精细化工生产中活性炭的使用技术以及经验

　　张永林 王继生 杜建平
　　【摘 要】详细介绍了精细化工生产中活性炭的选择原则、应用技术、有效经验以及综合效果。
　　【关键词】活性炭；选择原则；技术的使用；有效经验；综合效应
　　一、活性炭的分类与作用
　　活性炭通常分为洗涤碳、粉末碳以及颗粒碳。低可溶性灰分产品要求使用的活性炭，需要进行洗涤，即得到所谓的洗炭。
　　当使用要求活性炭具有很强的脱色能力的时候，通常情况下都是采取粉碎处理后的活性炭，即所谓的粉炭，对于既要求活性炭有一定的吸附能力，又要求其具有一定的机械强度的时候，通常在现场中使用粒炭，即颗粒状的活性炭。
　　精细化工产品或半成品生产过程中产生的副产物或杂质在目前工业现场中，常常按照其所需要达到的品质需求进行过滤、重结晶、精馏以及其他物理手段进行处理。即便采用如还原、沉淀、氧化以及络合掩蔽等化学处理方法进行处理，依然存在杂质影响成品质量，很难分离以及去除，且难以分析。这些杂质会影响成品的物理特性以及外观变化，如颜色、气味、粘性以及起泡性。它也可能引起诸如过滤缓慢或困难、乳液形成、结晶过程缓慢以及产率降低、浓缩或蒸馏纯化过程中泡沫形成等问题。
　　用合适的活性炭处理成品通常可以消除或减轻上述缺点，甚至还能都得到一些额外的综合效果。例如，在某些时候回使得结晶体的晶形与熔点、折射率、沸点、以及蒸汽压等物理参数更接近理论值，还能够大幅提高产品的透明度，改善成品的初始潮解现象。
　　二、活性炭的选择原则以及使用经验
　　当用活性炭脱色以及精制成品时，通常将粉末炭与待处理的料液充分混合后（成品完全溶解在溶剂中），将粉末炭分开过滤以脱色料液。此时，粉末碳的脱色能力通过消除成品中不必要噪声的程度来测量。为了获得更好的结果，必须根据产品特性以及生产工艺条件选择最合适的活性炭。
　　活性炭的选择原则可以概括如下：首先，必须明确料液中的颜色是产品本身自带的颜色还是产品中混杂的杂质的固有特性；除此之外活性炭的功能是脱色而不是褪色，此外，活性炭用量影响产品的生产率。粉末碳的量不仅根据要精炼的品种而变化，而且根据制备粉末碳的原料（包括使用的活化剂）而变化，其取值范围通常很大，在之间变化，因此其选择非常困难。不过，根据现场实际工作经验的总结，作用于无机盐品种精制以及脱色的活性炭用量通常比较接近0.1%，而用于有机物种的碳量接近上限（例如，在L（-）-胱氨酸的生产中，常常使用的活性炭粉进行粗制晶体的脱色）[1]。最后，当使活性炭进行有效脱色操作的时候，需要探索工艺条件，如温度、pH值、浓度、时间以及搅拌速度。这一点在下面描述。
　　（一）温度
　　提高温度对于提高活性炭脱色作用的原理能够解释如下：温度的升高会使得液体的粘度降低，引起料液中的溶质分子扩散作用增强，导致碳孔中吸附氣体的置换速度加快，从而提高产品的脱色效果。当大多数产品被脱色和精制时，最佳温度为90-95℃，沸腾也可以进行。
　　当温度升高到一定值时，一些产品可以提高脱色效果，但是当温度高于该值后，进料液体的颜色逐渐变暗为黑色。这种现象通常可以归因于这样一个事实，即进料液体含有容易被热分解或氧化的组分。同时，从动力学的角度来看，也应该考虑粉末碳对副反应的催化作用。因此，在这种情况下，最佳pH值通常处于中间温度。
　　（二）pH值
　　pH<7时脱色效果通常是理想的。脱色的最佳pH值主要取决于待处理材料的特性。因此，活性炭也可以用于在酸性pH范围内不允许脱色的材料的脱色。
