酸堿脫灰工藝對提高煤基活性炭吸附性能的探索

梁苗苗

活性炭作為一種優良的吸附劑，除具有獨特的孔隙結構外，還有較多的表面活性官能團，足夠的化學穩定性、機械強度及耐酸、耐堿、耐熱等性能，不溶于水和有機溶劑，使用失效后容易再生，因此，活性炭的應用領域非常廣泛，在食品、化工、環保、醫藥等領域均發揮著重要的作用。然而，在制備過程中，一些無機鹽和金屬氧化物等灰分的存在會嚴重影響煤基活性炭的吸附性能，不同領域的應用對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。

煤基活性炭的灰分幾乎全部來自原料煤。在制備過程中，灰分中多數無機質對活化過程中的造孔有不利影響；在產品的使用過程中，灰分在氣相吸附時是惰性物質，在液相吸附時，灰分含量的多少也會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生成易溶于水的硅酸鹽、硅鋁酸鹽復合物可將二氧化硅，氧化鋁去除，再將堿洗反應的不足的活性炭產品放入一定濃度的鹽酸溶液中浸洗，然后用堿液或水洗進行中和，將PH值調到需要的范圍，最后進行干燥脫水。該工藝一般能脫除3%～10%的灰分。

1 活性炭灰分對吸附性能的影響

活性炭吸附性能的好壞可通過吸附指標來評定，常用吸附指標主要有：碘吸附值、四氯化碳吸附值、亞甲藍吸附值。碘吸附值用來表示活性炭對液體物質的吸附能力，四氯化碳吸附值用來表示活性炭對氣體物質的吸附能力，亞甲藍吸附值是用來表示活性炭脫色能力的。這三種指標越高，表明活性炭的吸附能力越強。

在產品的使用過程中，灰分含量對吸附性能的影響較大?；钚蕴恐械幕曳衷跉庀辔綍r是惰性物質，在液相吸附時，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、氧化鐵對化學吸附沒有活化作用，但經過氫氟酸處理，鈉會失去。鈉是在氧化中催化活性炭的活化物質。由于灰分的存在，在吸附器內可能發生許多不必要的催化反應[3]。

國內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數大致分為1%、3%、5%、8%、及10%以上不同等級。價格較為理想的是灰分含量在8%以下的產品，而灰分含量分數在8%以上的產品與8%產品差價超過1000 元/t，與其他更優等級的產品差價更高。廣泛用于醫藥、食品等領域的木質和果殼活性炭的灰分為1%-4%，要實現煤基活性炭代替木質和果殼活性炭，必須對煤基活性炭進行深度脫灰處理，提高煤基活性炭的品質。[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）堿液通過堿洗反應生成易溶于水的硅酸鹽、硅鋁酸鹽復合物可將SiO2，Al2O3去除。然而CaO，MgO，Fe2O3等與NaOH發生堿洗反應時因會生成不溶性的氫氧化物致使CaO，MgO，Fe2O3等不能被徹底去除，這也正是堿洗反應的不足之處。倘若將其再經過酸洗處理后，則這些不溶性的氫氧化物可以與酸洗液發生酸洗反應，通常選用鹽酸作為酸洗液，將其轉換成水溶性的物質，最終通過酸堿洗聯合活化工藝，達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 酸堿脫灰技術探索實驗研究

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提高煤基活性炭吸附性能的探索。

3.2 實驗方案

3.2.1 實驗分析

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、酸堿處理時間、酸堿處理溫度等。本論文主要選取堿處理溫度和時間以及酸處理溫度和時間四個影響因素展開了相關的研究測試。實驗過程分為以下幾個步驟：

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

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

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

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

（5）酸處理時間的影響：控制煤基活性炭的堿處理溫度為150℃，堿處理時間為120 min；然后進行酸處理：控制酸處理時間為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比圖。

表1 煤質活性炭吸附性能結果分析

3.2.2 實驗結果

（1）堿液處理時間和溫度對煤基活性炭吸附性能的影響分析

考察了堿液的處理時間和處理溫度對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生的堿洗反應是一個液體與固體之間的反應，表現為液體逐漸侵蝕固體的過程，隨著反應的進行，活性炭表面灰分隨之減少，促使堿液進入活性炭內部并與其中的灰分繼續發生反應，導致活性炭具有多孔狀的結構特點。圖表1中試驗的數據1是未經過酸堿脫灰處理的數據，對比實驗1.2,3,4的數據，當堿處理時間位于60-180 min范圍內時，活性炭對碘和亞甲藍的吸附值均出現先增大后減小的趨勢[2]，因此本實驗堿液處理的最佳時間為120 min。對比表1中實驗1,3,5,6的數據，可知150℃時為本實驗堿處理的最佳溫度。

（2）酸處理時間和溫度對煤基活性炭吸附性能的影響分析

隨著酸洗反應的進行，酸液中氫離子（H+）能與活性炭中金屬雜質反應生成可溶性鹽類，同時還可將上一步堿洗反應產生的不溶性物質溶解，徹底地去除活性炭中的灰分，提高活性炭的吸附性能。同理，通過對比表1中的實驗1,3,7,8以及1,3,9,10的數據，可知最佳酸處理時間和溫度分別為120 min和80℃。

（3）總結

在實驗中可以發現，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 推廣應用

煤基活性炭深度脫灰法是工業脫灰的未來發展方向，活性炭深度脫灰處理的酸堿脫灰法在實驗中取得了一定進展,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雜、消耗大、成本高且廢水污染嚴重等問題,要想推廣應用環保設施方面還需加強。同時還要綜合分析考慮用戶要求、設備投資及現有工藝的改進難度等因素，選擇脫灰工藝。