精細(xì)化工生產(chǎn)中活性炭的使用技術(shù)以及經(jīng)驗(yàn)

張永林 王繼生 杜建平

【摘 要】詳細(xì)介紹了精細(xì)化工生產(chǎn)中活性炭的選擇原則、應(yīng)用技術(shù)、有效經(jīng)驗(yàn)以及綜合效果。

【關(guān)鍵詞】活性炭；選擇原則；技術(shù)的使用；有效經(jīng)驗(yàn)；綜合效應(yīng)

一、活性炭的分類與作用

活性炭通常分為洗滌碳、粉末碳以及顆粒碳。低可溶性灰分產(chǎn)品要求使用的活性炭，需要進(jìn)行洗滌，即得到所謂的洗炭。

當(dāng)使用要求活性炭具有很強(qiáng)的脫色能力的時(shí)候，通常情況下都是采取粉碎處理后的活性炭，即所謂的粉炭，對(duì)于既要求活性炭有一定的吸附能力，又要求其具有一定的機(jī)械強(qiáng)度的時(shí)候，通常在現(xiàn)場中使用粒炭，即顆粒狀的活性炭。

精細(xì)化工產(chǎn)品或半成品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物或雜質(zhì)在目前工業(yè)現(xiàn)場中，常常按照其所需要達(dá)到的品質(zhì)需求進(jìn)行過濾、重結(jié)晶、精餾以及其他物理手段進(jìn)行處理。即便采用如還原、沉淀、氧化以及絡(luò)合掩蔽等化學(xué)處理方法進(jìn)行處理，依然存在雜質(zhì)影響成品質(zhì)量，很難分離以及去除，且難以分析。這些雜質(zhì)會(huì)影響成品的物理特性以及外觀變化，如顏色、氣味、粘性以及起泡性。它也可能引起諸如過濾緩慢或困難、乳液形成、結(jié)晶過程緩慢以及產(chǎn)率降低、濃縮或蒸餾純化過程中泡沫形成等問題。

用合適的活性炭處理成品通常可以消除或減輕上述缺點(diǎn)，甚至還能都得到一些額外的綜合效果。例如，在某些時(shí)候回使得結(jié)晶體的晶形與熔點(diǎn)、折射率、沸點(diǎn)、以及蒸汽壓等物理參數(shù)更接近理論值，還能夠大幅提高產(chǎn)品的透明度，改善成品的初始潮解現(xiàn)象。

二、活性炭的選擇原則以及使用經(jīng)驗(yàn)

當(dāng)用活性炭脫色以及精制成品時(shí)，通常將粉末炭與待處理的料液充分混合后（成品完全溶解在溶劑中），將粉末炭分開過濾以脫色料液。此時(shí)，粉末碳的脫色能力通過消除成品中不必要噪聲的程度來測量。為了獲得更好的結(jié)果，必須根據(jù)產(chǎn)品特性以及生產(chǎn)工藝條件選擇最合適的活性炭。

活性炭的選擇原則可以概括如下：首先，必須明確料液中的顏色是產(chǎn)品本身自帶的顏色還是產(chǎn)品中混雜的雜質(zhì)的固有特性；除此之外活性炭的功能是脫色而不是褪色，此外，活性炭用量影響產(chǎn)品的生產(chǎn)率。粉末碳的量不僅根據(jù)要精煉的品種而變化，而且根據(jù)制備粉末碳的原料（包括使用的活化劑）而變化，其取值范圍通常很大，在之間變化，因此其選擇非常困難。不過，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，作用于無機(jī)鹽品種精制以及脫色的活性炭用量通常比較接近0.1%，而用于有機(jī)物種的碳量接近上限（例如，在L（-）-胱氨酸的生產(chǎn)中，常常使用的活性炭粉進(jìn)行粗制晶體的脫色）[1]。最后，當(dāng)使活性炭進(jìn)行有效脫色操作的時(shí)候，需要探索工藝條件，如溫度、pH值、濃度、時(shí)間以及攪拌速度。這一點(diǎn)在下面描述。

（一）溫度

提高溫度對(duì)于提高活性炭脫色作用的原理能夠解釋如下：溫度的升高會(huì)使得液體的粘度降低，引起料液中的溶質(zhì)分子擴(kuò)散作用增強(qiáng)，導(dǎo)致碳孔中吸附氣體的置換速度加快，從而提高產(chǎn)品的脫色效果。當(dāng)大多數(shù)產(chǎn)品被脫色和精制時(shí)，最佳溫度為90-95℃，沸騰也可以進(jìn)行。

當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)，一些產(chǎn)品可以提高脫色效果，但是當(dāng)溫度高于該值后，進(jìn)料液體的顏色逐漸變暗為黑色。這種現(xiàn)象通常可以歸因于這樣一個(gè)事實(shí)，即進(jìn)料液體含有容易被熱分解或氧化的組分。同時(shí)，從動(dòng)力學(xué)的角度來看，也應(yīng)該考慮粉末碳對(duì)副反應(yīng)的催化作用。因此，在這種情況下，最佳pH值通常處于中間溫度。

