第四讲  煤质活性炭的应用技术——现状及前景

    本讲将对煤质活性炭在我国的应用技术发展情况做一次尽可能全面的回顾，时间跨度从1980年至今。通过回顾与总结，试图理清煤质活性炭在各个应用领域的发展脉络，尽可能客观地展示其应用的现状，并根据历史及现状对各领域的应用方向做相应的预测。

    关于煤质活性炭在水处理领域中的应用现状及前景，将设专题进行讲解，本讲中暂不提及。

    内容编排按液相吸附应用（水处理应用除外）、气相吸附应用、催化剂或载体应用、及其它应用，共四部分分别论述。

一、液相吸附应用

1、食品工业和医药工业的液相脱色

    在此一领域应用最多、最成熟的是木质活性炭，迄今为止这一状况仍未发生本质性改变。煤质炭跻身此领域的历史最早只能追溯到1983年（出现了{dy}篇研究报道），至2000年才出现第二篇研究报告，也是迄今{zx1}的一篇研究报告。但近年来煤质活性炭行业常收到载镁活性炭的订单或询单，载镁炭是糖浆脱色用活性炭，从这种情况分析，国内煤质炭行业在此领域已有了突破性进展，所以有必要设专题予以综述。

    1983年，国内某研究机构【1】采用弱粘煤或长焰煤（煤质：挥发份38.84%，灰分7.10%，固定碳54.06%，具极弱结焦性）为原料，经破碎得到8～20目块煤，经过560℃炭化，900℃水蒸汽活化至工序得率28～34%，然后用浓度1～3%的盐酸煮洗，烘干后得到含铁0.003%，铝0.01%，镁0.001%的高纯活性炭产品，其亚甲兰吸附值达11±2ml，B 类焦糖吸附率达90±10%。经吸附柱实验表明，该产品对维生素B6粗品、柠檬酸中和液、葡萄糖浆的脱色精制效果显著。吸附饱和之后，可用氨水浸泡再生，再生效率可达95%以上。

    2000年，我国某活性炭企业【2】用太西无烟煤为主配入两种其它煤种，并添加某种化学扩孔剂，经混捏、压条、炭化、水蒸汽活化后，破碎至12×40目，经与美国卡尔冈公司的糖脱色炭CAL、CL、SGL和CANE CAL 对比，其碘值、糖蜜值和强度均优于参比炭样，但未提及活性炭的纯度问题。

    CALGON CARBON 公司的产品目录中，几种糖脱色炭的指标规定见表1。

表1       CALGON CARBON公司糖脱色炭指标规定

    由于医药工业对活性炭的纯度要求非常严格，而煤中的“灰质”杂元素多达40余种，经过通常的精制加工很难将其处理至规定的纯度，故煤质活性炭很难在医药工业打开局面。

    而食品工业尤其是糖脱色应用领域，煤质活性炭还是极有应用潜力的。一般来说，糖脱色用活性炭的铁、砷、铅、锌含量会被较严格地规定，而经过酸洗精制都可达到规定纯度要求。关于活性炭的孔径分布，现在已有办法扩展直径2.8nm以上的中孔，使煤质炭的糖蜜值达到指标值要求。所以，煤质糖脱色炭将是煤基活性炭行业的开发方向之一。表2中列出了近三年内收集到的代表性煤质糖脱色炭的指标规定数据。

表2    近期内用户提出的煤质糖脱色用活性炭指标范围

2、黄金回收

    湿法冶金过程中黄金的回收大量使用椰壳炭和果核炭（杏核、桃核、橄榄核等），煤质黄金炭的研究报道集中于1993年前后。

    目前黄金生产工艺多采用炭浆提金法。将含金矿砂粉碎到300目左右，搅拌制成均匀的悬浮矿浆，将氰化钾或氰化钠溶液加入矿浆，生成可溶于水的氰金络离子[Au(CN)2]－，含氰金络离子的矿浆在串联的吸附槽内与粒状活性炭在充分搅拌下接触一定时间，且矿浆的PH控制为10～11，黄金以Mn+[Au(CN)2]- 形态被吸咐到活性炭的孔隙中（Mn+ 为 Na+、K+ 、Ca2+、 Mg2+等）。

