粉狀活性炭的生產(chǎn)方法及工藝技術(shù)改進(jìn)趨勢(shì)

　　隨著食品、醫(yī)藥、輕工、環(huán)保等行業(yè)的發(fā)展，活性炭作為一種吸附脫色劑，其用量迅速增加。建國(guó)初期我國(guó)活性炭的年產(chǎn)量?jī)H為 3 0多噸，至1996年，全國(guó)生產(chǎn)廠家有二百多個(gè)，年產(chǎn)量達(dá)13萬(wàn)噸。

　　根據(jù)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(jù)生產(chǎn)中所用活化劑的不同又可將其分為物理法活性炭和化學(xué)法活性炭：根據(jù)生產(chǎn)原料不同亦可分為木質(zhì)炭和煤質(zhì)炭，因木質(zhì)原料孔隙度大，內(nèi)部細(xì)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(jìn)入 ,且接觸反應(yīng)面大易活經(jīng) ,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(yīng)面比木炭小的多?？傊?/span> ,以化學(xué)法木質(zhì)粉狀活性炭的脫色性能最佳 ,它在水解、發(fā)酵、有機(jī)合成、制糖、制藥、凈水和環(huán)保等領(lǐng)域 ,用于除去發(fā)色體、膠質(zhì) ,吸附異味 ,防止液體渾濁 ,除去泡沫 ,提高蒸發(fā)結(jié)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(tái)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(zhì)活性炭作為產(chǎn)品的精制脫色劑。由于其用量大 ,涉及范圍廣 ,故國(guó)內(nèi)各生產(chǎn)、科研單位不斷對(duì)其生產(chǎn)工藝、技術(shù)、設(shè)備等進(jìn)行探索、研究及改進(jìn)。

　　一、粉狀木質(zhì)活性炭的生產(chǎn)方法

1、化學(xué)法粉狀木質(zhì)活性炭

　?。?/span>1）原理

　　化學(xué)法活性炭的成熟工藝為氯化鋅法 ,國(guó)內(nèi)活性炭生產(chǎn)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(jī)木質(zhì)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(duì)木質(zhì)原料有溶解、侵蝕作用 ,故可順利滲透到原料內(nèi)部 ,到達(dá)木質(zhì)原料中纖維形成的細(xì)孔中 ,以實(shí)現(xiàn)完全活化 ,活化過(guò)程中氯化鋅多數(shù)留在炭中起骨架作用 ,而形成的炭則沉積在骨架上 ,當(dāng)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(guò)程

　　捏合 :首先將工業(yè)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(cè)值 ),然后與烘干的木屑以 1∶ 3 - 4的固液比投入捏合機(jī)中 ,使充分捏合均勻 ,捏合時(shí)間不小于 1 5分鐘 ,以保證氯化鋅溶液充分進(jìn)入纖維內(nèi)部。若采用其它混合方式 ,如簡(jiǎn)單人工攪拌或靜止浸泡 ,則所需混合時(shí)間應(yīng)延長(zhǎng)。

　　炭化活化 :連續(xù)生產(chǎn)中采用內(nèi)熱式回轉(zhuǎn)爐為炭化活化的主體設(shè)備 ,其熱載體為高溫?zé)煹罋狻鳠岱绞綖?/span> :高溫?zé)煹罋馀c物料呈逆流直接接觸傳熱。物料流動(dòng)方向?yàn)?/span> :從回轉(zhuǎn)爐的高端連續(xù)加入捏合均勻的物料 ,靠回轉(zhuǎn)爐的轉(zhuǎn)動(dòng)與斜度使物料慢慢地由高向低移動(dòng)。由于物料在爐內(nèi)不斷翻轉(zhuǎn)移動(dòng) ,從而保證物料炭化活化均勻 ,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。炭化活化時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度 ,雖提高溫度對(duì)反應(yīng)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(zhì)量的前提下應(yīng)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(shí)間 40分鐘 ,回轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速為 2 - 3轉(zhuǎn) /分。

　　回收 :從回轉(zhuǎn)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(yīng)生成的氧化鋅和氫氧化鋅 ,故需將其進(jìn)行處理 ,目的有兩個(gè) ,一個(gè)是使氧化鋅和氫氧化鋅反應(yīng)變?yōu)榭勺鳛榛罨瘎┑穆然\ ,二是最大限度的回收氯化鋅 ,以循環(huán)使用降低成本。所包含的反應(yīng)為 :

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

Zn O+2 HCl=Zn Cl2 +H2 O

　　采用多級(jí)逆流回收洗滌方法 ,當(dāng)洗液中氯化鋅濃度高達(dá) 40波美度時(shí) ,返回到捏合工段循環(huán)使用。

　　凈化除雜 :因生產(chǎn)中采用的設(shè)備大多為鐵器設(shè)備 ,導(dǎo)致產(chǎn)品中鐵含量超標(biāo) ,故需除鐵.

　　其過(guò)程為 :將回收工段送來(lái)的物料加入除鐵池 (非鐵設(shè)備 ),再加入自來(lái)水使其剛好浸沒(méi)物料 ,然后加入占物料量 4. 5%的工業(yè)鹽酸 ,在 95℃左右間歇攪拌反應(yīng) 2小時(shí)以上 ,最后反復(fù)漂洗、過(guò)濾 ,至洗液達(dá)中性為止。

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

　　粉碎包裝 :國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠大多采用球磨機(jī)進(jìn)行粉碎 ,其產(chǎn)品細(xì)度應(yīng)據(jù)用戶要求進(jìn)行調(diào)整。粒度越小脫色效果越好 ,但粒度過(guò)小影響過(guò)濾速度 ,一般控制在粒徑≥ 1 2 0目為佳。