（二）pH值

pH<7時(shí)脫色效果通常是理想的。脫色的最佳pH值主要取決于待處理材料的特性。因此，活性炭也可以用于在酸性pH范圍內(nèi)不允許脫色的材料的脫色。

當(dāng)某一料液不允許用最佳pH值（從實(shí)驗(yàn)中獲得）脫色時(shí)，料液的pH值可以暫時(shí)調(diào)節(jié)到最佳pH值，然后在脫色完成后恢復(fù)到中性。添加化學(xué)物質(zhì)來調(diào)節(jié)pH值的方法通常會(huì)引入不需要的離子或成分，但這種方法仍然適用于脫色后的結(jié)晶或蒸餾操作。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)成品在不同處理階段以不同形式出現(xiàn)時(shí)，有必要充分利用由于pH值的“轉(zhuǎn)變”而可能出現(xiàn)的最佳脫色pH值。例如，當(dāng)制備有機(jī)酸時(shí)，鹽的形成通常先于酸的形成。有機(jī)酸鹽通常形成堿性環(huán)境，由于水解作用，這不利于脫色，而雜質(zhì)如Fe2、Zn2等。從碳中釋放出來也不利于酸性環(huán)境中的脫色。此時(shí)，如果我們想“捕捉”從鹽到有機(jī)酸的轉(zhuǎn)變，即在有利的中間pH值下用活性炭脫色，我們可以同時(shí)避免上述兩個(gè)缺點(diǎn)。[2]

（三）濃度

待脫色液的濃度將從某種程度上直接影響，活性炭脫色的效果，諸如，蔗糖原漿在濃溶液狀態(tài)下，用活性炭進(jìn)行脫色的效果，顯著優(yōu)于用稀溶液進(jìn)行脫色的效果，而乳酸鈉則是稀溶液的脫色效果要，顯著優(yōu)于濃溶液，對(duì)于甘油而言，活性炭在濃溶液中可以有效的進(jìn)行蛋白質(zhì)雜質(zhì)的去除工作，但是脫色操作則應(yīng)該采用甘油的稀溶液進(jìn)行。

（四）時(shí)間

脫色率在初始階段較快，然后開始減慢，特別是當(dāng)大分子材料用活性炭脫色時(shí)。有一個(gè)“吸附-解吸”的動(dòng)態(tài)平衡過程。如果對(duì)于同一種料液進(jìn)行脫色，顆粒碳比粉末碳需要更長的時(shí)間。這是因?yàn)椋挤壑恍枰c料液進(jìn)行充分的攪拌混合，就能夠在在兩小時(shí)內(nèi)達(dá)到最大脫色效果。對(duì)于特殊品種（不易脫色的材料），為了保證脫色效果以及提高產(chǎn)品質(zhì)量，應(yīng)該適當(dāng)延長脫色時(shí)間。

（五）攪拌狀況

對(duì)于容易脫色以及需要精制的材料（如磷酸鹽、銨鹽、硼酸鹽、硫酸鹽以及鉀鈉鹽等），添加粉末活性炭后，通常只需要在中低攪拌速度（低于60r/min）下進(jìn)行相關(guān)操作。對(duì)于難脫色的料液以及顏色較深的母液（如氨基酸、鉬酸鹽以及鎢酸鹽母液，重復(fù)使用后），不僅要采用脫色能力強(qiáng)的活性炭品種（如味精脫色碳、骨碳以及血碳粉），增加活性炭的用量，延長料液的沸騰時(shí)間，還要采用中速以及快速攪拌（80r/min以上）進(jìn)行相關(guān)操作。

當(dāng)處理的料液的粘度不同時(shí)，選用的攪拌器型式也不同。通常來說，旋槳式攪拌器適合用于粘度較小的料液之中；槳式攪拌器可應(yīng)用于粘度較大的料液；渦輪式攪拌器適用于高強(qiáng)度的攪拌場合。

三、運(yùn)用活性炭提純產(chǎn)品的綜合效果

（一）結(jié)晶操作

產(chǎn)品的脫色以及結(jié)晶的操作同時(shí)進(jìn)行能夠提升結(jié)晶體的產(chǎn)品質(zhì)量，因?yàn)樵诮Y(jié)晶過程中，操作人員需要把雜質(zhì)與晶體分離，使其保留在母液之中，從而得到生產(chǎn)所需的最終浸提，這一步驟的操作能夠高純凈晶體的析出率，能夠顯著提高晶體的生產(chǎn)率。

當(dāng)原料液中的可吸附雜質(zhì)較大時(shí)，在目前的工業(yè)現(xiàn)場實(shí)踐中常常采用重結(jié)晶的方法。此時(shí)，如果使用了活性炭進(jìn)行脫色處理，就能夠減少進(jìn)行重結(jié)晶的次數(shù)，降低生產(chǎn)成本。必須指出，當(dāng)在結(jié)晶操作之前用活性炭處理工藝液體時(shí)，重要的是將進(jìn)料液體的濃度保持在“飽和點(diǎn)”以下。否則，會(huì)導(dǎo)致溶液自發(fā)結(jié)晶，降低結(jié)晶操作的產(chǎn)率。

（二）蒸餾操作

活性炭脫色以及蒸餾的聯(lián)合作用可以通過純化甘油來解釋。雖然蒸餾可以提高甘油的質(zhì)量，但是即使蒸餾兩次的甘油仍然會(huì)有顏色以及氣味。蒸餾后的甘油應(yīng)該用活性炭進(jìn)行脫色以及除臭過程，特別是經(jīng)過兩次真空蒸餾后的甘油，效果更好。

普通的甘油能夠在60到80攝氏度時(shí)用活性炭進(jìn)行提純處理，每次提純處理，都使用新炭為經(jīng)過二次蒸餾的甘油進(jìn)行脫色，在這一階段，過濾出的活性炭可以用于粗制甘油的第一次蒸餾過程，蒸餾提純過程中能夠有效的消除甘油蒸餾過程中形成的泡沫，并提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

【參考文獻(xiàn)】

[1]秦玉楠.年產(chǎn)50tL-胱氨酸及其母液綜合利用新工藝操作規(guī)程[J].成都化工，1991.

[2]秦玉楠.化學(xué)產(chǎn)品提凈的生產(chǎn)技術(shù)及其操作經(jīng)驗(yàn)（技術(shù)培訓(xùn)教材）[M].2001.