粉末活性炭和炭基粉末催化劑及其與液體的精密過濾

宋顯洪 宋志黎

（上海洪利凈化科技有限公司)

過濾與分離

粉末活性炭和炭基粉末催化劑及其與液體的精密過濾

宋顯洪*宋志黎

（上海洪利凈化科技有限公司)

敘述了粉末炭的特點(diǎn)，介紹了最近十年來為解決這些難題在精密過濾領(lǐng)域所取得的主要進(jìn)展。

粉末活性炭 炭基粉末催化劑 精密過濾 過濾機(jī) 顆粒

粉末活性炭是脫色效率非常高的脫色吸附劑。炭基粉末催化劑是催化功能很強(qiáng)的粉末催化劑。吸附與催化都是發(fā)生在固液兩相的界面。界面面積愈大，吸附與催化的功能就愈大，速度也愈快。但是，界面面積愈大，粉末就愈細(xì)，后期的固液分離就愈困難。如不將粉末高效分離出來，就會導(dǎo)致終端產(chǎn)品的質(zhì)量與收率下降。20世紀(jì)80年代至90年代，我國出口產(chǎn)品退貨的事例很多， “漏炭”導(dǎo)致產(chǎn)品返工現(xiàn)象更多。這些都是由于我國企業(yè)粉末活性炭過濾裝置相當(dāng)落后造成的。工業(yè)發(fā)達(dá)國家一般采用三級串聯(lián)過濾裝置，漏炭現(xiàn)象基本解決，但設(shè)備及其操作步驟均增加，操作成本也上升。國內(nèi)企業(yè)除了少數(shù)要求很高的領(lǐng)域采用這種多級串聯(lián)技術(shù)外，大多數(shù)企業(yè)都不采用這種方法。

為了解決這一量大面廣的生產(chǎn)難題，我們于本世紀(jì)初開始，從超細(xì)微粒的過濾機(jī)理、過濾規(guī)律、濾材配方、精密濾餅過濾機(jī)新的結(jié)構(gòu)及其工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用等方面進(jìn)行了長達(dá)十年的全方位研發(fā)，對這一生產(chǎn)上的難題取得了突破性進(jìn)展。至今，全國已有近2000臺不同規(guī)格的新型粉末活性炭過濾機(jī)在制藥和精細(xì)化工企業(yè)長期應(yīng)用。有200多臺新型炭基粉末催化劑過濾機(jī)在制藥、農(nóng)藥及精細(xì)化工企業(yè)應(yīng)用，其中?2.8～3.3 m大型炭基粉末催化劑過濾機(jī)就有20多臺。十年來，這些新型濾材和新型過濾機(jī)已獲得多項(xiàng)發(fā)明專利與實(shí)用新型專利。這些技術(shù)不僅廣泛用于粉末活性炭與炭基粉末催化劑領(lǐng)域，也在許多其他行業(yè)的超細(xì)粉體生產(chǎn)上獲得了應(yīng)用。

1 粉末活性炭和炭基粉末催化劑在過濾時(shí)的特性

1.1 粉末顆粒中亞微米級微粒的個(gè)數(shù)占90%以上

表1給出了常用的767藥用粉末活性炭與一種草甘膦生產(chǎn)用的鈀炭粉體顆粒分別按體積分布和個(gè)數(shù)分布的粒度分布測定值。

由表1可見，767藥用粉末活性炭，按體積分布（亦即按質(zhì)量分布），其平均粒徑為3.79 μm，只有3%的顆粒粒徑小于0.53 μm，10%的顆粒粒徑小于0.87 μm，粉體中細(xì)顆粒質(zhì)量比例并不大。但從表1中767藥用粉末活性炭按個(gè)數(shù)分布的測定數(shù)據(jù)，其平均粒徑為0.17 μm，3%的顆粒數(shù)粒徑小于0.006 6 μm，10%的顆粒數(shù)粒徑小于0.022 μm，甚至有50%的顆粒數(shù)粒徑小于0.056 μm，即小于56 nm。草甘膦生產(chǎn)用的一種鈀炭，按體積分布，平均粒徑為 2.92 μm，3%的顆粒粒徑小于 0.46 μm，似乎并不太細(xì)。但從按個(gè)數(shù)分布的測定數(shù)據(jù)看，平均粒徑為0.395 μm，3%的顆粒數(shù)粒徑小于0.1 μm，50%的顆粒數(shù)粒徑小于0.25 μm。從表1的數(shù)據(jù)可知，兩種粉末炭90%的顆粒數(shù)粒徑均小于1 μm，這些粉體應(yīng)屬于亞微米級粉體。

