粉末活性炭和炭基粉末催化剂及其与液体的精密过滤

宋显洪 宋志黎

（上海洪利净化科技有限公司)

过滤与分离

粉末活性炭和炭基粉末催化剂及其与液体的精密过滤

宋显洪*宋志黎

（上海洪利净化科技有限公司)

叙述了粉末炭的特点，介绍了最近十年来为解决这些难题在精密过滤领域所取得的主要进展。

粉末活性炭 炭基粉末催化剂 精密过滤 过滤机 颗粒

粉末活性炭是脱色效率非常高的脱色吸附剂。炭基粉末催化剂是催化功能很强的粉末催化剂。吸附与催化都是发生在固液两相的界面。界面面积愈大，吸附与催化的功能就愈大，速度也愈快。但是，界面面积愈大，粉末就愈细，后期的固液分离就愈困难。如不将粉末高效分离出来，就会导致终端产品的质量与收率下降。20世纪80年代至90年代，我国出口产品退货的事例很多， “漏炭”导致产品返工现象更多。这些都是由于我国企业粉末活性炭过滤装置相当落后造成的。工业发达国家一般采用三级串联过滤装置，漏炭现象基本解决，但设备及其操作步骤均增加，操作成本也上升。国内企业除了少数要求很高的领域采用这种多级串联技术外，大多数企业都不采用这种方法。

为了解决这一量大面广的生产难题，我们于本世纪初开始，从超细微粒的过滤机理、过滤规律、滤材配方、精密滤饼过滤机新的结构及其工业生产应用等方面进行了长达十年的全方位研发，对这一生产上的难题取得了突破性进展。至今，全国已有近2000台不同规格的新型粉末活性炭过滤机在制药和精细化工企业长期应用。有200多台新型炭基粉末催化剂过滤机在制药、农药及精细化工企业应用，其中Ø2.8～3.3 m大型炭基粉末催化剂过滤机就有20多台。十年来，这些新型滤材和新型过滤机已获得多项发明专利与实用新型专利。这些技术不仅广泛用于粉末活性炭与炭基粉末催化剂领域，也在许多其他行业的超细粉体生产上获得了应用。

1 粉末活性炭和炭基粉末催化剂在过滤时的特性

1.1 粉末颗粒中亚微米级微粒的个数占90%以上

表1给出了常用的767药用粉末活性炭与一种草甘膦生产用的钯炭粉体颗粒分别按体积分布和个数分布的粒度分布测定值。

由表1可见，767药用粉末活性炭，按体积分布（亦即按质量分布），其平均粒径为3.79 μm，只有3%的颗粒粒径小于0.53 μm，10%的颗粒粒径小于0.87 μm，粉体中细颗粒质量比例并不大。但从表1中767药用粉末活性炭按个数分布的测定数据，其平均粒径为0.17 μm，3%的颗粒数粒径小于0.006 6 μm，10%的颗粒数粒径小于0.022 μm，甚至有50%的颗粒数粒径小于0.056 μm，即小于56 nm。草甘膦生产用的一种钯炭，按体积分布，平均粒径为 2.92 μm，3%的颗粒粒径小于 0.46 μm，似乎并不太细。但从按个数分布的测定数据看，平均粒径为0.395 μm，3%的颗粒数粒径小于0.1 μm，50%的颗粒数粒径小于0.25 μm。从表1的数据可知，两种粉末炭90%的颗粒数粒径均小于1 μm，这些粉体应属于亚微米级粉体。

表1 767药用粉末活性炭和一种草甘膦生产用钯炭的粉体粒度测定值

1.2 细炭微粒易在滤饼层和滤材的毛细孔内穿移

粉末炭颗粒表面无水化层，压缩性很小，基本属亚刚性颗粒。由这些炭粉形成的滤饼基本为不可压缩性。按体积分布计，50%的粉末炭其颗粒粒径不小于2 μm。这些炭颗粒过滤时形成的滤饼层，其平均比阻一般不会大。表2给出六种化学脱色液与粉末活性炭及一种化学反应液与钯炭过滤时所形成的炭粉滤饼层的平均比阻测定值。除了某一发酵液滤液与粉末活性炭过滤时所形成的滤饼其平均比阻较大、达1015数量级外（这是由于该发酵液滤液在脱色过滤时，滤液中的可溶性蛋白质大量析出造成的），其他基本只有1013和1014数量级。每一个滤饼层的平均比阻值，都对应一个该滤饼层的平均毛细孔孔径值。根据我们多年的测定，滤饼层的平均比阻与滤饼层的平均毛细孔孔径基本上在表3所示的数量级范围内。

