酸堿脫灰工藝對(duì)提高煤基活性炭吸附性能的探索

梁苗苗

活性炭作為一種優(yōu)良的吸附劑，除具有獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)外，還有較多的表面活性官能團(tuán)，足夠的化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度及耐酸、耐堿、耐熱等性能，不溶于水和有機(jī)溶劑，使用失效后容易再生，因此，活性炭的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在食品、化工、環(huán)保、醫(yī)藥等領(lǐng)域均發(fā)揮著重要的作用。然而，在制備過程中，一些無機(jī)鹽和金屬氧化物等灰分的存在會(huì)嚴(yán)重影響煤基活性炭的吸附性能，不同領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)活性炭中的灰分含量有特定的要求，因而除去活性炭中的灰分顯得尤為重要。其中，酸堿脫灰工藝是一種非常有效的脫灰技術(shù)。

煤基活性炭的灰分幾乎全部來自原料煤。在制備過程中，灰分中多數(shù)無機(jī)質(zhì)對(duì)活化過程中的造孔有不利影響；在產(chǎn)品的使用過程中，灰分在氣相吸附時(shí)是惰性物質(zhì)，在液相吸附時(shí)，灰分含量的多少也會(huì)有不同程度的不利影響。煤基活性炭的脫灰工藝可分為前期、中期、后期，酸堿脫灰工藝屬后期活性炭脫灰工藝。該工藝是在活化過程以后，一般選用氫氧化鈉堿液通過堿洗反應(yīng)生成易溶于水的硅酸鹽、硅鋁酸鹽復(fù)合物可將二氧化硅，氧化鋁去除，再將堿洗反應(yīng)的不足的活性炭產(chǎn)品放入一定濃度的鹽酸溶液中浸洗，然后用堿液或水洗進(jìn)行中和，將PH值調(diào)到需要的范圍，最后進(jìn)行干燥脫水。該工藝一般能脫除3%～10%的灰分。

1 活性炭灰分對(duì)吸附性能的影響

活性炭吸附性能的好壞可通過吸附指標(biāo)來評(píng)定，常用吸附指標(biāo)主要有：碘吸附值、四氯化碳吸附值、亞甲藍(lán)吸附值。碘吸附值用來表示活性炭對(duì)液體物質(zhì)的吸附能力，四氯化碳吸附值用來表示活性炭對(duì)氣體物質(zhì)的吸附能力，亞甲藍(lán)吸附值是用來表示活性炭脫色能力的。這三種指標(biāo)越高，表明活性炭的吸附能力越強(qiáng)。

在產(chǎn)品的使用過程中，灰分含量對(duì)吸附性能的影響較大?；钚蕴恐械幕曳衷跉庀辔綍r(shí)是惰性物質(zhì)，在液相吸附時(shí)，灰分中氧化物及堿金屬鹽的含量有不同程度的不利影響。二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵對(duì)化學(xué)吸附?jīng)]有活化作用，但經(jīng)過氫氟酸處理，鈉會(huì)失去。鈉是在氧化中催化活性炭的活化物質(zhì)。由于灰分的存在，在吸附器內(nèi)可能發(fā)生許多不必要的催化反應(yīng)[3]。

國內(nèi)外活性炭銷售常以灰分含量的多少分檔次。目前，商品活性炭按照灰分的含量分?jǐn)?shù)大致分為1%、3%、5%、8%、及10%以上不同等級(jí)。價(jià)格較為理想的是灰分含量在8%以下的產(chǎn)品，而灰分含量分?jǐn)?shù)在8%以上的產(chǎn)品與8%產(chǎn)品差價(jià)超過1000 元/t，與其他更優(yōu)等級(jí)的產(chǎn)品差價(jià)更高。廣泛用于醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域的木質(zhì)和果殼活性炭的灰分為1%-4%，要實(shí)現(xiàn)煤基活性炭代替木質(zhì)和果殼活性炭，必須對(duì)煤基活性炭進(jìn)行深度脫灰處理，提高煤基活性炭的品質(zhì)。[3]

2 酸堿脫灰工藝的原理

煤基活性炭中的灰分的主要成分為金屬氧化物，如二氧化硅（SiO2），氧化鋁（Al2O3），氧化鈣（CaO），氧化鎂（MgO），氧化鐵（Fe2O3）等，一般選用氫氧化鈉（NaOH）堿液通過堿洗反應(yīng)生成易溶于水的硅酸鹽、硅鋁酸鹽復(fù)合物可將SiO2，Al2O3去除。然而CaO，MgO，F(xiàn)e2O3等與NaOH發(fā)生堿洗反應(yīng)時(shí)因會(huì)生成不溶性的氫氧化物致使CaO，MgO，F(xiàn)e2O3等不能被徹底去除，這也正是堿洗反應(yīng)的不足之處。倘若將其再經(jīng)過酸洗處理后，則這些不溶性的氫氧化物可以與酸洗液發(fā)生酸洗反應(yīng)，通常選用鹽酸作為酸洗液，將其轉(zhuǎn)換成水溶性的物質(zhì)，最終通過酸堿洗聯(lián)合活化工藝，達(dá)到去除活性炭中灰分的目的。圖1為酸堿活化工藝的示意圖。