表1 767藥用粉末活性炭和一種草甘膦生產(chǎn)用鈀炭的粉體粒度測定值

1.2 細(xì)炭微粒易在濾餅層和濾材的毛細(xì)孔內(nèi)穿移

粉末炭顆粒表面無水化層，壓縮性很小，基本屬亞剛性顆粒。由這些炭粉形成的濾餅基本為不可壓縮性。按體積分布計(jì)，50%的粉末炭其顆粒粒徑不小于2 μm。這些炭顆粒過濾時(shí)形成的濾餅層，其平均比阻一般不會大。表2給出六種化學(xué)脫色液與粉末活性炭及一種化學(xué)反應(yīng)液與鈀炭過濾時(shí)所形成的炭粉濾餅層的平均比阻測定值。除了某一發(fā)酵液濾液與粉末活性炭過濾時(shí)所形成的濾餅其平均比阻較大、達(dá)1015數(shù)量級外（這是由于該發(fā)酵液濾液在脫色過濾時(shí)，濾液中的可溶性蛋白質(zhì)大量析出造成的），其他基本只有1013和1014數(shù)量級。每一個(gè)濾餅層的平均比阻值，都對應(yīng)一個(gè)該濾餅層的平均毛細(xì)孔孔徑值。根據(jù)我們多年的測定，濾餅層的平均比阻與濾餅層的平均毛細(xì)孔孔徑基本上在表3所示的數(shù)量級范圍內(nèi)。

表2 粉末活性炭和液體在不同壓差下的平均比阻值

在過濾初期，這些濾餅層的平均毛細(xì)孔徑不會小于1 μm，一般都大于3 μm。由表1數(shù)據(jù)可知，小于1 μm的亞微米級細(xì)顆粒的質(zhì)量并不多，但按顆粒個(gè)數(shù)分布數(shù)可知，小于1 μm的亞微米級顆粒數(shù)占總的顆粒數(shù)的90%以上。過濾起動后不久，濾餅層逐漸加厚，但濾餅層的毛細(xì)孔徑都比較大。這些亞微米級的細(xì)顆粒，尤其是小于0.5 μm的細(xì)顆粒，在濾液流的推動下，都會在濾餅層的毛細(xì)孔內(nèi)向前滑移，很容易穿過整個(gè)濾餅層，進(jìn)入濾材的毛細(xì)孔內(nèi)，不僅會堵塞濾材，一些細(xì)顆粒還會穿過濾材的毛細(xì)孔進(jìn)入濾液內(nèi)，導(dǎo)致生產(chǎn)上最頭痛的漏炭事故。

表3濾餅層平均比阻與平均毛細(xì)孔徑之間的數(shù)量級關(guān)系

1.3過濾溫度過高造成漏炭和濾材損壞

活性炭脫色與鈀炭的催化反應(yīng)的溫度都較高，一般都大于100℃。脫色后和催化反應(yīng)后的過濾分離階段，操作溫度不會低于80～100℃。過濾階段溫度高，液體黏度減小，液體的表面張力也減小，這些都使細(xì)顆粒在濾餅層與濾材的毛細(xì)孔內(nèi)滑移速度加快，易發(fā)生漏炭事故。

脫色液和催化反應(yīng)液多數(shù)為有機(jī)溶劑、酸、堿、鹽等化學(xué)液體，如果溫度過高，這些化學(xué)液體對濾材的損壞作用也會加速。如果濾材是金屬，或某些陶瓷，或有機(jī)纖維，也會造成這些金屬、陶瓷和有機(jī)纖維的腐蝕以及纖維脫落。