表2 粉末活性炭和液体在不同压差下的平均比阻值

在过滤初期，这些滤饼层的平均毛细孔径不会小于1 μm，一般都大于3 μm。由表1数据可知，小于1 μm的亚微米级细颗粒的质量并不多，但按颗粒个数分布数可知，小于1 μm的亚微米级颗粒数占总的颗粒数的90%以上。过滤起动后不久，滤饼层逐渐加厚，但滤饼层的毛细孔径都比较大。这些亚微米级的细颗粒，尤其是小于0.5 μm的细颗粒，在滤液流的推动下，都会在滤饼层的毛细孔内向前滑移，很容易穿过整个滤饼层，进入滤材的毛细孔内，不仅会堵塞滤材，一些细颗粒还会穿过滤材的毛细孔进入滤液内，导致生产上最头痛的漏炭事故。

表3滤饼层平均比阻与平均毛细孔径之间的数量级关系

1.3过滤温度过高造成漏炭和滤材损坏

活性炭脱色与钯炭的催化反应的温度都较高，一般都大于100℃。脱色后和催化反应后的过滤分离阶段，操作温度不会低于80～100℃。过滤阶段温度高，液体黏度减小，液体的表面张力也减小，这些都使细颗粒在滤饼层与滤材的毛细孔内滑移速度加快，易发生漏炭事故。

脱色液和催化反应液多数为有机溶剂、酸、碱、盐等化学液体，如果温度过高，这些化学液体对滤材的损坏作用也会加速。如果滤材是金属，或某些陶瓷，或有机纤维，也会造成这些金属、陶瓷和有机纤维的腐蚀以及纤维脱落。

2 精密过滤技术的最新进展

粉末活性炭与炭基粉末催化剂在化工、制药、农药等工业生产上应用面很广，因此由漏炭造成的产品质量恶化和收率下降的发生率很大。从1978年开始，我公司技术人员就在国内从事粉末活性炭精密过滤的技术研发。到上世纪80年代初，已先后开发成功微孔PE和微孔PA两类新型滤材及早期的精密过滤机，并成功用于不少企业的粉末活性炭精密过滤。跟原来广泛使用的以滤布、滤网为滤材的过滤机比较，新的滤材与过滤机对提高产品质量、防止漏炭事故发生起了很大的作用。但新的滤材及其过滤机研发的深度还很浅，设计、生产与应用的技术积累还很少，还有许多不完善的地方，如滤材质量不稳定、精密过滤机结构过于简单等，这些都制约了这项技术的进一步推广。从2000年开始，我们为此下了全力，对滤材的机械性能与过滤性能进行了全面改善与检测，对精密过滤机的新型结构及其在生产上的应用进行了全方位研发，经过十多年的努力，取得了重大突破，滤材与过滤机也已获得一系列发明专利和实用新型专利。

2.1 滤材的最新进展

2.1.1 管型滤材达到相当高的均匀度

管型滤材一次成型达2 m长，并达到相当高的均匀度。以往，无论微孔PE或微孔PA，一次成型长度最长为1 m，如果需1.5 m或2 m，必须采用热熔融法粘结，致使连接处易断。若一次成型达到1.5 m，每一根过滤管其不同部分的毛细孔径和孔隙率等上下差别较大，尤其是微孔PA过滤管，它是由多元粉体原料混合物制成的产品，上下差别更大。经过长达八年的不断改进，于2007年微孔PE管一次成型达到了2 m，2008年微孔PA管也一次成型达到了2 m。

2009年，我们特对所有不同配方和不同孔径规格的微孔PA管与微孔PE管制成54根，每一根均为2 m长。将每根管从上到下截成18段样品，每一段分别测其平均毛细孔径、平均孔隙率、平均比阻、抗拉强度和弹性模数等数据，以了解不同配方、不同型号的2 m长微孔PA管与微孔PE管的均匀度（管式过滤机内的管式滤材，其上下均匀度是确保整个过滤装置质量的基础）。共测得5832个数据。将一根毛细孔径很小的2 m长微孔PA管从上至下切成18段样品，其平均毛细孔径和平均孔隙率列于表4。

