高性能凈水活性炭的工藝研究及優(yōu)化

黃濟(jì)民， 溫維麗， 宋秀峰， 杜 平， 趙大力

(山西新華化工有限責(zé)任公司，山西 太原 030008)

針對(duì)目前我國(guó)凈水用活性炭生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模小、制備工藝落后、生產(chǎn)成本高、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、凈水活性炭對(duì)復(fù)雜水質(zhì)污染物吸附性能差、吸附易飽和等問題，提高國(guó)產(chǎn)飲用水深度處理用煤質(zhì)活性炭的品質(zhì)，以適應(yīng)飲用水深度處理市場(chǎng)急需大批高性能活性炭的實(shí)際狀況。通過研究?jī)?yōu)化配比生產(chǎn)原料，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，結(jié)合凈水活性炭生產(chǎn)工藝，研究高性能活性炭生產(chǎn)工藝，研究目標(biāo)是將碘吸附值達(dá)到1 100 mg/g 以上，亞甲基藍(lán)值達(dá)到250 mg/g以上，強(qiáng)度大于92%。

1 高性能活性炭小試研究

為了制備出高性能凈水活性炭，按照凈水活性炭的生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)出了表1幾種工藝方案，并進(jìn)行了小試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見第24頁(yè)表2。

表1 高性能凈水活性炭小試工藝方案

從表2可以看出，ZGY-5工藝即活化前氧化、活化后改性工藝制得的高效活性炭成品性能最優(yōu)，以此工藝確定工藝條件，試制10批小樣，試驗(yàn)結(jié)果見第24頁(yè)表3。

2 高性能凈水活性炭生產(chǎn)工藝優(yōu)化

高性能凈水活性炭生產(chǎn)過程由配煤、磨粉、成型、炭化、預(yù)氧化、活化、熱改性、篩分8個(gè)工序組成。

2.1 配煤工序

由于神府煤、大同煤配合生產(chǎn)的壓塊成型料強(qiáng)度高，炭化、活化工藝過程質(zhì)量易于調(diào)整控制，故配煤工序在神府煤、大同煤按一定比例配煤生產(chǎn)活性炭的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。在小試的基礎(chǔ)上進(jìn)行放大生產(chǎn)試驗(yàn)，進(jìn)行工藝優(yōu)化，從而滿足大生產(chǎn)要求，生產(chǎn)出滿足高性能凈水炭指標(biāo)的產(chǎn)品。為了使成型更加容易，提高活性炭的強(qiáng)度，生產(chǎn)線在用神府煤、大同煤按照一定比例配煤后，再添加一定比例的瀝青。原材料性能指標(biāo)見表4。

表2 不同工藝方案制得的活性炭成品性能

表3 高性能凈水活性炭分析數(shù)據(jù)

表4 原材料性能指標(biāo)

分別選用以下3種配比進(jìn)行放大試驗(yàn)。

①m(神府煤)∶m(大同煤)∶m(瀝青)=85∶10∶5；

②m(神府煤)∶m(大同煤)∶m(瀝青)=80∶15∶5；

③m(神府煤)∶m(大同煤)∶m(瀝青)=80∶10∶10。

磨粉細(xì)度控制在325目(44 μm，下同)70%通過，成型壓力控制在18 MPa，炭化溫度按550 ℃控制，活化溫度控制在900 ℃進(jìn)行。在其他工序工藝條件一定的情況下，試驗(yàn)結(jié)果如表5。

從表5數(shù)據(jù)可以看出，采用3種配比生產(chǎn)出來的高性能活性炭吸附性能均比較高，其中，第②種配方制得的成品指標(biāo)最理想，達(dá)到了課題目標(biāo)要求。

表5 不同配比產(chǎn)品性能

采用配方②繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)過程。

2.2 磨粉工序

按照m(神府煤)∶m(大同煤)∶m(瀝青)=80∶15∶5進(jìn)行配煤，然后進(jìn)行磨粉工序工藝優(yōu)化。成型壓力控制在18 MPa，炭化溫度按550 ℃控制，活化溫度控制在900 ℃進(jìn)行。磨粉細(xì)度控制按①325目70%通過、②325目60%通過、③325目80%通過3種方案進(jìn)行試驗(yàn)，煤粉性能見表6，產(chǎn)品分析指標(biāo)見表7。

表6 煤粉性能

表7 活性炭性能

從表7數(shù)據(jù)可以看出，在成型工藝和后續(xù)炭化、活化工藝一定時(shí)，磨粉細(xì)度越粗，成型料、炭化料和產(chǎn)品的堆積重和強(qiáng)度越低，吸附性能越低；當(dāng)磨粉細(xì)度控制在325目70%通過時(shí)，成型得率高，易成型，成型料強(qiáng)度好，炭化和活化過程中會(huì)形成很好的強(qiáng)度，且微孔、次微孔、中孔均比較發(fā)達(dá)。在成型、炭化、活化工藝一定時(shí)，只有煤粉細(xì)度適中才能生產(chǎn)出強(qiáng)度好，微孔、次微孔及中孔發(fā)達(dá)的高性能凈水活性炭，故磨粉細(xì)度控制在325目70%以上通過。