2 精密過濾技術(shù)的最新進(jìn)展

粉末活性炭與炭基粉末催化劑在化工、制藥、農(nóng)藥等工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用面很廣，因此由漏炭造成的產(chǎn)品質(zhì)量惡化和收率下降的發(fā)生率很大。從1978年開始，我公司技術(shù)人員就在國內(nèi)從事粉末活性炭精密過濾的技術(shù)研發(fā)。到上世紀(jì)80年代初，已先后開發(fā)成功微孔PE和微孔PA兩類新型濾材及早期的精密過濾機(jī)，并成功用于不少企業(yè)的粉末活性炭精密過濾。跟原來廣泛使用的以濾布、濾網(wǎng)為濾材的過濾機(jī)比較，新的濾材與過濾機(jī)對提高產(chǎn)品質(zhì)量、防止漏炭事故發(fā)生起了很大的作用。但新的濾材及其過濾機(jī)研發(fā)的深度還很淺，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與應(yīng)用的技術(shù)積累還很少，還有許多不完善的地方，如濾材質(zhì)量不穩(wěn)定、精密過濾機(jī)結(jié)構(gòu)過于簡單等，這些都制約了這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步推廣。從2000年開始，我們?yōu)榇讼铝巳Γ瑢V材的機(jī)械性能與過濾性能進(jìn)行了全面改善與檢測，對精密過濾機(jī)的新型結(jié)構(gòu)及其在生產(chǎn)上的應(yīng)用進(jìn)行了全方位研發(fā)，經(jīng)過十多年的努力，取得了重大突破，濾材與過濾機(jī)也已獲得一系列發(fā)明專利和實(shí)用新型專利。

2.1 濾材的最新進(jìn)展

2.1.1 管型濾材達(dá)到相當(dāng)高的均勻度

管型濾材一次成型達(dá)2 m長，并達(dá)到相當(dāng)高的均勻度。以往，無論微孔PE或微孔PA，一次成型長度最長為1 m，如果需1.5 m或2 m，必須采用熱熔融法粘結(jié)，致使連接處易斷。若一次成型達(dá)到1.5 m，每一根過濾管其不同部分的毛細(xì)孔徑和孔隙率等上下差別較大，尤其是微孔PA過濾管，它是由多元粉體原料混合物制成的產(chǎn)品，上下差別更大。經(jīng)過長達(dá)八年的不斷改進(jìn)，于2007年微孔PE管一次成型達(dá)到了2 m，2008年微孔PA管也一次成型達(dá)到了2 m。

2009年，我們特對所有不同配方和不同孔徑規(guī)格的微孔PA管與微孔PE管制成54根，每一根均為2 m長。將每根管從上到下截成18段樣品，每一段分別測其平均毛細(xì)孔徑、平均孔隙率、平均比阻、抗拉強(qiáng)度和彈性模數(shù)等數(shù)據(jù)，以了解不同配方、不同型號的2 m長微孔PA管與微孔PE管的均勻度（管式過濾機(jī)內(nèi)的管式濾材，其上下均勻度是確保整個(gè)過濾裝置質(zhì)量的基礎(chǔ)）。共測得5832個(gè)數(shù)據(jù)。將一根毛細(xì)孔徑很小的2 m長微孔PA管從上至下切成18段樣品，其平均毛細(xì)孔徑和平均孔隙率列于表4。

表4 一根微孔PA管各段測定的平均毛細(xì)孔徑和平均孔隙率

由表4可知，2 m長的小毛細(xì)孔徑微孔PA管，其上下平均毛細(xì)孔徑和平均孔隙率的波動都在5%左右。小毛細(xì)孔徑微孔PA管的原料相當(dāng)細(xì)，又是多元組分混合物，制成的微孔管上下平均偏差一般為20%，而我們是經(jīng)過反復(fù)改進(jìn)才達(dá)到如此高的均勻度的。目前，這項(xiàng)技術(shù)成果已成為本公司在濾材方面所擁有的重要知識產(chǎn)權(quán)。

