活性炭和骨炭

　

　 活性炭和骨炭   

　

　　活性炭和骨炭是多个行业中广泛应用的吸附剂和脱色剂，亦常用在炼糖厂中将糖液脱色提纯 。

　　活性炭含碳量约90%，由各种植物原料(木屑、果核、椰壳及蔗渣等) 或煤经过特定的加工处理制成。产品主要有粒状和粉状两大类。粒状炭主要用于净化水和吸附有害气体，粉状炭多用于食品和药物的脱色。活性炭由于原料和制造方法的不同，种类较多，可分别适用于不同的用途。

　　活性炭的粉粒内部有很多微细孔隙。孔隙的直径很小，故总表面积很大，有很强的吸附能力。孔隙的参数对它的性能极为重要。

　　多数活性炭中的孔隙大部分是微孔，直径 < 2nm ，微孔的总体积约 0.15～0.5 ml /g，比表面积为 400～1200m2/g ，这些微孔约占总表面的95%。此外还有一些中孔，直径2～50nm，以及大孔，直径 >50nm。

　　活性炭的制造通常经过炭化和活化两个阶段。炭化是将原料在隔绝空气的条件下加热干馏以减少其中的非碳成份。先控制在 400℃以下，产生脱水、脱酸等分解反应，再加热到400～700℃之间，将  -O-  键破坏，氧以H2O、CO、CO2 等形式析出，并形成芳核间的结合，随后脱氢，芳核间大量产生直接结合，形成二维平面结构，同时结合上－CH2－，形成三维立体结构。活化是使炭具有活性的关键过程，在高温下气体与炭发生氧化反应，将碳化物表面侵蚀，形成微孔发达的构造，同时将附在炭表面上的有机物除去，增强炭的活性。炭的活化常用高温水蒸汽，反应温度 800～1000℃，此时碳和H2O  反应生成CO、CO2、H2 等。活化后冷却，再磨碎 (粉状炭的大小常在200目或120目以下) ，筛选、包装。

　　另一种制造方法是氯化锌法，用蔗渣作原料常用此法。将原料筛选除去杂质，干燥至水分低于30%，再与ZnCl2 浓溶液均匀混合，在约400℃下加热碳化约 40分钟，然后在活化炉中加热到 700～850℃ ( 温度低于用水蒸气活化 )。由于ZnCl2  的吸水性很强，可使原料中的氢和氧主要以水蒸汽 ( 而不是碳氢化合物)  的形式释出，较少生成焦油状有机物( 后者会覆盖在炭的表面上而降低其质量) 。冷却后洗出其中的ZnCl2 ( 回收使用 )，再用盐酸洗涤，将 ZnO ( 由ZnCl2 氧化生成 )  及蔗渣中的无机杂质溶解除去，然后用水洗净后脱水和干燥，冷却后磨碎筛选即为成品。

　　广东顺德、东莞、市头等糖厂以前曾用蔗渣和用氯化锌法制造粉状活性炭，质量良好。如要制造颗粒炭，将原料干燥后粉碎，与固体氯化锌混合，加少量水和粘合剂搅拌均匀，用压粒机压成粒状。然后按上述方法处理。

      国外也有不少厂制造活性炭。据 Rao  报导 ，一种生产方法是先将蔗渣在 450℃下隔绝空气干馏 20小时，冷却后打碎成约 0.07mm大小，筛分出适当的粒子，在活化炉中将温度升高至 850～900℃，通入水蒸汽和空气８小时，然后用热的稀盐酸浸洗１小时，将它滤出、水洗并中和后干燥，即为成品。

　　多数活性炭内部的孔隙主要是微孔，孔径 < 2nm 。它们善于吸附小分子的物质，如某些气体 ( 毒气 )和低分子量的有机物。用水蒸气活化制得的活性炭的微孔结构较发达，表面积大， 吸附容量高。但比较大的孔隙不多，如不到 100m2 /g ，不宜用于对大分子物质的吸附。

　　用氯化锌活化制得的活性炭，孔隙的尺寸通常稍大，半径约 20nm的占较大比例，这些孔隙的总体积可达 0.7cm3 /g ，总面积可达 200～450m2 /g 。这种活性炭适用于吸附溶液中的大分子物质，例如糖液的脱色。

　　国内外都有用于糖液脱色的活性炭产品，称为糖用脱色碳，它们亦可用于处理其他类似的含有大分子物质的溶液。上海生产的糖用活性炭，比表面积约 1300m2  /g ，孔隙体积 1.02cm3 /g ，其中微孔体积 0.45cm3 /g ，水分<10% ，灼烧残渣<4%。

　　活性炭具有芳香环式的结构，最善于吸附芳香族有机物，亦善于吸附碳链较长的其他有机物，对不带电的分子的吸附优于带电者，而对后者的吸附则在酸性和中性溶液中优于碱性溶液。因为弱酸性物质在低 pH 下带电较少(以至不带电 )，较易被吸附；高 pH下电荷较强对吸附作用不利。活性炭对无机离子的作用很弱。它的吸附作用和脱色效果还与碳的种类及溶液状况和温度等有关。