表4 一根微孔PA管各段测定的平均毛细孔径和平均孔隙率

由表4可知，2 m长的小毛细孔径微孔PA管，其上下平均毛细孔径和平均孔隙率的波动都在5%左右。小毛细孔径微孔PA管的原料相当细，又是多元组分混合物，制成的微孔管上下平均偏差一般为20%，而我们是经过反复改进才达到如此高的均匀度的。目前，这项技术成果已成为本公司在滤材方面所拥有的重要知识产权。

2.1.2 大直径的耐反压微孔板研制成功

微孔板不仅大量用于精密过滤机，也大量用于其它粉体的生产与运输，但微孔板的耐反压性能很差。若表面没有压紧肋条，不管微孔PE板或微孔PA板，只要直径大于100 mm并施以0.6 MPa的反压，不仅会发生锅状变形，也易使周边破裂。过滤板耐反压性能不好，精密过滤机的性能就很难提高。经过长达八年反复研发，于2008年试制成功可耐1 MPa反压的大尺寸微孔板，最大尺寸为1.8 m×1.8 m。图1为直径800 mm的微孔板在1 MPa空气反压下进行气液鼓泡试验。图2为耐1 MPa反压的1.8 m×1.8 m微孔PE板以及Ø1.8 m的PE板和PA板。

图1 微孔板的气液鼓泡试验

图2耐反压滤孔PE板和Ø1.8 m PE、PA板

2.1.3微孔滤材的抗强氧化性能显著提高

除了浓度98%的浓硫酸和40%的硝酸，微孔PE或微孔PA能耐各种酸、碱、盐及大部分有机溶剂。与金属微孔滤材和陶瓷微孔滤材比较，其耐各种酸、碱等化学物质的性能相当优越，但其耐强氧化剂的性能却很差。在强氧化条件下（如活性氧、活性氯等），微孔PE与微孔PA只能使用三个月。经过连续五年反复研发，一种新的微孔PE与微孔PA试制成功。新产品在强氧化条件下连续使用一年，滤材均未损坏，证明其抗氧化性能明显提高。

2.2 精密过滤机结构的最新进展

我们长期从事自主创新的刚性高分子精密微孔过滤技术的研发，其中新型滤材的研发与新型精密过滤结构的研发都是同步进行的。由于新型过滤机结构的研发需要进行大型机械加工、大规模试验，许多大型零配件也需要进行改进，需大量人力、物力、空间与时间，难度大，耗财耗时多，成本相当高，因此其研发进度远远落后于滤材的研发。但工业生产上滤材必须用于实际的过滤机才行，因此无论结构研发的难度有多大，我们仍然坚持不懈努力工作。最近十年，针对粉末活性炭与炭基粉末催化剂等超细粉体的新型精密过滤机结构的研发取得如下进展。

2.2.1立式过滤机大直径底盖的快开结构研发

2.2.1.1多钩式大直径底盖快开门结构

处理含固量多的立式管式过滤机，如需卸除大体积干滤饼，过滤机的底盖必须是大直径底盖，而且必须采用气动或液动操作。上世纪80～90年代，我们曾试用过 “错齿形快开结构”，但发现此结构不适宜立式过滤机的底盖，因为所处理的物料多数有腐蚀性，滤饼卸料时错齿压紧面易大量沾污滤饼，致使压紧面易被腐蚀。另外， “错齿形结构”不易放大至直径1.2 m以上的结构。为此我们只得放弃 “错齿形结构”，改用中药提取罐快开结构——单钩式快开门，但该结构也难以放大至1.2 m。本世纪初，我们自主研发了带保险钩的多钩式快开门，可以将直径放大到1.6～1.8 m。这一新结构的开发，可使精密过滤机大量用于粉末活性炭、炭基粉末催化剂的过滤以及其他许多超细粉体的过滤。而且不仅可进行高效精密过滤，还可在过滤机内密闭进行多次高效洗涤与压干，最后利用气缸快速打开底部快开门，将大体积干滤饼较快地排出精密过滤机。图3为直径1.6 m的多钩式精密过滤机的外形图。

图3 Ø1.6 m的多钩式精密过滤机

多钩式结构解决了大直径底盖的放大问题。目前已有几百台直径为1.4～1.6 m这种结构的精密过滤机用于生产。但多钩式结构自锁性能不可靠，需要较多的保险钩配合，才能防止使用过程中出现自动脱钩的事故，而且这一结构需要人工进行打开保险钩操作，即该过滤机无法做到完全自动控制。