2.1.2 大直徑的耐反壓微孔板研制成功

微孔板不僅大量用于精密過濾機(jī)，也大量用于其它粉體的生產(chǎn)與運(yùn)輸，但微孔板的耐反壓性能很差。若表面沒有壓緊肋條，不管微孔PE板或微孔PA板，只要直徑大于100 mm并施以0.6 MPa的反壓，不僅會發(fā)生鍋狀變形，也易使周邊破裂。過濾板耐反壓性能不好，精密過濾機(jī)的性能就很難提高。經(jīng)過長達(dá)八年反復(fù)研發(fā)，于2008年試制成功可耐1 MPa反壓的大尺寸微孔板，最大尺寸為1.8 m×1.8 m。圖1為直徑800 mm的微孔板在1 MPa空氣反壓下進(jìn)行氣液鼓泡試驗(yàn)。圖2為耐1 MPa反壓的1.8 m×1.8 m微孔PE板以及?1.8 m的PE板和PA板。

圖1 微孔板的氣液鼓泡試驗(yàn)

圖2耐反壓濾孔PE板和?1.8 m PE、PA板

2.1.3微孔濾材的抗強(qiáng)氧化性能顯著提高

除了濃度98%的濃硫酸和40%的硝酸，微孔PE或微孔PA能耐各種酸、堿、鹽及大部分有機(jī)溶劑。與金屬微孔濾材和陶瓷微孔濾材比較，其耐各種酸、堿等化學(xué)物質(zhì)的性能相當(dāng)優(yōu)越，但其耐強(qiáng)氧化劑的性能卻很差。在強(qiáng)氧化條件下（如活性氧、活性氯等），微孔PE與微孔PA只能使用三個(gè)月。經(jīng)過連續(xù)五年反復(fù)研發(fā)，一種新的微孔PE與微孔PA試制成功。新產(chǎn)品在強(qiáng)氧化條件下連續(xù)使用一年，濾材均未損壞，證明其抗氧化性能明顯提高。

2.2 精密過濾機(jī)結(jié)構(gòu)的最新進(jìn)展

我們長期從事自主創(chuàng)新的剛性高分子精密微孔過濾技術(shù)的研發(fā)，其中新型濾材的研發(fā)與新型精密過濾結(jié)構(gòu)的研發(fā)都是同步進(jìn)行的。由于新型過濾機(jī)結(jié)構(gòu)的研發(fā)需要進(jìn)行大型機(jī)械加工、大規(guī)模試驗(yàn)，許多大型零配件也需要進(jìn)行改進(jìn)，需大量人力、物力、空間與時(shí)間，難度大，耗財(cái)耗時(shí)多，成本相當(dāng)高，因此其研發(fā)進(jìn)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于濾材的研發(fā)。但工業(yè)生產(chǎn)上濾材必須用于實(shí)際的過濾機(jī)才行，因此無論結(jié)構(gòu)研發(fā)的難度有多大，我們?nèi)匀粓?jiān)持不懈努力工作。最近十年，針對粉末活性炭與炭基粉末催化劑等超細(xì)粉體的新型精密過濾機(jī)結(jié)構(gòu)的研發(fā)取得如下進(jìn)展。

2.2.1立式過濾機(jī)大直徑底蓋的快開結(jié)構(gòu)研發(fā)

2.2.1.1多鉤式大直徑底蓋快開門結(jié)構(gòu)