2.3 成型工序

凈水活性炭采用干法擠壓成型，煤粉通過螺旋輸送機(jī)輸送至兩個(gè)壓輥之間，通過高壓擠壓成塊狀，在成型過程中，壓力對(duì)產(chǎn)品的強(qiáng)度和后續(xù)產(chǎn)品的吸附性能影響較大。按m(神府煤)∶m(大同煤)∶m(瀝青)=80∶15∶5，煤粉325目70%通過進(jìn)行配煤和磨粉，然后進(jìn)行成型工序工藝優(yōu)化。成型壓力按照①15 MPa、②18 MPa、③20 MPa 3種方案分別進(jìn)行控制，其他工藝指標(biāo)不變，所生產(chǎn)活性炭分析結(jié)果見第25頁(yè)表8。

從表8中可以看出，成型壓力越高越易成型，成型料強(qiáng)度越高，在后續(xù)的炭化、活化中易造成強(qiáng)度差的現(xiàn)象，生產(chǎn)過程中損耗高，得率較低；成型壓力控制在18 MPa時(shí)，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品堆積重、強(qiáng)度及吸附性能均較好，均能達(dá)到課題指標(biāo)要求，故確定成型壓力為18 MPa。

表8 不同壓力下凈水炭性能

2.4 炭化工序

炭化是活性炭生產(chǎn)中主要熱處理工序之一。炭化過程屬于原料在隔絕空氣條件下的熱分解過程，隨著溫度的升高，成型料中的有機(jī)物在一定溫度下發(fā)生熱分解和縮聚反應(yīng)，分解產(chǎn)物溢出后形成了一定的初步孔隙，同時(shí)，原料中的黏結(jié)組分在炭化過程中結(jié)焦形成骨架結(jié)構(gòu)，形成一定的強(qiáng)度。按m(神府煤)∶m(大同煤)∶m(瀝青)=80∶15∶5，煤粉325目70%通過，成型壓力18 MPa進(jìn)行配煤、磨粉和成型，然后進(jìn)行炭化工序工藝優(yōu)化。活化溫度控制在880 ℃～960 ℃進(jìn)行，炭化中部溫度分別控制為①500 ℃、②550 ℃、③600 ℃。其他工藝指標(biāo)不變，所生產(chǎn)活性炭分析結(jié)果見表9。

表9 不同炭化溫度下活性炭性能

通過分析結(jié)果可以看出，炭化溫度控制在550 ℃，為最佳炭化工藝。

2.5 活化工序

活化前對(duì)炭化料進(jìn)行氧化改性，氧化溫度350 ℃，活化溫度880 ℃～960 ℃，炭化中部溫度分別控制在①500 ℃、②550 ℃、③600 ℃，活化料通貧氧熱進(jìn)行熱改性。改性后活性炭指標(biāo)見表10。

表10 改性后活性炭分析結(jié)果

從表10中可以看出，炭化溫度較低時(shí)，成品強(qiáng)度較低，炭化溫度越高，炭化料強(qiáng)度越高，但溫度過高時(shí)，炭顆粒表面會(huì)燒焦，不利于活化過程的進(jìn)行，當(dāng)炭化溫度控制在550 ℃時(shí)，可生產(chǎn)出指標(biāo)優(yōu)良的高性能凈水活性炭產(chǎn)品。

2.6 生產(chǎn)線活化前氧化、活化后改性新工藝的工藝穩(wěn)定性試驗(yàn)

以確定的活化前氧化、活化后改性的新工藝在生產(chǎn)線上進(jìn)行了工藝穩(wěn)定性考核試驗(yàn)，試驗(yàn)共生產(chǎn)了8批，試驗(yàn)結(jié)果見表11。

表11 新工藝穩(wěn)定性考核試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.7 總體工藝

活化過程在斯列普爐內(nèi)進(jìn)行，采用物理法活化，在斯列普爐內(nèi)，通過高溫水蒸氣、煙道氣和炭直接接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來進(jìn)行造孔，從而生產(chǎn)出孔隙發(fā)達(dá)的活性炭。由于多年來已形成固定的活化工藝，故生產(chǎn)過程中直接沿用原工藝，只是在活化后期在冷卻帶內(nèi)增加了熱改性過程。

總體生產(chǎn)工藝：原料配比：m(神府煤)∶m(大同煤)∶m(瀝青)=85∶10∶5；磨粉：細(xì)度325目70%通過；成型：成型壓力18 MPa；炭化：炭化中部溫度(550±10) ℃；預(yù)氧化：(350±20) ℃；活化：活化溫度880 ℃～960 ℃，蒸汽壓力0.35 MPa～0.45 MPa；熱改性：通貧氧熱空氣逐步冷卻，時(shí)間延長(zhǎng)25 min。

總體工藝確定后，在生產(chǎn)線按此工藝生產(chǎn)出來的前4批高效活性炭性能指標(biāo)如表12。

表12 高性能凈水炭大生產(chǎn)抽樣分析數(shù)據(jù)

對(duì)制備出的高性能活性炭進(jìn)行了孔隙結(jié)構(gòu)分析，見第26頁(yè)表13，掃描電鏡圖見第26頁(yè)圖1。

3 結(jié)語(yǔ)

1) 通過本試驗(yàn)研究，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，凈水活性炭碘吸附值達(dá)到了1 120 mg/g以上、亞甲基藍(lán)吸附值達(dá)到了260 mg/g以上。

表13 高性能活性炭小樣的孔隙結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)

圖1 高性能凈水活性炭電鏡結(jié)構(gòu)圖

2) 通過小試及大生產(chǎn)的開展，為公司新產(chǎn)品開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

3) 通過高性能凈水活性炭的研究，對(duì)開發(fā)神府煤、大同煤配煤生產(chǎn)活性炭擴(kuò)大了新的應(yīng)用領(lǐng)域。