圖1 酸堿脫灰工藝的示意圖

3 酸堿脫灰技術(shù)探索實(shí)驗(yàn)研究

3.1 材料分析

研究中，選擇山西大同精洗煤，研究酸堿脫灰工藝對(duì)提高煤基活性炭吸附性能的探索。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

3.2.1 實(shí)驗(yàn)分析

影響酸堿活化工藝脫灰效率的主要因素有許多，如酸堿液的濃度、酸堿處理時(shí)間、酸堿處理溫度等。本論文主要選取堿處理溫度和時(shí)間以及酸處理溫度和時(shí)間四個(gè)影響因素展開了相關(guān)的研究測(cè)試。實(shí)驗(yàn)過程分為以下幾個(gè)步驟：

（1）選取由山西大同精洗煤制備的煤基活性炭，將其經(jīng)酸堿液處理[1]，其中氫氧化鈉的濃度為3.0 mol/L，鹽酸濃度為5.0 mol/L，采用控制變量法進(jìn)行相關(guān)研究。

（2）堿處理時(shí)間的影響：控制煤基活性炭的堿處理溫度為150℃，改變堿處理時(shí)間（60 min，120 min，180 min）；然后進(jìn)行酸處理：酸處理溫度為80℃，酸處理時(shí)間為60 min；

（3）堿處理溫度的影響：控制煤基活性炭的堿處理時(shí)間為120 min，改變堿處理溫度為（100℃，150℃，200℃）；然后進(jìn)行酸處理：酸處理溫度為80℃，酸處理時(shí)間為60 min；

（4）酸處理時(shí)間的影響：控制煤基活性炭的堿處理溫度為150℃，堿處理時(shí)間為120 min；然后進(jìn)行酸處理：控制酸處理溫度為80℃，改變酸處理時(shí)間（60 min，120 min，180 min）；

（5）酸處理時(shí)間的影響：控制煤基活性炭的堿處理溫度為150℃，堿處理時(shí)間為120 min；然后進(jìn)行酸處理：控制酸處理時(shí)間為60 min，改變酸處理溫度（50℃，80℃，100℃）。

表1展示了由山西大同精洗煤制備的煤基活性炭吸附性能的對(duì)比圖。

表1 煤質(zhì)活性炭吸附性能結(jié)果分析

3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）堿液處理時(shí)間和溫度對(duì)煤基活性炭吸附性能的影響分析

考察了堿液的處理時(shí)間和處理溫度對(duì)煤基活性炭吸附性能的影響，堿液與活性炭中的灰分之間發(fā)生的堿洗反應(yīng)是一個(gè)液體與固體之間的反應(yīng)，表現(xiàn)為液體逐漸侵蝕固體的過程，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，活性炭表面灰分隨之減少，促使堿液進(jìn)入活性炭?jī)?nèi)部并與其中的灰分繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致活性炭具有多孔狀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。圖表1中試驗(yàn)的數(shù)據(jù)1是未經(jīng)過酸堿脫灰處理的數(shù)據(jù)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)1.2,3,4的數(shù)據(jù)，當(dāng)堿處理時(shí)間位于60-180 min范圍內(nèi)時(shí)，活性炭對(duì)碘和亞甲藍(lán)的吸附值均出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)[2]，因此本實(shí)驗(yàn)堿液處理的最佳時(shí)間為120 min。對(duì)比表1中實(shí)驗(yàn)1,3,5,6的數(shù)據(jù)，可知150℃時(shí)為本實(shí)驗(yàn)堿處理的最佳溫度。

（2）酸處理時(shí)間和溫度對(duì)煤基活性炭吸附性能的影響分析

隨著酸洗反應(yīng)的進(jìn)行，酸液中氫離子（H+）能與活性炭中金屬雜質(zhì)反應(yīng)生成可溶性鹽類，同時(shí)還可將上一步堿洗反應(yīng)產(chǎn)生的不溶性物質(zhì)溶解，徹底地去除活性炭中的灰分，提高活性炭的吸附性能。同理，通過對(duì)比表1中的實(shí)驗(yàn)1,3,7,8以及1,3,9,10的數(shù)據(jù)，可知最佳酸處理時(shí)間和溫度分別為120 min和80℃。

（3）總結(jié)

在實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，通過酸堿脫灰工藝處理煤基活性炭，可以有效脫灰，大大提升活性炭的吸附性能，制備出較高性能的活性炭。

4 推廣應(yīng)用

煤基活性炭深度脫灰法是工業(yè)脫灰的未來發(fā)展方向，活性炭深度脫灰處理的酸堿脫灰法在實(shí)驗(yàn)中取得了一定進(jìn)展,大大提升了活性炭的吸附性能但酸堿脫灰法一般存在工藝流程復(fù)雜、消耗大、成本高且廢水污染嚴(yán)重等問題,要想推廣應(yīng)用環(huán)保設(shè)施方面還需加強(qiáng)。同時(shí)還要綜合分析考慮用戶要求、設(shè)備投資及現(xiàn)有工藝的改進(jìn)難度等因素，選擇脫灰工藝。