處理含固量多的立式管式過濾機(jī)，如需卸除大體積干濾餅，過濾機(jī)的底蓋必須是大直徑底蓋，而且必須采用氣動或液動操作。上世紀(jì)80～90年代，我們曾試用過 “錯(cuò)齒形快開結(jié)構(gòu)”，但發(fā)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)不適宜立式過濾機(jī)的底蓋，因?yàn)樗幚淼奈锪隙鄶?shù)有腐蝕性，濾餅卸料時(shí)錯(cuò)齒壓緊面易大量沾污濾餅，致使壓緊面易被腐蝕。另外， “錯(cuò)齒形結(jié)構(gòu)”不易放大至直徑1.2 m以上的結(jié)構(gòu)。為此我們只得放棄 “錯(cuò)齒形結(jié)構(gòu)”，改用中藥提取罐快開結(jié)構(gòu)——單鉤式快開門，但該結(jié)構(gòu)也難以放大至1.2 m。本世紀(jì)初，我們自主研發(fā)了帶保險(xiǎn)鉤的多鉤式快開門，可以將直徑放大到1.6～1.8 m。這一新結(jié)構(gòu)的開發(fā)，可使精密過濾機(jī)大量用于粉末活性炭、炭基粉末催化劑的過濾以及其他許多超細(xì)粉體的過濾。而且不僅可進(jìn)行高效精密過濾，還可在過濾機(jī)內(nèi)密閉進(jìn)行多次高效洗滌與壓干，最后利用氣缸快速打開底部快開門，將大體積干濾餅較快地排出精密過濾機(jī)。圖3為直徑1.6 m的多鉤式精密過濾機(jī)的外形圖。

圖3 ?1.6 m的多鉤式精密過濾機(jī)

多鉤式結(jié)構(gòu)解決了大直徑底蓋的放大問題。目前已有幾百臺直徑為1.4～1.6 m這種結(jié)構(gòu)的精密過濾機(jī)用于生產(chǎn)。但多鉤式結(jié)構(gòu)自鎖性能不可靠，需要較多的保險(xiǎn)鉤配合，才能防止使用過程中出現(xiàn)自動脫鉤的事故，而且這一結(jié)構(gòu)需要人工進(jìn)行打開保險(xiǎn)鉤操作，即該過濾機(jī)無法做到完全自動控制。

2.2.1.2 旋鉤式大直徑底蓋快開門結(jié)構(gòu)

2008～2012年，我們又開發(fā)了一種新的 “旋鉤式快開門結(jié)構(gòu)”，目前直徑為1.6 m的大底蓋已試制成功。該結(jié)構(gòu)自鎖功能好，開啟相當(dāng)方便。該結(jié)構(gòu)可將底蓋放大到2 m以上。這一新的快開門結(jié)構(gòu)已獲國家發(fā)明專利。

2.2.2 精密過濾機(jī)內(nèi)部新結(jié)構(gòu)的研發(fā)

粉末活性炭和炭基粉末催化劑的液固過濾必須滿足以下要求：

（1）過濾（包括洗滌）過程要密閉。

（2）過濾（包括洗滌）過程中超細(xì)炭粉不穿漏。

（3）過濾后，所有炭濾餅的洗滌效率要高，洗滌進(jìn)度要快。

（4）過濾與洗滌結(jié)束后，必須對過濾機(jī)內(nèi)炭濾餅壓干，最后快速方便地將機(jī)內(nèi)干濾餅全部卸到過濾機(jī)外面。

（5）對制藥、食品等行業(yè)，上下批物料不能發(fā)生混合。

（6）對某些活性很強(qiáng)的炭基粉末催化劑，過濾后不能用空氣壓干，應(yīng)使用氮?dú)獾榷栊詺怏w壓干。不能將這些濾餅排到空氣環(huán)境中。必須在隔絕空氣條件下，利用催化劑的下一步反應(yīng)液，將過濾機(jī)內(nèi)的催化劑濾餅全部密閉壓送至下一步化學(xué)反應(yīng)釜中。

