粉状活性炭的生产方法及工艺技术改进趋势
随着食品、医药、轻工、环保等行业的发展，活性炭作为一种吸附脱色剂，其用量迅速增加。建国初期我国活性炭的年产量仅为 3 0多吨，至1996年，全国生产厂家有二百多个，年产量达13万吨。
根据活性炭的用途不同可将其制成粉状和粒状 ,粒状活性炭又分定型炭（例：柱状、球状等）和非定型；根据生产中所用活化剂的不同又可将其分为物理法活性炭和化学法活性炭：根据生产原料不同亦可分为木质炭和煤质炭，因木质原料孔隙度大，内部细胞组织有许多天然孔隙 (木炭的比表面积为 2 0 6- 42 9m2 / g),使活化剂易进入 ,且接触反应面大易活经 ,而煤则不同(煤制焦炭的比表面积仅为 2 0 - 80 m2 / g),故与活化剂的反应面比木炭小的多。总之 ,以化学法木质粉状活性炭的脱色性能最佳 ,它在水解、发酵、有机合成、制糖、制药、净水和环保等领域 ,用于除去发色体、胶质 ,吸附异味 ,防止液体浑浊 ,除去泡沫 ,提高蒸发结晶速度。例 :我省满城柠檬酸厂、保定磺酸厂、保定化工二厂的木糖车间、邢台植酸厂、石家庄副食二厂的味精车间、赵县葡萄糖厂、华北药厂淀粉分厂、辛集饴糖厂和乳酸厂等均采用粉状木质活性炭作为产品的精制脱色剂。由于其用量大 ,涉及范围广 ,故国内各生产、科研单位不断对其生产工艺、技术、设备等进行探索、研究及改进。
一、粉状木质活性炭的生产方法
1、化学法粉状木质活性炭
（1）原理
化学法活性炭的成熟工艺为氯化锌法 ,国内活性炭生产厂大多采用该法 ,其活化原理为 :氯化锌在炭化活化中有脱水作用 ,使用机木质原料中的氢、氧元素以水的形式逸出 ,如此可降低炭化活化温度 ,改变热解路线 ,另外氯化锌溶液对木质原料有溶解、侵蚀作用 ,故可顺利渗透到原料内部 ,到达木质原料中纤维形成的细孔中 ,以实现完全活化 ,活化过程中氯化锌多数留在炭中起骨架作用 ,而形成的炭则沉积在骨架上 ,当最后用水洗掉氯化锌后 ,则炭形成多孔 ,从而具有吸附、脱色作用。
（2）工艺过程
捏合 :首先将工业品氯化锌配成 45- 50波美度的水溶液 ,其 p H值为 4. 5- 6. 5(指一滴氯化锌溶液溶于 2 5ml蒸馏水中所测值 ),然后与烘干的木屑以 1∶ 3 - 4的固液比投入捏合机中 ,使充分捏合均匀 ,捏合时间不小于 1 5分钟 ,以保证氯化锌溶液充分进入纤维内部。若采用其它混合方式 ,如简单人工搅拌或静止浸泡 ,则所需混合时间应延长。
炭化活化 :连续生产中采用内热式回转炉为炭化活化的主体设备 ,其热载体为高温烟道气。传热方式为 :高温烟道气与物料呈逆流直接接触传热。物料流动方向为 :从回转炉的高端连续加入捏合均匀的物料 ,靠回转炉的转动与斜度使物料慢慢地由高向低移动。由于物料在炉内不断翻转移动 ,从而保证物料炭化活化均匀 ,产品质量稳定。炭化活化时应严格控制反应温度 ,虽提高温度对反应有利 ,但氯化锌的损失量增加 (例 500℃氯化锌的蒸气压为 1 0 mm Hg, 61 0℃为 1 0 0 m m Hg, 73 2℃为760 mm Hg),所以在保证活性炭质量的前提下应尽力降低炭化活化温度。该工段工艺条件控制在 :温度为 450 - 550℃ ,时间 40分钟 ,回转炉转速为 2 - 3转 /分。
回收 :从回转炉中卸出的物料中除含有炭及氯化锌外 ,还含有因高温和水蒸气存在下反应生成的氧化锌和氢氧化锌 ,故需将其进行处理 ,目的有两个 ,一个是使氧化锌和氢氧化锌反应变为可作为活化剂的氯化锌 ,二是最大限度的回收氯化锌 ,以循环使用降低成本。所包含的反应为 :
Zn(OH)2 +2 HCl=Zn Cl2+2 H2 O
Zn O+2 HCl=Zn Cl2 +H2 O
采用多级逆流回收洗涤方法 ,当洗液中氯化锌浓度高达 40波美度时 ,返回到捏合工段循环使用。
净化除杂 :因生产中采用的设备大多为铁器设备 ,导致产品中铁含量超标 ,故需除铁.
