1 引言

活性炭的灰分對炭的制造和性能都有不良影響。不同用途的活性炭對灰分有不同的要求。不同原料制的活性炭其灰分大多達不到要求。由于木質活性炭較昂貴，人們便試圖將煤基活性炭去灰，代替木質炭。因此，活性炭的去灰已引起人們廣泛關注。

2 化學去除活性炭灰分的原理

活性炭去灰有原料精選、物理去除和化學去除三個途徑。化學去除是較好的辦法，可選用鹽酸、硫酸、硝酸、氫氟酸和氫氧化鈉溶液。這些酸堿溶液脫除灰分都有專一性。下面列出有關方程式。

2.1 鹽酸溶液

主要用來浸提活性炭中的Fe、FeO和Fe₂O₃；Fe₃O₄則難以去除。

FeO+2HCI→FeCl₂+H₂O

Fe₂O₃+6HC1→2FeCl₃+3H₂O

Fe+2HCl→FeCl₂+H₂

對于頭兩類反應，酸濃度應保證整個溶液pH在4.0~4.6之間，懸浮液和洗滌水溫度不低于80℃。因FeCl₃、FeCl₂在70~80℃水中的溶解度大于室溫下的溶解度5~6倍。對于金屬鐵及其合金（第3個反應），整個溶液的pH以1~2為宜。反應時間需長達6~7h。鹽酸也能去除一定量的鈣、鎂、鈉、鉀和無機硫。

2.2 氫氧化鈉溶液

主要用來浸提炭中的硅和鋁。

2.3 氫氟酸溶液

廣泛用來脫除煤或炭中的Si、Al元素。

SiO₂（≈95%）+4HF→SiF₄+2H₂O

氫氟酸也能脫除一定量的Fe₂O₃、Na₂O、K₂O和P₂O₅等。用氫氟酸時，在室溫下浸提，就能奏效，但需幾天。于70~80℃下浸提，耗時少得多。

2.4 硫酸溶液

主要反應是：

R-SNa₂+H₂SO₄→Na₂SO₄+硫醇（類）

DSP+H₂SO₄→Al₂(SO₄)₃+Na₂SO₄+硅酸（類）+H₂O

Fe₂O₃+3H₂SO₄→Fe₂（SO₄）3+H₂O

硫酸也能跟FeS₂反應，但須在高達100℃左右的溫度下才合適。

2.5 硝酸溶液

FeS₂幾乎不被熱而濃的HCl或H₂SO₄所浸提，但卻能跟稀硝酸于中等溫度下反應。于75℃下，它能跟5%硝酸反應，生成硝酸鐵和元素硫。

FeS₂+2HNO₃→Fe(NO₃)₂+ H₂S+S

2FeS₂+6HNO₂→2Fe(NO₃)₃+3H₂S+S

3 煤基活性炭及其原料煤的化學去灰

煤基活性炭含有較多的灰分，且其組成較復雜，較難去除。在實踐中有時對原料煤、多數成品炭進行脫灰。用實例說明如下:

實例1

用前蘇聯庫茲巴斯（Kyabace）氣煤制成的球形活性炭進行試驗。樣1含灰分15.9%，樣2含灰分17.9%。先用鹽酸洗，后用氫氟酸洗。

樣品先用5%鹽酸煮沸2h，以后用水沖洗至硝酸根溶液無Cl^-反應。再以40%氫，氟酸于室溫下處理3晝夜。后用1mol鹽酸處理樣品，以除去F^-。經過處理，樣1、樣2的灰分分別降至1.4%、1.8%。表1表示經兩種酸處理后樣1灰分的減少情況。

表1 樣品1灰分的減少

灰分組分	灰分中的含量%			浸提百分比%
	原樣	HCL處理	HCL+HF處理
SiO2	6.60	6.03	0.11	98.34
CaO	1.51	0.14	0.24	84.77
MgO	0.71	0.11	0.13	81.69
Al2O3	3.06	1.56	0.39	87.26
Fe2O3	2.13	0.28	0.13	93.90
SO3	1.03	0.02	0.30	70.87
K2O	0.31	0.15	0.05	89.86
Na2O	0.40	0.12	0.05	86.85
P2O5	0.15	0.10	0	100.00
總量	15.90	8.51	1.39	91.26

實例2

先將扎賚諾爾褐煤（ZH）、丹東無煙煤（DW）和古拉本無煙煤（GW）破碎成細粒。以1g煤粒對8mL的17%鹽酸的比值備料。在燒瓶中回流加熱45min（ZH-Cl)。以1g鹽酸洗的煤粒對4mL40%氫氟酸的比值備料，在塑料瓶中混合并放置72h（ZH- F）。經妥善處理后放在豎式活化爐中用CO₂氣體于850℃下活化。樣品分析數據見表2、表3。

表2 原煤樣及酸洗煤灰分組成分析

煤樣	SiO2%	Al2O3%	Fe2O3%	CaO%	MgO%	K2O%	Na2O%
ZH	32.70	10.95	9.16	30.29	4.95	0.32	4.75
ZH-Cl	75.65	11.85	2.13	1.41	1.61	0.35	0.33
DW	43.32	23.75	7.84	4.17	7.74	-	-
GW	21.66	10.41	29.91	19.07	7.55	-	-