上世紀(jì)的70年代末至80年代，我們對粉末活性炭的過濾作了很多研發(fā)工作，基本解決了上述不漏炭和密閉過濾兩方面的問題，但其他四方面的要求還無法滿足。上世紀(jì)90年代后期，許多制藥企業(yè)對過濾機(jī)提出了新的要求，上下批物料不能混批。為此我們查閱了國內(nèi)外資料，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)基本無人從事此工作，國外大多采取附帶幾個(gè)小過濾器，將主過濾機(jī)內(nèi)的殘液放到小過濾器內(nèi)過濾，以此避免上下批物料混批。國外只有一家過濾機(jī)公司將過濾機(jī)內(nèi)的殘液用泵輸送到本過濾機(jī)的頂部用氣體進(jìn)行噴霧，再利用氣體的動力和過濾機(jī)內(nèi)的濾材進(jìn)行氣體與液滴的氣液過濾。該方法解決了殘液全部過濾的問題，可避免上下批物料混批。但其最大弊病是噴霧時(shí)過濾機(jī)上中部內(nèi)壁將沾附不少炭質(zhì)顆粒。此方法誕生已近三十年，但至今還沒有看到其他公司采用該方法用于避免上下批物料混批。

上世紀(jì)90年代后期至本世紀(jì)初，我們開發(fā)了一種新的結(jié)構(gòu)，即在過濾機(jī)的底蓋上增加許多倒立的微孔管，這一簡單辦法能完全解決上下批物料混批的問題。目前，該方法已獲得多項(xiàng)實(shí)用新型專利。但該方法卸干濾餅相當(dāng)麻煩，需要人工輔助。

本世紀(jì)初，為了解決卸干濾餅時(shí)需人工大量輔助勞動的麻煩，又為了在精密過濾機(jī)內(nèi)能快速高效地進(jìn)行濾餅洗滌，經(jīng)過多年反復(fù)研發(fā)，我們開發(fā)出一種新型底部濾材組合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)底部濾材都是水平排列的，對于濾餅洗滌要求高的物料，水平排列的濾材從上到下可分成多層。圖4所示即為這種水平排列的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在這種結(jié)構(gòu)的過濾機(jī)已有幾百臺在許多企業(yè)應(yīng)用，直徑1.4～1.6 m的大直徑過濾機(jī)也有100多臺在幾家農(nóng)化生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用。

圖4 水平排列結(jié)構(gòu)的濾材

還有一些鈀炭粉末催化劑，在進(jìn)行密閉過濾、高效洗滌和壓干后，不能直接放到空氣環(huán)境中。對此，又開發(fā)了一種大直徑密閉精密過濾機(jī)，該過濾機(jī)無底蓋。當(dāng)鈀炭在過濾機(jī)內(nèi)經(jīng)過濾、洗滌和壓干后，利用下一步的原料液可使機(jī)內(nèi)干濾餅成為懸浮態(tài)，然后將其壓送至下一步的反應(yīng)釜中。目前，已有二十多臺直徑2.8～3.3 m的大型催化劑過濾機(jī)用于農(nóng)藥生產(chǎn)。目前，該過濾機(jī)已獲實(shí)用新型專利。

3 結(jié)束語

剛性高分子精密微孔過濾技術(shù)是我們用了四十六年時(shí)間自主創(chuàng)新的技術(shù)，具有過濾精度高、使用壽命長、節(jié)能、節(jié)材、減排和安全等優(yōu)勢。由于研發(fā)前期沒有充分的經(jīng)費(fèi)與最基本的研發(fā)條件，留下無數(shù)必須繼續(xù)研發(fā)的技術(shù)難題。到本世紀(jì)初，為了解決生產(chǎn)上迫切要求解決的粉末活性炭與炭基粉末催化劑的過濾、洗滌與壓干等問題，我們用了十多年時(shí)間連續(xù)不斷研究，才在濾材與精密過濾機(jī)結(jié)構(gòu)上獲得一些重大進(jìn)展。

Precise Filtration of Powder Activated Carbon and Carbon-based Power Catalyst from Liquid

Song Xianhong Song Zhili

Describes the characteristics of powder carbon,and introduces the major achievements in the field of precision filtration for solving the carbon leakage over the past decade.

Powder activated carbon;Carbon-based powder catalyst;Precise filtration;Filter;Particle

TQ 051.8+5

2013-02-15）

*宋顯洪，男，1938年生，教授。上海市，200060。