其过程为 :将回收工段送来的物料加入除铁池 (非铁设备 ),再加入自来水使其刚好浸没物料 ,然后加入占物料量 4. 5%的工业盐酸 ,在 95℃左右间歇搅拌反应 2小时以上 ,最后反复漂洗、过滤 ,至洗液达中性为止。
脱水 :洗至中性的物料先采用三足离心机或板框压滤机脱除其中大部分水份。然后在转筒干燥机中干燥至水份小于 1 0 %后送去粉碎包装。
粉碎包装 :国内生产厂大多采用球磨机进行粉碎 ,其产品细度应据用户要求进行调整。粒度越小脱色效果越好 ,但粒度过小影响过滤速度 ,一般控制在粒径≥ 1 2 0目为佳。
（3）该法优缺点
优点 :该法制备的活性炭孔隙率大 ,且可通过调整活化剂的浓度生产不同孔径的活性炭 ,另外用氯化锌作活化剂 ,炭化活性温度低、易操作、能耗小 ,同时氯化锌可回收循环使用。
缺点 :因在炭化活化时有部分氯化锌进入大气 ,另外回收工段使用挥发性盐酸 ,两者对大气均有一定程度污染。
2、物理法粉状木质活性炭
（1）、原理
用高温水蒸气、高温烟道气 (CO2 气体 )及高温空气对炭进行活化的方法为物理活化法。其活化原理为 :
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
实际生产中 ,大多采用高温水蒸气作活化剂 ,如我省保定贤台活性炭厂即用该法。
（2）、用水蒸气为活化剂的生产工艺
原料炭化 :首先使木质原料在 450 - 60 0℃范围内炭化完全 ,然后破碎为 2 - 3 0 mm的块待用。
炭化料的活化 :因水蒸气与炭在高温下的反应为吸热反应 ,当系统温度达 80 0 - 90 0℃时 ,反应开始进行 ,但由于反应吸热 ,会使物料温度低于 80 0℃ ,影响反应速度 ,为保证温度在 80 0 - 90 0℃ ,需补充热能。因产物中有氢气和一氧化碳生成 ,而该两种气体均可燃烧放出热量 ,所以实际生产中即利用该部分燃烧热补偿反应吸热造成的热消耗。炭化活化反应在多管活化炉中进行。炭化后的物料从活化炉的炉口加入 ,活化剂水蒸气从活化炉上部通入 ,活化反应完成后 ,活性炭从下部卸出 ,而下部排出的气体送入炉膛中燃烧。
（3）、该法优缺点
优点 :用水蒸气作活化剂 ,使炭表面纯净 ,因反应吸热 ,不会使物料在活化中局部过热而影响收率 ,同时该法无污染、节省燃料。
缺点 :因耐火材料和木炭的传热系数小 ,易造成管内物料温度不均 ,活化不一致而影响产品质量的稳定。
二、粉状木质活性炭的工艺、技术改进方向
1、生产原料
虽用木材作原料制备的活性炭质量较好 ,但由于近年来树木的乱砍乱伐 ,再加之包装、建筑、装修、一次性卫生用具等每年也要消耗掉大量木材 ,而木材资源再生速度很慢 ,少则几年 ,多则十几年或几十年 ,故造成我国木材资源短缺的现状。为推进活性炭行业的健康发展 ,我国有关部门曾就用不同原料代替木材研制生产活性炭进行了大量工作。例如用稻壳制备活性炭 〔4〕,用废弃植物制取可燃气、炭和焦油 〔5〕,用工业水解渣制备活性炭 〔6〕〔7〕,我校化学系也曾就本地资源——麦杆、玉米秸代替木材制备活性炭进行了大量的研究工作 ,其课题已于 1 999年获省级鉴定成果。除此之外也有用甘蔗渣 ,有机工业废料等为原料制备活性炭的报道。
2、 生产工艺
因目前化学法活性炭大都采用氯化锌作活化剂 ,因大气污染问题限制了它的发展 ,故人们在不断探索以其它无污染或污染小的活化剂代替氯化锌的新生产工艺。例有报道用硫酸作活化剂可制备高脱色力的脱色剂 ,且炭化活化温度由氯化锌法的450 - 550℃降为 2 50 - 3 0 0℃ 〔8〕,用磷酸作活化剂 ,可基本消除污染 ,且产品质量稳定 ,操作条件易控〔9〕,另外据最新资料报道 ,用辐射工艺和流态化工艺制备活性炭的小试研究正在进行。
随着人们环保意识的增强 ,物理法活性炭工艺将逐渐被人们所重视 ,为改善物理法活性炭的吸附性能 ,各生产单位进行过不少尝试 ,例如将一次高温水蒸气活化工艺改为两次 ,可显著提高产品的脱色力。
3、 生产设备
活化炉是活性炭生产的最主要关键设备。用回转炉虽操作简单、劳动强度小、物料活化均匀 ,产品质量稳定 ,但因烟道气温度高 ,气相中有部分氯化锌带入而增大消耗 ,若用平板炉 ,虽效率低 ,偶有炭化活化不均等缺点 ,但操作灵活性大 ,污染易解决。如何对两者进行权衡 ,有关专家正对此进行探索 ,相信不久的将来会有污染小、机械化程度高、产品质量稳定的高效活化炉问世。
粉碎干燥设备是活性炭各生产工艺中必用的设备。传统粉碎设备大多采用不同规格的矿用球磨机 ,效率低、动力消耗大、噪音污染严重 ,目前一些大企业已改用雷蒙机 ,该机效率高 ,粉碎均匀 ,滤速快。关于干燥设备 ,大都采用炭化活化炉的余热作干燥热源 ,采用固定箱式或回转炉式干燥设备 ,但均存在粉大、效率低的缺点 ,有些企业已改用其它效果更好的设备 ,例真空干燥、流化沸腾床干噪等。我国化工部机械化工研究院下属的粉碎设备研究所和干燥设备研究所每年都有新型设备研制成功 ,投放市场 ,供各企业参考选用。
三、结语
活性炭作为涉及各行各业吸附脱色的产品 ,近年来从原料到工艺设备均有很大的改进和发展 ,但仍还存在不少问题 ,需各专业的人员共同努力 ,以求不断完善 ,满足国民经济发展的需求。
