：根據生產原料不同亦可分為木質炭和煤質炭，因木質原料孔隙度大，內部細胞組織有許多天然孔隙 (木炭的比表面積為 2 0 6- 42 9m2 / g),使活化劑易進入 ,且接觸反應面大易活經 ,而煤則不同(煤制焦炭的比表面積僅為 2 0 - 80 m2 / g),故與活化劑的反應面比木炭小的多。總之 ,以化學法木質粉狀活性炭的脫色性能最佳 ,它在水解、發酵、有機合成、制糖、制藥、凈水和環保等領域 ,用于除去發色體、膠質 ,吸附異味 ,防止液體渾濁 ,除去泡沫 ,提高蒸發結晶速度。例 :我省滿城檸檬酸廠、保定磺酸廠、保定化工二廠的木糖車間、邢臺植酸廠、石家莊副食二廠的味精車間、趙縣葡萄糖廠、華北藥廠淀粉分廠、辛集飴糖廠和乳酸廠等均采用粉狀木質活性炭作為產品的精制脫色劑。由于其用量大 ,涉及范圍廣 ,故國內各生產、科研單位不斷對其生產工藝、技術、設備等進行探索、研究及改進。

　　一、粉狀木質活性炭的生產方法

1、化學法粉狀木質活性炭

　　（1）原理

　　化學法活性炭的成熟工藝為氯化鋅法 ,國內活性炭生產廠大多采用該法 ,其活化原理為 :氯化鋅在炭化活化中有脫水作用 ,使用機木質原料中的氫、氧元素以水的形式逸出 ,如此可降低炭化活化溫度 ,改變熱解路線 ,另外氯化鋅溶液對木質原料有溶解、侵蝕作用 ,故可順利滲透到原料內部 ,到達木質原料中纖維形成的細孔中 ,以實現完全活化 ,活化過程中氯化鋅多數留在炭中起骨架作用 ,而形成的炭則沉積在骨架上 ,當最后用水洗掉氯化鋅后 ,則炭形成多孔 ,從而具有吸附、脫色作用。

　　（2）工藝過程

　　捏合 :首先將工業品氯化鋅配成 45- 50波美度的水溶液 ,其 p H值為 4. 5- 6. 5(指一滴氯化鋅溶液溶于 2 5ml蒸餾水中所測值 ),然后與烘干的木屑以 1∶ 3 - 4的固液比投入捏合機中 ,使充分捏合均勻 ,捏合時間不小于 1 5分鐘 ,以保證氯化鋅溶液充分進入纖維內部。若采用其它混合方式 ,如簡單人工攪拌或靜止浸泡 ,則所需混合時間應延長。

　　炭化活化 :連續生產中采用內熱式回轉爐為炭化活化的主體設備 ,其熱載體為高溫煙道氣。傳熱方式為 :高溫煙道氣與物料呈逆流直接接觸傳熱。物料流動方向為 :從回轉爐的高端連續加入捏合均勻的物料 ,靠回轉爐的轉動與斜度使物料慢慢地由高向低移動。由于物料在爐內不斷翻轉移動 ,從而保證物料炭化活化均勻 ,產品質量穩定。炭化活化時應嚴格控制反應溫度 ,雖提高溫度對反應有利 ,但氯化鋅的損失量增加 (例 500℃氯化鋅的蒸氣壓為 1 0 mm Hg, 61 0℃為 1 0 0 m m Hg, 73 2℃為760 mm Hg),所以在保證活性炭質量的前提下應盡力降低炭化活化溫度。該工段工藝條件控制在 :溫度為 450 - 550℃ ,時間 40分鐘 ,回轉爐轉速為 2 - 3轉 /分。

　　回收 :從回轉爐中卸出的物料中除含有炭及氯化鋅外 ,還含有因高溫和水蒸氣存在下反應生成的氧化鋅和氫氧化鋅 ,故需將其進行處理 ,目的有兩個 ,一個是使氧化鋅和氫氧化鋅反應變為可作為活化劑的氯化鋅 ,二是最大限度的回收氯化鋅 ,以循環使用降低成本。所包含的反應為 :

Zn(OH)2 +2 HCl=Zn Cl2+2 H2 O

Zn O+2 HCl=Zn Cl2 +H2 O

　　采用多級逆流回收洗滌方法 ,當洗液中氯化鋅濃度高達 40波美度時 ,返回到捏合工段循環使用。

　　凈化除雜 :因生產中采用的設備大多為鐵器設備 ,導致產品中鐵含量超標 ,故需除鐵.

　　其過程為 :將回收工段送來的物料加入除鐵池 (非鐵設備 ),再加入自來水使其剛好浸沒物料 ,然后加入占物料量 4. 5%的工業鹽酸 ,在 95℃左右間歇攪拌反應 2小時以上 ,最后反復漂洗、過濾 ,至洗液達中性為止。

　　脫水 :洗至中性的物料先采用三足離心機或板框壓濾機脫除其中大部分水份。然后在轉筒干燥機中干燥至水份小于 1 0 %后送去粉碎包裝。

　　粉碎包裝 :國內生產廠大多采用球磨機進行粉碎 ,其產品細度應據用戶要求進行調整。粒度越小脫色效果越好 ,但粒度過小影響過濾速度 ,一般控制在粒徑≥ 1 2 0目為佳。

　　（3）該法優缺點

　　優點 :該法制備的活性炭孔隙率大 ,且可通過調整活化劑的濃度生產不同孔徑的活性炭 ,另外用氯化鋅作活化劑 ,炭化活性溫度低、易操作、能耗小 ,同時氯化鋅可回收循環使用。

