木质柱状颗粒活性炭的研制

摘要：以松杉木枝丫（锯屑）炭为原料，配以特制的复合型粘结剂经磨细、粘结、成型造粒、炭化活化，制取的木质颗粒炭，其吸附性能优于煤质、果壳类颗粒炭；其微孔、中孔容积之和比煤质、果壳炭高，特别是中孔容积值明显增高；添加助活化剂后，其吸附性能更可与部分进口炭媲美。

活性炭因其具有巨大的比表面积，发达的孔隙结构，强大的吸附能力，稳定的化学、物理性质，能耐酸碱，耐高温以及表面含有多种官能团等特性，而被广泛应用于化学工业的气相、液相处理。目前，国内在连续化装置中，普遍采用的是煤质柱状颗粒活性炭或煤质、果壳类不定型颗粒活性炭，但由于受到原材料性质的限制，其应用效果亦产生了局限性，我们应用户要求，研制了木质柱状颗粒活性炭。因为木材本身就是多孔性的材料，灰分低，杂质少，所制成的活性炭有独特的优越性，因此木质柱状颗粒炭的吸附性能大大优于煤质炭和果壳类活性炭。

1 研制的机理及生产工艺

我们选择了资源丰富的松杉木枝丫炭和其锯屑炭作为原料，经磨细、粘结、成型造粒、炭化活化而制取了木质柱状颗粒活性炭。

对木炭的要求，通常以固定碳在65%以上，灰分在4%以下，挥发分在18%~25%为宜。木炭的结构屑黑炭类，属无定型炭。木炭经过磨细，除去了间隙，碳骨架就暴露了，这样对活化效果有好处。同时，炭的细度在成型过程中也起到很大作用，因此，就目前工业生产的能力，我们把细度定在200~300目/英寸。

原料炭经磨细后加上粘结剂进行搅拌成型，也就是炭粉与粘结剂揉成一体，到达一定程度后，压块、挤压成炭条。在揉合过程中，炭粒表面不断与空气接触，如同覆盖吸附着一层气膜，它阻隔了与粘结剂的紧密结合，亲和力下降，影响成型压力。如果增加粘结剂的用量或添加水，能起到赶走气体、克服阻隔的作用，但会造成润滑过度，成型压力过低。在相同的炭化温度下，成型压力增加，炭化料的强度会提高，反之，则下降。这是与水和油性粘结剂的不相容性以及气化膨胀性有关，粘结剂的增加造成了炭条中挥发含量过高，破坏了碳链结构。

另外，在相同的活化条件下，因为成型压力及炭化温度的不同，其孔隙结构及吸附性能不同，成型压力的过高，以及在高炭化温度的过度停留，都会使孔容量减少。为此，我们特配制了一种复合型粘结剂，经过反复筛选，优选出2种配方，用中温沥青和焦油按一定比例调配，同时添加了适量的润滑剂。在第二种配方中，还添加了助活化剂。炭化工艺采用了瞬间高温炭化法，有效地避免了氧化，减少了炭的烧失；烧结过程快，尽量多地留下了固定碳与炭粒间的碳链结合定型。

在活化过程中，小型试验炉内部结构模拟了斯列普炉的原理，以致在投入生产型批量试验变得较为容易。我们采用了调整炭汽比及活化温度（不同于通常生产颗粒炭的指标），有效地调整了活性炭内部孔容分布，改善了吸附性能。

2 结果与讨论

采用上述工艺，我们成功地制取了木质柱状颗粒活性炭，并用第一配方的工艺进行了批量生产，依照活性炭的国家标准（1990及1997年），将测定的结果列入表1。为了比较方便，在同样条件下，测定了国内外几种较为代表性的柱状颗粒活性炭及果壳类颗粒活性炭及物理法粉状活性炭的指标，并且对几种常规产品委托有关部门采用Micromeritics仪器测定了其比表面积和孔容分布，列举在表1中。

表1 木质柱状颗粒炭同其它产品的指标比较

注：木质柱状颗粒炭（Ⅰ）表示第一配方批量生产的，木质柱状颗粒炭（Ⅱ）表示第二配方水试的数值。

由表1中的比较，可以看出：

2.1) 我们制得的木质柱状颗粒活性炭，其吸附性能优于国内目前生产的各类煤质、果壳类颗粒活性炭。特别是在吸附亚甲基蓝上更具有优势，如(I)型木质柱状颗粒炭对亚甲基蓝的吸附能力，已充分显示了物理法粉状炭的重要特征。同时，兼备了颗粒炭在工业应用中的连续性功能。

2.2) 从孔容积及其分布来看其微孔、中孔容积之和要比煤质及果壳活性炭来得高，特别是中孔容积值相当明显。它与物理法粉状炭很相似。它为吸附质充分填入吸附剂提供了方便。这可能是导致对亚甲基蓝及有机榕剂吸附量加大的原因。

2.3) 用添加助活化剂制取的(Ⅱ)型木质柱状颗粒炭，其吸附性能可以与部分进口炭媲美。对亚甲基蓝及苯、四氯化碳的吸附，已超过日本白鹭CX4/6炭和美国进口的A型炭，接近其B型炭。

2.4) 该活性炭在强度上虽然基本满足用户需要，但与煤质柱状颗粒炭相比尚有差别（按煤质炭测试方法同测），尚须进一步调整。

2.5) 我们这次试制的本意是为了修正煤质颗粒炭的吸附性能，从表1所列而知，已达到了目的。通过(Ⅱ)型试验，还意外地获得高吸附性能，这为我们进一步研制高吸附性能柱状活性炭提供了一条可行途径，只要在强度上加以改进，木质柱状颗粒活性炭可以替代进口产品用于我国特殊行业。