    吸咐饱和的载金活性炭可采用两种方法回收黄金。一种方法是将载金炭送往冶炼厂焙烧，经高温熔炼得到黄金，这是一种最古老、最不经济的方法；另一种方法是用0.1～1%浓度的热氰化钠和苛性钠的混合液使氰金络离子脱附，电解得到纯金，同时载金炭得以再生。后一种方法目前应用最广。

    煤质黄金回收用活性炭的制造方法。文献中报道过的煤质黄金回收炭有三种型式。

    南非的科学家【3】将灰分高达60%的原煤破碎成＜150µm的煤粉，用醇基发泡剂进行柱式浮选使其灰分降至12%，适当炭、活化之后，再用0.5M的盐酸精制，制成灰分17～29%的粉状煤质黄金回收炭。应用研究表明，这种粉状炭对氰金络离子的有效吸咐量（与含氰金络离子的浆液逆流搅拌接触1小时的吸咐量，不是饱和吸咐量或平衡吸咐量）取决于活性炭大中孔的发达程度，几乎不受总吸咐能力的影响，与微孔容积无直接关联关系（尽管发达的微孔对金的沉积是必要的，但因氰金络离子在微孔中的扩散速率太慢，故对宏观吸咐速率的贡献不明显），另外，意外地发现活性炭的灰分组成中含硫物种的含量与氰金络离子的有效吸咐量之间存在明显的正相关关系【4】。

    前苏联用库兹巴斯煤田的气煤，磨粉后与2.5%浓度的亚硫酸钠酵母麦芽汁溶液混匀，用盘式成球机成球，经干燥、炭化、活化制成强度达90～95%的煤质球形黄金回收炭。应用研究表明，这种球形炭的大中孔总孔容及灰分含量与氰金络离子的{zd0}吸咐量之间存在一定的正关联关系。

    柱状黄金吸咐炭。前苏联柱状黄金回收炭的制造方法是：先将页岩焦油、糠醛和酸性渣油（苯和甲苯的硫酸提纯物）按49：24：27的重量比混合，制成共聚物，固化后制成0.105mm的细粉。将库兹涅茨煤矿生产的T牌弱粘结煤粉与上述共聚物细粉及木焦油（含55%沥青、25%绿油和20%木焦油）三者按20：44：36比例混合，经挤条、炭化、活化制成强度达91%，对金的吸咐容量高达12.66mg/g的柱状黄金回收炭产品【4】。我国研究人员【5】曾选用某长焰煤和半无烟煤，用煤焦油做粘结剂，并添加适量的化学药剂做催化剂，制成强度达92%，载金量达12.59mg/g的煤质柱状黄金回收炭，进一步研究表明，与市售椰壳和杏核黄金炭相比，煤质炭对氰金络离子的吸咐速率介于二者之间，并且矿浆中或活性炭中存在适量的钙、镁离子时，可极大地提高吸咐速率，另外，吸咐速率与活性炭中直径＜4nm和4～8nm的孔隙容积密切相关。

    综合文献报道中的数据，可得到如下结论：一、活性炭的外形应尽可能规整，以球形为{zj0}，其次是柱状，然后是压块破碎炭，以避免棱角部分脱落造成黄金流失；二、黄金回收炭的强度、尤其是湿耐磨强度应尽可能高；三、煤质黄金回收炭应是具有发达的大中孔隙的微孔型活性炭产品；四、活性炭中的灰分含量，特别是灰分组成中含硫物种、含钙及含镁物种的存在可提高氰金络离子的吸咐速率，所以灰分含量对黄金的吸咐回收过程是无害的，但会对最终回收的黄金纯度产生影响。

    表3中列出了市售黄金回收用活性炭及部分煤质黄金回收用活性炭的性能【3】【4】【5】。

表3