酸碱脱灰工艺对提高煤基活性炭吸附性能的探索

梁苗苗

活性炭作为一种优良的吸附剂，除具有独特的孔隙结构外，还有较多的表面活性官能团，足够的化学稳定性、机械强度及耐酸、耐碱、耐热等性能，不溶于水和有机溶剂，使用失效后容易再生，因此，活性炭的应用领域非常广泛，在食品、化工、环保、医药等领域均发挥着重要的作用。然而，在制备过程中，一些无机盐和金属氧化物等灰分的存在会严重影响煤基活性炭的吸附性能，不同领域的应用对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显得尤为重要。其中，酸碱脱灰工艺是一种非常有效的脱灰技术。

煤基活性炭的灰分几乎全部来自原料煤。在制备过程中，灰分中多数无机质对活化过程中的造孔有不利影响；在产品的使用过程中，灰分在气相吸附时是惰性物质，在液相吸附时，灰分含量的多少也会有不同程度的不利影响。煤基活性炭的脱灰工艺可分为前期、中期、后期，酸碱脱灰工艺属后期活性炭脱灰工艺。该工艺是在活化过程以后，一般选用氢氧化钠碱液通过碱洗反应生成易溶于水的硅酸盐、硅铝酸盐复合物可将二氧化硅，氧化铝去除，再将碱洗反应的不足的活性炭产品放入一定浓度的盐酸溶液中浸洗，然后用碱液或水洗进行中和，将PH值调到需要的范围，最后进行干燥脱水。该工艺一般能脱除3%～10%的灰分。

1 活性炭灰分对吸附性能的影响

活性炭吸附性能的好坏可通过吸附指标来评定，常用吸附指标主要有：碘吸附值、四氯化碳吸附值、亚甲蓝吸附值。碘吸附值用来表示活性炭对液体物质的吸附能力，四氯化碳吸附值用来表示活性炭对气体物质的吸附能力，亚甲蓝吸附值是用来表示活性炭脱色能力的。这三种指标越高，表明活性炭的吸附能力越强。

在产品的使用过程中，灰分含量对吸附性能的影响较大。活性炭中的灰分在气相吸附时是惰性物质，在液相吸附时，灰分中氧化物及碱金属盐的含量有不同程度的不利影响。二氧化硅、氧化铝、氧化铁对化学吸附没有活化作用，但经过氢氟酸处理，钠会失去。钠是在氧化中催化活性炭的活化物质。由于灰分的存在，在吸附器内可能发生许多不必要的催化反应[3]。

国内外活性炭销售常以灰分含量的多少分档次。目前，商品活性炭按照灰分的含量分数大致分为1%、3%、5%、8%、及10%以上不同等级。价格较为理想的是灰分含量在8%以下的产品，而灰分含量分数在8%以上的产品与8%产品差价超过1000 元/t，与其他更优等级的产品差价更高。广泛用于医药、食品等领域的木质和果壳活性炭的灰分为1%-4%，要实现煤基活性炭代替木质和果壳活性炭，必须对煤基活性炭进行深度脱灰处理，提高煤基活性炭的品质。[3]

2 酸碱脱灰工艺的原理

煤基活性炭中的灰分的主要成分为金属氧化物，如二氧化硅（SiO2），氧化铝（Al2O3），氧化钙（CaO），氧化镁（MgO），氧化铁（Fe2O3）等，一般选用氢氧化钠（NaOH）碱液通过碱洗反应生成易溶于水的硅酸盐、硅铝酸盐复合物可将SiO2，Al2O3去除。然而CaO，MgO，Fe2O3等与NaOH发生碱洗反应时因会生成不溶性的氢氧化物致使CaO，MgO，Fe2O3等不能被彻底去除，这也正是碱洗反应的不足之处。倘若将其再经过酸洗处理后，则这些不溶性的氢氧化物可以与酸洗液发生酸洗反应，通常选用盐酸作为酸洗液，将其转换成水溶性的物质，最终通过酸碱洗联合活化工艺，达到去除活性炭中灰分的目的。图1为酸碱活化工艺的示意图。