　　缺點 :因在炭化活化時有部分氯化鋅進入大氣 ,另外回收工段使用揮發性鹽酸 ,兩者對大氣均有一定程度污染。

2、物理法粉狀木質活性炭

　　（1）、原理

　　用高溫水蒸氣、高溫煙道氣 (CO2 氣體 )及高溫空氣對炭進行活化的方法為物理活化法。其活化原理為 :

H2 O(g)+Cx 80 0 -90 0℃ H2 +CO+Cx- 1 - Q

CO2 (g)+C x 80 0 -90 0℃ 2 CO+C x- 1

O2 (g)+C x 80 0 -90 0℃ 2 CO+Cx- 2 +Q

O2 (g)+C x < 6 0 0℃ CO2 +C x- 1 +Q

　　實際生產中 ,大多采用高溫水蒸氣作活化劑 ,如我省保定賢臺活性炭廠即用該法。

　　（2）、用水蒸氣為活化劑的生產工藝

　　原料炭化 :首先使木質原料在 450 - 60 0℃范圍內炭化完全 ,然后破碎為 2 - 3 0 mm的塊待用。

　　炭化料的活化 :因水蒸氣與炭在高溫下的反應為吸熱反應 ,當系統溫度達 80 0 - 90 0℃時 ,反應開始進行 ,但由于反應吸熱 ,會使物料溫度低于 80 0℃ ,影響反應速度 ,為保證溫度在 80 0 - 90 0℃ ,需補充熱能。因產物中有氫氣和一氧化碳生成 ,而該兩種氣體均可燃燒放出熱量 ,所以實際生產中即利用該部分燃燒熱補償反應吸熱造成的熱消耗。炭化活化反應在多管活化爐中進行。炭化后的物料從活化爐的爐口加入 ,活化劑水蒸氣從活化爐上部通入 ,活化反應完成后 ,活性炭從下部卸出 ,而下部排出的氣體送入爐膛中燃燒。

　　（3）、該法優缺點

　　優點 :用水蒸氣作活化劑 ,使炭表面純凈 ,因反應吸熱 ,不會使物料在活化中局部過熱而影響收率 ,同時該法無污染、節省燃料。

　　缺點 :因耐火材料和木炭的傳熱系數小 ,易造成管內物料溫度不均 ,活化不一致而影響產品質量的穩定。

　　二、粉狀木質活性炭的工藝、技術改進方向

1、生產原料

　　雖用木材作原料制備的活性炭質量較好 ,但由于近年來樹木的亂砍亂伐 ,再加之包裝、建筑、裝修、一次性衛生用具等每年也要消耗掉大量木材 ,而木材資源再生速度很慢 ,少則幾年 ,多則十幾年或幾十年 ,故造成我國木材資源短缺的現狀。為推進活性炭行業的健康發展 ,我國有關部門曾就用不同原料代替木材研制生產活性炭進行了大量工作。例如用稻殼制備活性炭 〔4〕,用廢棄植物制取可燃氣、炭和焦油 〔5〕,用工業水解渣制備活性炭 〔6〕〔7〕,我校化學系也曾就本地資源——麥桿、玉米秸代替木材制備活性炭進行了大量的研究工作 ,其課題已于 1 999年獲省級鑒定成果。除此之外也有用甘蔗渣 ,有機工業廢料等為原料制備活性炭的報道。

2、 生產工藝

　　因目前化學法活性炭大都采用氯化鋅作活化劑 ,因大氣污染問題限制了它的發展 ,故人們在不斷探索以其它無污染或污染小的活化劑代替氯化鋅的新生產工藝。例有報道用硫酸作活化劑可制備高脫色力的脫色劑 ,且炭化活化溫度由氯化鋅法的450 - 550℃降為 2 50 - 3 0 0℃ 〔8〕,用磷酸作活化劑 ,可基本消除污染 ,且產品質量穩定 ,操作條件易控〔9〕,另外據最新資料報道 ,用輻射工藝和流態化工藝制備活性炭的小試研究正在進行。

　　隨著人們環保意識的增強 ,物理法活性炭工藝將逐漸被人們所重視 ,為改善物理法活性炭的吸附性能 ,各生產單位進行過不少嘗試 ,例如將一次高溫水蒸氣活化工藝改為兩次 ,可顯著提高產品的脫色力。

3、 生產設備

　　活化爐是活性炭生產的最主要關鍵設備。用回轉爐雖操作簡單、勞動強度小、物料活化均勻 ,產品質量穩定 ,但因煙道氣溫度高 ,氣相中有部分氯化鋅帶入而增大消耗 ,若用平板爐 ,雖效率低 ,偶有炭化活化不均等缺點 ,但操作靈活性大 ,污染易解決。如何對兩者進行權衡 ,有關專家正對此進行探索 ,相信不久的將來會有污染小、機械化程度高、產品質量穩定的高效活化爐問世。

　　粉碎干燥設備是活性炭各生產工藝中必用的設備。傳統粉碎設備大多采用不同規格的礦用球磨機 ,效率低、動力消耗大、噪音污染嚴重 ,目前一些大企業已改用雷蒙機 ,該機效率高 ,粉碎均勻 ,濾速快。關于干燥設備 ,大都采用炭化活化爐的余熱作干燥熱源 ,采用固定箱式或回轉爐式干燥設備 ,但均存在粉大、效率低的缺點 ,有些企業已改用其它效果更好的設備 ,例真空干燥、流化沸騰床干噪等。我國化工部機械化工研究院下屬的粉碎設備研究所和干燥設備研究所每年都有新型設備研制成功 ,投放市場 ,供各企業參考選用。

　　三、結語

　　活性炭作為涉及各行各業吸附脫色的產品 ,近年來從原料到工藝設備均有很大的改進和發展 ,但仍還存在不少問題 ,需各專業的人員共同努力 ,以求不斷完善 ,滿足國民經濟發展的需求。