活性炭新生产工艺过程的相关分析

马良

大同煤业金鼎活性炭有限公司山西大同037000

摘要：活性炭在环保领域得到日益广泛的应用，尤其是水处理用煤基活性炭已成为活性炭的主流产品。综述性评价了煤基活性炭主要生产技术及设备的现状，总结了煤基活性炭孔结构调控的方法，分析了煤基活性炭产业的发展趋势。结果表明，压块活性炭生产技术的推广和多膛炉的应用使得煤基活性炭生产规模大型化成为现实，通过配煤、添加剂和优化炭化、活化工艺参数可以制备出多样化和专用化的煤基活性炭。

关键词：煤基活性炭；水处理；生产工艺；孔结构调控

前言：活性炭是一种通过对含碳材料进行加工制得的具有发达孔隙结构和巨大比表面积的炭质多孔材料，具有优异吸附性能、良好化学稳定性等优点，广泛应用于食品、制药、医药卫生及环保等领域。活性炭制备原料虽来源广泛，但商业活性炭产品主要为煤基活性炭、木质活性炭和果壳活性炭，其他含碳材料（如化工及生活废弃物制备活性炭）多见于试验研究及特殊用途。

1煤基活性炭生产现状

1.1原煤破碎活性炭生产工艺

该工艺适合具有较高物理强度和反应活性的原料煤（低变质程度的烟煤，如大同长焰煤等）。原煤破碎活性炭工艺生产的颗粒活性炭成品主要用于工业废水处理，部分大颗粒产品可用于糖脱色、味精处理；原煤破碎炭生产工艺的副产品粉状活性炭可用于水处理，也可用于垃圾焚烧烟道气净化。原煤破碎炭的品质与原料煤息息相关，近些年，随着大同地区煤矿开采机械化水平的提高和对小型煤矿落后产能的淘汰，较少有块状原料煤的供应，因此原煤破碎炭的生产也越来越萎缩。

1.2成型活性炭生产工艺

成型活性炭生产工艺相对于原煤破碎炭增加了磨粉、成型过程。随着配煤技术在煤基活性炭生产中的应用，成型活性炭工艺可通过调整配入煤的种类和配比有效调节配煤的黏结性和活性炭的孔结构发育。根据成型工艺及成型的形状，成型活性炭可分为柱状活性炭、压块活性炭和球状活性炭。

1.3煤基活性炭主要生产设备

（1）炭化设备。炭化过程是将原料煤在隔绝空气条件下低温干馏，从而减少非碳元素并生产出满足活化工序要求的、具有初步发育的孔隙结构和较高机械强度的炭化料。目前，我国煤基活性炭生产中使用最广泛的炭化设备是回转炭化炉，根据加热方式的不同分为内热式和外热式2种。（2）活化设备。活化过程是水蒸气、氧气等活化气体与碳发生氧化还原反应，开放原来的闭塞孔的同时扩大原有孔隙，是生产活性炭的关键环节。活化设备主要有斯列普炉和多膛炉。

2煤基活性炭孔结构调控方法

2.1应用领域对活性炭孔结构的要求

吸附是活性炭在物理吸附应用中的功能体现，吸附性能主要由活性炭的孔结构决定。活性炭在气相及液相应用中吸附质分子的尺寸存在较大的差异，最适宜的吸附范围是活性炭的孔径（D）与吸附质分子直径（d）的比值为1.7～3。D/d偏小，活性炭与吸附质分子间呈现斥力，不利于吸附；D/d偏大时，随着活性炭孔径与吸附质分子直径间比值的不断增加，吸附质分子趋于单面受力状态，吸附力随之下降。合理的孔结构是活性炭对目标物质具备较强吸附能力和较高吸附/脱附速率的前提。根据应用领域对活性炭孔结构的要求，对活性炭的孔结构进行调节的技术称为活性炭的孔结构调控，或活性炭的定向制备。煤基活性炭的孔结构可通过配煤、添加剂和炭化、活化控制有效调控。