　　（3）該法優(yōu)缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn) :該法制備的活性炭孔隙率大 ,且可通過(guò)調(diào)整活化劑的濃度生產(chǎn)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(shí)氯化鋅可回收循環(huán)使用。

　　缺點(diǎn) :因在炭化活化時(shí)有部分氯化鋅進(jìn)入大氣 ,另外回收工段使用揮發(fā)性鹽酸 ,兩者對(duì)大氣均有一定程度污染。

2、物理法粉狀木質(zhì)活性炭

　?。?/span>1）、原理

　　用高溫水蒸氣、高溫?zé)煹罋?/span> (CO2 氣體 )及高溫空氣對(duì)炭進(jìn)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(shí)際生產(chǎn)中 ,大多采用高溫水蒸氣作活化劑 ,如我省保定賢臺(tái)活性炭廠即用該法。

　?。?/span>2）、用水蒸氣為活化劑的生產(chǎn)工藝

　　原料炭化 :首先使木質(zhì)原料在 450 - 60 0℃范圍內(nèi)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(yīng)為吸熱反應(yīng) ,當(dāng)系統(tǒng)溫度達(dá) 80 0 - 90 0℃時(shí) ,反應(yīng)開(kāi)始進(jìn)行 ,但由于反應(yīng)吸熱 ,會(huì)使物料溫度低于 80 0℃ ,影響反應(yīng)速度 ,為保證溫度在 80 0 - 90 0℃ ,需補(bǔ)充熱能。因產(chǎn)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(shí)際生產(chǎn)中即利用該部分燃燒熱補(bǔ)償反應(yīng)吸熱造成的熱消耗。炭化活化反應(yīng)在多管活化爐中進(jìn)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(yīng)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(yōu)缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn) :用水蒸氣作活化劑 ,使炭表面純凈 ,因反應(yīng)吸熱 ,不會(huì)使物料在活化中局部過(guò)熱而影響收率 ,同時(shí)該法無(wú)污染、節(jié)省燃料。

　　缺點(diǎn) :因耐火材料和木炭的傳熱系數(shù)小 ,易造成管內(nèi)物料溫度不均 ,活化不一致而影響產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。

　　二、粉狀木質(zhì)活性炭的工藝、技術(shù)改進(jìn)方向

1、生產(chǎn)原料

　　雖用木材作原料制備的活性炭質(zhì)量較好 ,但由于近年來(lái)樹(shù)木的亂砍亂伐 ,再加之包裝、建筑、裝修、一次性衛(wèi)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(guó)木材資源短缺的現(xiàn)狀。為推進(jìn)活性炭行業(yè)的健康發(fā)展 ,我國(guó)有關(guān)部門曾就用不同原料代替木材研制生產(chǎn)活性炭進(jìn)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?xì)?、炭和焦?/span> 〔5〕,用工業(yè)水解渣制備活性炭 〔6〕〔7〕,我校化學(xué)系也曾就本地資源——麥桿、玉米秸代替木材制備活性炭進(jìn)行了大量的研究工作 ,其課題已于 1 999年獲省級(jí)鑒定成果。除此之外也有用甘蔗渣 ,有機(jī)工業(yè)廢料等為原料制備活性炭的報(bào)道。

2、 生產(chǎn)工藝

　　因目前化學(xué)法活性炭大都采用氯化鋅作活化劑 ,因大氣污染問(wèn)題限制了它的發(fā)展 ,故人們?cè)诓粩嗵剿饕云渌鼰o(wú)污染或污染小的活化劑代替氯化鋅的新生產(chǎn)工藝。例有報(bào)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(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定 ,操作條件易控〔9〕,另外據(jù)最新資料報(bào)道 ,用輻射工藝和流態(tài)化工藝制備活性炭的小試研究正在進(jìn)行。

　　隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng) ,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(chǎn)單位進(jìn)行過(guò)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(chǎn)品的脫色力。

3、 生產(chǎn)設(shè)備

　　活化爐是活性炭生產(chǎn)的最主要關(guān)鍵設(shè)備。用回轉(zhuǎn)爐雖操作簡(jiǎn)單、勞動(dòng)強(qiáng)度小、物料活化均勻 ,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)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(diǎn) ,但操作靈活性大 ,污染易解決。如何對(duì)兩者進(jìn)行權(quán)衡 ,有關(guān)專家正對(duì)此進(jìn)行探索 ,相信不久的將來(lái)會(huì)有污染小、機(jī)械化程度高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的高效活化爐問(wèn)世。

　　粉碎干燥設(shè)備是活性炭各生產(chǎn)工藝中必用的設(shè)備。傳統(tǒng)粉碎設(shè)備大多采用不同規(guī)格的礦用球磨機(jī) ,效率低、動(dòng)力消耗大、噪音污染嚴(yán)重 ,目前一些大企業(yè)已改用雷蒙機(jī) ,該機(jī)效率高 ,粉碎均勻 ,濾速快。關(guān)于干燥設(shè)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(zhuǎn)爐式干燥設(shè)備 ,但均存在粉大、效率低的缺點(diǎn) ,有些企業(yè)已改用其它效果更好的設(shè)備 ,例真空干燥、流化沸騰床干噪等。我國(guó)化工部機(jī)械化工研究院下屬的粉碎設(shè)備研究所和干燥設(shè)備研究所每年都有新型設(shè)備研制成功 ,投放市場(chǎng) ,供各企業(yè)參考選用。

　　三、結(jié)語(yǔ)

　　活性炭作為涉及各行各業(yè)吸附脫色的產(chǎn)品 ,近年來(lái)從原料到工藝設(shè)備均有很大的改進(jìn)和發(fā)展 ,但仍還存在不少問(wèn)題 ,需各專業(yè)的人員共同努力 ,以求不斷完善 ,滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。