　　商品活性炭的吸附性能的表示方法，是测定它对四甲基蓝 (一种深蓝色染料) 的吸附能力。此值主要反映活性炭吸附小分子物质的能力。具有大量微孔的活性炭产品的这一性能较高。不过，在溶液含有大分子物质时，活性炭的微孔容易被堵塞，难以充分发挥作用。因此，用于糖液脱色的活性炭要有较大的孔隙，实用上要选择对糖液脱色力强的品种。糖用脱色碳的产品的脱色能力又常以对糖蜜的脱色能力来表示。

      沈参秋教授等研究了活性炭对糖浆的脱色作用。试验用经过蜜洗的原糖，溶解成约45°Bx 的糖浆，色值约 14°St  ，调整 pH 到6.8～7.0 。分别用几种不同的活性炭，加入不同的数量，在 75℃下搅拌 30分钟后过滤冷却，测定其脱色情况。一种粉状活性炭在加入量 (对糖浆重量的百分比) 不同时的脱色率如下表。

　

活性炭量％ 0.1 0.15 0.2 0.3 0.4 0.55 0.7
脱色率％ 63.2 73.8 80.3 85.3 89.9 93.7 94.3


      活性炭的脱色效果与它的品种和处理的具体条件有关，实际应用时要通过实验选择适宜的品种和技术条件。

　　活性炭对杂质的吸附量与溶液中杂质的浓度有关。以 C 代表在一定的温度下吸附达到平衡以后溶液中杂质的浓度，则吸附杂质量 g  与 C 之间有指数函数关系 ( Freundlich 吸附方程式 ) ：

　       　 g = k C  1 / n                                                                          

　　式中， k  和  n  在一定的条件下为常数。当糖液中有色物较多时，活性炭的吸附量也较大。一种吸附剂的 k  值和 n  值表现了它的性能和特点。k  值高表示吸附容量大；n  值表示吸附剂性能随 C值变化的相对大小，当 n =1  时，g  与 C 成正比例， n > 1 时，g  随 C 的变化比较小。多数活性炭，n >1 ；而离子交换树脂， n < 1。

      基于这种规律，可以将活性炭分次用于处理不同色值的糖液，先处理浅色的，再处理深色的，这可以充分利用它的吸附性能，将糖液色值降到较低的数值。

　　糖厂通常用粉状活性炭，它的脱色性能好，吸附速度快，但不能再生，使用一次或两次后就弃去。它的粒子很细，易穿过滤布，故宜并用助滤剂如硅藻土，将它们加入糖液中搅拌适当时间后过滤。过滤机中的活性炭滤饼，对通过的糖液继续有脱色作用。也可以将这些滤饼调制成粉浆后加入深色的糖液中再用一次。

　　在精糖生产中用活性炭处理高纯度糖液时，如糖液原来的色值低于20°St ，加0.5～1%的活性炭的脱色率可达 50～75%；对于色值较低的白糖糖浆，加活性炭一般为 0.3～0.5% 。粉状活性炭的使用方便，设备简单，但长期的消耗费用高于用离子交换树脂。

　　在欧洲的甜菜糖厂中也较多使用活性炭脱色，以提高产品质量。可将活性炭加入于不同的物料中，如一碳饱充后的滤汁、二碳饱充汁、粗糖浆、二号或三号糖的回溶糖浆中。在加入量为糖汁干固物的 1～1.5% 时，脱色率达16～30%。一般将活性炭用两次，分别处理不同色值的物料。

　　甘蔗糖厂的蔗汁因杂质较多和色值较高，用活性炭脱色的耗用量较大，增加成本较多，因此很少直接使用。但是，如果糖厂本身用蔗渣以简单的方法制造活性炭，即使效能稍低 (对比商品而言) ，只要成本低，就有可能实行。这可为糖厂提高产品质量开辟一条新路。

　　国外糖厂亦较多使用颗粒活性炭，它可以再生，降低消耗和成本。通常用固定床吸附的方式，即将颗粒活性炭装入圆筒形吸附柱中，糖液从上而下连续通过，与大量活性炭接触，在底部出口处达到很高的脱色率。这种方法利于充分发挥活性炭的效能。近年又开发了新的连续的移动床系统。活性炭的再生一般是在洗糖后放入再生炉中高温加热，将吸附的有机物分解，亦可以用碱处理再生。

　　国外的炼糖厂广泛使用骨炭进行脱色。骨炭是以牛骨作原料，经破碎干燥后隔绝空气加热到约 700℃干馏制成。它含有约 90%的羟基磷酸钙 (Hydroxylapitide)  和约10%的活性炭。这些活性炭散布在 50%以上的羟基磷酸钙的表面上。

　　骨炭的这种组成使它具有双重吸附脱色性能。它所含的羟基磷酸钙能吸附带负电的色素并将它吸入到多孔结构中，它所含的活性炭可吸附非离子型的有色物  ( 虽然这种性能低于活性炭 ) 。骨炭也善于吸附无机物，特别是糖品中最主要的灰份－硫酸钙。

　　骨炭可以多次再生，将用过的骨炭洗净 ( 主要除去其中的无机物特别是硫酸钙 ) ，干燥后在 450～550℃下焙烧，将它吸附的有机物分解，从而恢复其吸附能力。国外炼糖厂的骨炭脱色设备都配套再生炉。这些设备相当庞大，费用较高。在 70年代后新建或改建的炼糖厂，不少转用粒状活性炭和离子交换树脂。