　　当某一料液不允许用最佳pH值（从实验中获得）脱色时，料液的pH值可以暂时调节到最佳pH值，然后在脱色完成后恢复到中性。添加化学物质来调节pH值的方法通常会引入不需要的离子或成分，但这种方法仍然适用于脱色后的结晶或蒸馏操作。经验表明，当成品在不同处理阶段以不同形式出现时，有必要充分利用由于pH值的＂转变＂而可能出现的最佳脱色pH值。例如，当制备有机酸时，盐的形成通常先于酸的形成。有机酸盐通常形成碱性环境，由于水解作用，这不利于脱色，而杂质如Fe2、Zn2等。从碳中释放出来也不利于酸性环境中的脱色。此时，如果我们想＂捕捉＂从盐到有机酸的转变，即在有利的中间pH值下用活性炭脱色，我们可以同时避免上述两个缺点。[2]
　　（三）浓度
　　待脱色液的浓度将从某种程度上直接影响，活性炭脱色的效果，诸如，蔗糖原浆在浓溶液状态下，用活性炭进行脱色的效果，显著优于用稀溶液进行脱色的效果，而乳酸钠则是稀溶液的脱色效果要，显著优于浓溶液，对于甘油而言，活性炭在浓溶液中可以有效的进行蛋白质杂质的去除工作，但是脱色操作则应该采用甘油的稀溶液进行。
　　（四）时间
　　脱色率在初始阶段较快，然后开始减慢，特别是当大分子材料用活性炭脱色时。有一个＂吸附-解吸＂的动态平衡过程。如果对于同一种料液进行脱色，颗粒碳比粉末碳需要更长的时间。这是因为，碳粉只需要与料液进行充分的搅拌混合，就能够在在两小时内达到最大脱色效果。对于特殊品种（不易脱色的材料），为了保证脱色效果以及提高产品质量，应该适当延长脱色时间。
　　（五）搅拌状况
　　对于容易脱色以及需要精制的材料（如磷酸盐、铵盐、硼酸盐、硫酸盐以及钾钠盐等），添加粉末活性炭后，通常只需要在中低搅拌速度（低于60r/min）下进行相关操作。对于难脱色的料液以及颜色较深的母液（如氨基酸、钼酸盐以及钨酸盐母液，重复使用后），不仅要采用脱色能力强的活性炭品种（如味精脱色碳、骨碳以及血碳粉），增加活性炭的用量，延长料液的沸腾时间，还要采用中速以及快速搅拌（80r/min以上）进行相关操作。
　　当处理的料液的粘度不同时，选用的搅拌器型式也不同。通常来说，旋桨式搅拌器适合用于粘度较小的料液之中；桨式搅拌器可应用于粘度较大的料液；涡轮式搅拌器适用于高强度的搅拌场合。
　　三、运用活性炭提纯产品的综合效果
　　（一）结晶操作
　　产品的脱色以及结晶的操作同时进行能够提升结晶体的产品质量，因为在结晶过程中，操作人员需要把杂质与晶体分离，使其保留在母液之中，从而得到生产所需的最终浸提，这一步骤的操作能够高纯净晶体的析出率，能够显著提高晶体的生产率。
　　当原料液中的可吸附杂质较大时，在目前的工业现场实践中常常采用重结晶的方法。此时，如果使用了活性炭进行脱色处理，就能够减少进行重结晶的次数，降低生产成本。必须指出，当在结晶操作之前用活性炭处理工艺液体时，重要的是将进料液体的浓度保持在＂饱和点＂以下。否则，会导致溶液自发结晶，降低结晶操作的产率。
　　（二）蒸馏操作
　　活性炭脱色以及蒸馏的联合作用可以通过纯化甘油来解释。虽然蒸馏可以提高甘油的质量，但是即使蒸馏两次的甘油仍然会有颜色以及气味。蒸馏后的甘油应该用活性炭进行脱色以及除臭过程，特别是经过两次真空蒸馏后的甘油，效果更好。
　　普通的甘油能够在60到80摄氏度时用活性炭进行提纯处理，每次提纯处理，都使用新炭为经过二次蒸馏的甘油进行脱色，在这一阶段，过滤出的活性炭可以用于粗制甘油的第一次蒸馏过程，蒸馏提纯过程中能够有效的消除甘油蒸馏过程中形成的泡沫，并提高产品的生产效率。
　　【参考文献】
　　[1]秦玉楠.年产50tL-胱氨酸及其母液综合利用新工艺操作规程[J].成都化工，1991.
　　[2]秦玉楠.化学产品提净的生产技术及其操作经验（技术培训教材）[M].2001.