2.2配煤法对煤基活性炭孔结构的调控

配煤技术最早应用于动力煤领域，利用2种或多种煤通过配煤调节煤的可磨性、发热量、灰成分及灰熔融性等性质。在炼焦及型煤行业配煤工艺使用较多，主要改善焦炭强度和热性质指标或是型煤的强度。由于不同煤种制备的活性炭强度、孔结构及吸附性能各有特点，国内外的活性炭生产企业多采用配煤工艺进行生产。国内生产煤基活性炭的原料主要是优质的无烟煤及烟煤，这种状况不仅受到原料不足的限制，还导致产品品质单一。煤炭科学研究总院利用低变质程度的依兰长焰煤尝试通过配煤开发活性炭产品。依兰煤变质程度较低，其挥发分达到40%以上，且煤本身结构较为疏松，但是灰分较低，有利于制备高品质活性炭。依兰煤在无烟煤配煤条件下，加入焦油作为黏结剂，通过严格的炭、活化条件控制，生产的活性炭产品不仅微孔发达，且具有一定的中大孔。利用烟煤和无烟煤煤配煤，并且通过工艺优选，特别是预氧化及深度活化工艺制备得到中大孔率达到65.59%的水处理用活性炭产品。

2.3添加剂对煤基活性炭孔结构的调控

为了调节活性炭孔结构、改善吸附性能，通常在磨粉—成型工序加入黏结剂、金属、金属氧化物及其盐类，或碱类，添加剂会在后续的炭化及活化过程起催化作用，影响活性炭孔结构发育，其中有代表性的添加剂包括KOH、Fe系物质等。KOH作为制备活性炭用典型添加剂的研究较为深入，利用KOH作为添加剂和长焰煤共炭化制备高品质活性炭，研究表明煤热解过程中在低于产生胶质体的温度下（400～550℃）会与KOH反应，形成液晶（胶质体）的侧链小分子可被预先除去，以固相炭化为主从而形成取向性差、石墨化程度低的炭素前驱体，有利于活化过程孔结构的发育。Fe3O4是活性炭制备常用的添加剂，其不仅可以改变活性炭的孔结构参数，还可以将活性炭赋磁用于回收。

2.4炭化、活化工艺对煤基活性炭孔结构的调控

炭化过程的升温速率和炭化温度通过影响炭化料的活化反应活性从而对活性炭孔结构产生影响。快速升温炭化较缓慢升温炭化制得的炭化料微晶结构的无序度增加，具有更高的活化反应性。同时，快速升温炭化降低了煤中气体及挥发分的逸出阻力，从而使得炭化料的孔隙增多，孔壁变薄，有利于活性炭微孔结构的发育。缓慢升温有利于形成孔隙均匀的炭化料，在高烧失量的活化后期可以增加活性炭内表面积。炭化温度的升高会降低炭化料表面的活性位数，导致活化反应性降低，提高活化难度，较低的炭化温度有利于生成高活化反应性的炭化料。

3煤基活性炭生产的发展趋势

活性炭广泛应用于水处理、烟道气净化、大气污染物净化等环保领域。近年来我国不断强调环境保护及治理的重要性，制定严格的环保法律、法规，使活性炭的需求量不断增加，促进了活性炭产业的快速发展。目前，煤基活性炭生产呈现以下发展趋势：（1）企业的规模化和生产设备的自动化、大型化。与国外活性炭生产企业不同，国内大多数煤基活性炭生产企业规模小，生产设备自动化程度低，使得我国煤基活性炭产量虽位居世界第一，但大多数活性炭属于中、低档产品，生产技术薄弱、市场竞争力小。引进国外先进活性炭生产技术和经营理念，实现企业的规模化和生产设备的自动化、大型化是未来我国煤基活性炭产业发展的必然趋势。（2）产品的多样化和专用化。活性炭在环保领域的应用不断扩大，根据不同气相及液相领域对活性炭孔结构要求，采用孔结构调控方法制备了高质量专用活性炭，活性炭产品呈现多样化和专用化的趋势。应用规模最大的水处理领域，压块活性炭因具有生产规模大，成本低，产品漂浮率低、强度高，炭表面粗糙，易挂生物膜等特点，将是水处理尤其是饮用水深度净化领域的主要活性炭产品。

结束语：

国内活性炭产品质量不一，且大多数为中低档产品，市场竞争力弱，无法满足当前日益增长的环保用活性炭的性能要求。通过配煤、添加剂和优化炭化、活化工艺参数可以有效调控活性炭的孔结构，从而生产出适合不同应用领域，具有不同孔结构的优质专用活性炭。

参考文献：

[1]罗鹏.贾智刚.严明．国内煤基活性炭生产现状和发展[J].当代化工，2014（07）.

[2]李艳芳.孙仲超.国内外活性炭产业现状及我国活性炭产业的发展趋势[J].新材料产业，2012（11）.