图1 酸碱脱灰工艺的示意图

3 酸碱脱灰技术探索实验研究

3.1 材料分析

研究中，选择山西大同精洗煤，研究酸碱脱灰工艺对提高煤基活性炭吸附性能的探索。

3.2 实验方案

3.2.1 实验分析

影响酸碱活化工艺脱灰效率的主要因素有许多，如酸碱液的浓度、酸碱处理时间、酸碱处理温度等。本论文主要选取碱处理温度和时间以及酸处理温度和时间四个影响因素展开了相关的研究测试。实验过程分为以下几个步骤：

（1）选取由山西大同精洗煤制备的煤基活性炭，将其经酸碱液处理[1]，其中氢氧化钠的浓度为3.0 mol/L，盐酸浓度为5.0 mol/L，采用控制变量法进行相关研究。

（2）碱处理时间的影响：控制煤基活性炭的碱处理温度为150℃，改变碱处理时间（60 min，120 min，180 min）；然后进行酸处理：酸处理温度为80℃，酸处理时间为60 min；

（3）碱处理温度的影响：控制煤基活性炭的碱处理时间为120 min，改变碱处理温度为（100℃，150℃，200℃）；然后进行酸处理：酸处理温度为80℃，酸处理时间为60 min；

（4）酸处理时间的影响：控制煤基活性炭的碱处理温度为150℃，碱处理时间为120 min；然后进行酸处理：控制酸处理温度为80℃，改变酸处理时间（60 min，120 min，180 min）；

（5）酸处理时间的影响：控制煤基活性炭的碱处理温度为150℃，碱处理时间为120 min；然后进行酸处理：控制酸处理时间为60 min，改变酸处理温度（50℃，80℃，100℃）。

表1展示了由山西大同精洗煤制备的煤基活性炭吸附性能的对比图。

表1 煤质活性炭吸附性能结果分析

3.2.2 实验结果

（1）碱液处理时间和温度对煤基活性炭吸附性能的影响分析

考察了碱液的处理时间和处理温度对煤基活性炭吸附性能的影响，碱液与活性炭中的灰分之间发生的碱洗反应是一个液体与固体之间的反应，表现为液体逐渐侵蚀固体的过程，随着反应的进行，活性炭表面灰分随之减少，促使碱液进入活性炭内部并与其中的灰分继续发生反应，导致活性炭具有多孔状的结构特点。图表1中试验的数据1是未经过酸碱脱灰处理的数据，对比实验1.2,3,4的数据，当碱处理时间位于60-180 min范围内时，活性炭对碘和亚甲蓝的吸附值均出现先增大后减小的趋势[2]，因此本实验碱液处理的最佳时间为120 min。对比表1中实验1,3,5,6的数据，可知150℃时为本实验碱处理的最佳温度。

（2）酸处理时间和温度对煤基活性炭吸附性能的影响分析

随着酸洗反应的进行，酸液中氢离子（H+）能与活性炭中金属杂质反应生成可溶性盐类，同时还可将上一步碱洗反应产生的不溶性物质溶解，彻底地去除活性炭中的灰分，提高活性炭的吸附性能。同理，通过对比表1中的实验1,3,7,8以及1,3,9,10的数据，可知最佳酸处理时间和温度分别为120 min和80℃。

（3）总结

在实验中可以发现，通过酸碱脱灰工艺处理煤基活性炭，可以有效脱灰，大大提升活性炭的吸附性能，制备出较高性能的活性炭。

4 推广应用

煤基活性炭深度脱灰法是工业脱灰的未来发展方向，活性炭深度脱灰处理的酸碱脱灰法在实验中取得了一定进展,大大提升了活性炭的吸附性能但酸碱脱灰法一般存在工艺流程复杂、消耗大、成本高且废水污染严重等问题,要想推广应用环保设施方面还需加强。同时还要综合分析考虑用户要求、设备投资及现有工艺的改进难度等因素，选择脱灰工艺。