表3 原煤樣及酸洗煤樣的工業分析數據

煤樣	ZH	ZH-Cl	ZH-F	DW	DW-F	GW	GW-F
灰分%	5.61	2.44	0.40	4.30	0.88	4.37	0.48
固定炭%	56.14	55.52	53.94	90.77	90.65	92.38	93.84
揮發分%	43.86	44.48	46.06	9.23	9.35	7.62	6.16

對美因印地安納州No.6煙煤樣進行堿洗、酸洗。要求洗后原料煤的灰分不多于0.25%。灰分中Fe不多于0.015%，而Si不多于0.01%。原煤洗前揮發分為42.3%，灰分為9.7%。S、H、C、N、O的含量分 別為3.5%、5.1%、72.2%、 1.1% 和8.9%。原煤先經液體浮選，后經氫氧化鈉溶液、硫酸溶液、硝酸溶液處理。

試驗室堿洗、酸洗試驗條件列于下面：

(1)先用氫氧化鈉溶液：濃度為10%；處理溫度為190℃；溶液V對樣品W之比為6mL/g；處理時間為40min。在小高壓釜硬鋼彈的小容器內進消化。鋼彈容積0.5L，可耐10001bs/in。加煤樣10g（50網目美國標準篩，297μm）。

(2)后用硫酸溶液：濃度為4%；處理溫度為＞60℃；處理時間為15min；V對W之比為4mL/g。

(3)再后用硝酸溶液：濃度為10%~20%；處理溫度＞80℃;處理時間為20min；V對W之比為4mL/g。

表4 No.6煙煤樣處理后元素分析結果

處理方式	Fe	Si	Al	Ti	Na	Ca	灰分%
液體浮選后	0.720	0.52	0.300	0.019	0.014	0.051	3.24
NaOH處理后	0.700	0.05	0.028	0.017	3.21	0.051	3.55
H2SO4處理后	0.090	0.01	0.004	0.014	0.002	0.002	0.30
HNO3處理后	0.013	0.00	0.002	0.001	0.004	0.001	0.06

4 去灰后的煤基活性炭性能

按照化學途徑脫除灰分后，活性炭表面氧化性降低，即對氧氣的吸附速度變小。同時，使得微孔和中孔的容積擴大10%以上。根據大生產的經驗，即使用工業自來水處理煙煤制柱狀活性炭，除了強度有些下降外，其它性能均有所提高，如碘值提高5%左右。詳見表5、表6。

表5 煙煤制活性炭去灰前后性能測定結果

性能項目	去灰前	去灰后
耐磨強度，%	98	96
裝填密度，g/cm3	0.354	0.372
灰分，%	15.4	0.8
碘值，mg/g	1048	1090
亞甲藍值，mg/g	228	258
四氯化碳吸附率，%	85	92
苯吸附率，%	47	52

表6 褐煤和酸洗煤基活性炭性能測定結果

	炭燒失率%	表面積m2/g	碘值mg/g	亞甲藍值mL	焦糖值%	灰分%
ZH	50	396	461	4.4	362	15.60
	68	452	496	5.4	878	21.77
ZH-Cl	51	1216	1177	11.5	132	7.20
	66	1510	1280	12.2	195	10.21
ZH-F	53	1230	1237	10.0	150	1.57
	65	1558	1414	10.5	218	2.28

5 討論

要減少煤基炭的灰分，大多對活化炭進行處理。但不少科研成果表明：對于含有較多催化組分的各類原煤，直接處理原煤可使催化組分顯著降少，成品炭的性能可能有一定程度的提高，尤其是對于褐煤。但須面對數量多得多的原料煤，生產中混進去的鐵質的清除，亦須有安排。同時，產品的活化也不易。對于催化組分較多的原煤，值得認真研究后再確定處理方式。

用酸洗去灰時，先要注意到熱水煮沸活性炭，也能去除相當多的灰分。因為Na、K的氧化物、碳酸鹽等在水中溶解度大，而Ca、Mg的氧化物、碳酸鹽等在熱水中也有一定的溶解度。用鹽酸洗主要是為了去除鐵質，但也有限度，磁性氧化鐵較難除去。故原炭鐵質含量不高時，而Na、K、Ca、Mg等無機物相對較多時，用熱水去除，就有一定效果。用鹽酸酸洗時，用5%左右的酸濃度和1~2h的煮沸時間就可以了（洗鐵合金除外）。再加大濃度，并延長煮沸時間，收效不大。鹽酸溶解性強，但氯根易被活性炭吸附，要洗盡，須用大量水。還要注意到，洗氯根時，原水中的有機、無機雜質也會或多或少地結合到活性炭表面上。

用硝酸酸洗，尚可賦于炭表面氧基團。氫氟酸和氫氧化鈉溶液均可以脫除Si和Al。但HF腐蝕性大，環保上有棘手問題，國家限制使用，現在多于制備小樣時使用。選用NaOH溶液，要求有高壓反應釜和較高的溫度條件。由此引發的設備問題，不易解決。

處理過程中須嚴格控制用的水、酸和堿液中的鐵質等重金屬的含量。控制一定的使 用標準。工業鹽酸含鐵量達0.01%~0.03%，工業用水含鐵量也達0.3~ 1.0mg/L。仍處在酸液或洗滌水中的炭表面上剛除去礦物成分的部位較活潑，易結合周圍反應性強的無機物和有機物。若酸中鐵質都被炭結合，則其含鐵量會提高0.002% ~0.015%。弄不好，含鐵量甚至比原來還多。這些都是需要預先充分考慮到的。