2.2.1.2 旋钩式大直径底盖快开门结构

2008～2012年，我们又开发了一种新的 “旋钩式快开门结构”，目前直径为1.6 m的大底盖已试制成功。该结构自锁功能好，开启相当方便。该结构可将底盖放大到2 m以上。这一新的快开门结构已获国家发明专利。

2.2.2 精密过滤机内部新结构的研发

粉末活性炭和炭基粉末催化剂的液固过滤必须满足以下要求：

（1）过滤（包括洗涤）过程要密闭。

（2）过滤（包括洗涤）过程中超细炭粉不穿漏。

（3）过滤后，所有炭滤饼的洗涤效率要高，洗涤进度要快。

（4）过滤与洗涤结束后，必须对过滤机内炭滤饼压干，最后快速方便地将机内干滤饼全部卸到过滤机外面。

（5）对制药、食品等行业，上下批物料不能发生混合。

（6）对某些活性很强的炭基粉末催化剂，过滤后不能用空气压干，应使用氮气等惰性气体压干。不能将这些滤饼排到空气环境中。必须在隔绝空气条件下，利用催化剂的下一步反应液，将过滤机内的催化剂滤饼全部密闭压送至下一步化学反应釜中。

上世纪的70年代末至80年代，我们对粉末活性炭的过滤作了很多研发工作，基本解决了上述不漏炭和密闭过滤两方面的问题，但其他四方面的要求还无法满足。上世纪90年代后期，许多制药企业对过滤机提出了新的要求，上下批物料不能混批。为此我们查阅了国内外资料，发现国内基本无人从事此工作，国外大多采取附带几个小过滤器，将主过滤机内的残液放到小过滤器内过滤，以此避免上下批物料混批。国外只有一家过滤机公司将过滤机内的残液用泵输送到本过滤机的顶部用气体进行喷雾，再利用气体的动力和过滤机内的滤材进行气体与液滴的气液过滤。该方法解决了残液全部过滤的问题，可避免上下批物料混批。但其最大弊病是喷雾时过滤机上中部内壁将沾附不少炭质颗粒。此方法诞生已近三十年，但至今还没有看到其他公司采用该方法用于避免上下批物料混批。

上世纪90年代后期至本世纪初，我们开发了一种新的结构，即在过滤机的底盖上增加许多倒立的微孔管，这一简单办法能完全解决上下批物料混批的问题。目前，该方法已获得多项实用新型专利。但该方法卸干滤饼相当麻烦，需要人工辅助。

本世纪初，为了解决卸干滤饼时需人工大量辅助劳动的麻烦，又为了在精密过滤机内能快速高效地进行滤饼洗涤，经过多年反复研发，我们开发出一种新型底部滤材组合结构。这种结构底部滤材都是水平排列的，对于滤饼洗涤要求高的物料，水平排列的滤材从上到下可分成多层。图4所示即为这种水平排列的结构。现在这种结构的过滤机已有几百台在许多企业应用，直径1.4～1.6 m的大直径过滤机也有100多台在几家农化生产企业应用。

图4 水平排列结构的滤材

还有一些钯炭粉末催化剂，在进行密闭过滤、高效洗涤和压干后，不能直接放到空气环境中。对此，又开发了一种大直径密闭精密过滤机，该过滤机无底盖。当钯炭在过滤机内经过滤、洗涤和压干后，利用下一步的原料液可使机内干滤饼成为悬浮态，然后将其压送至下一步的反应釜中。目前，已有二十多台直径2.8～3.3 m的大型催化剂过滤机用于农药生产。目前，该过滤机已获实用新型专利。

3 结束语

刚性高分子精密微孔过滤技术是我们用了四十六年时间自主创新的技术，具有过滤精度高、使用寿命长、节能、节材、减排和安全等优势。由于研发前期没有充分的经费与最基本的研发条件，留下无数必须继续研发的技术难题。到本世纪初，为了解决生产上迫切要求解决的粉末活性炭与炭基粉末催化剂的过滤、洗涤与压干等问题，我们用了十多年时间连续不断研究，才在滤材与精密过滤机结构上获得一些重大进展。

Precise Filtration of Powder Activated Carbon and Carbon-based Power Catalyst from Liquid

Song Xianhong Song Zhili

Describes the characteristics of powder carbon,and introduces the major achievements in the field of precision filtration for solving the carbon leakage over the past decade.

Powder activated carbon;Carbon-based powder catalyst;Precise filtration;Filter;Particle

TQ 051.8+5

2013-02-15）

*宋显洪，男，1938年生，教授。上海市，200060。