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活性炭的特性及其吸附金的机理 籼础 - _ r D宁 c8 ￡摘要】 蝴 慨黜 枷 靶 。 关 键 嗣 金 吸 附机 理／ 毛 ’ “ 6 c 一 1 前 言 活性炭是一种多孔性含炭物质，具有发 达的微孔构造和巨大的比表面积。它包括许 多种具有吸跗能力的碳基物质，能够将许多 化学 物质吸 附在其 表面上。 活性炭最初用于制糖业，后米广泛用于 去除污水中的有机物和某些无机物。近几十 年，在 提取黄 金方面 ，活性炭技术 又得 到了 迅速发展 。 自1 9 7 3 年世界 上第一座 炭浆法提 金厂在美 国霍姆斯特克 Ho me , t a k e 矿投 产以来，该法已风靡全球。据 资 料 介 绍， 1 9 8 9 年发浆汝回收金 占总量的4 4 ，其 中。 南非5 8 1 ． 8 t ，美 国2 8 9 ． 9 t ， 澳大利亚2 2 6 ． 8 t ， 加 拿 大 1 4 3 ． 3 t 。 我国于1 9 8 6 年为张家 日金矿引进美国炭 浆法提金工艺，并获得成功。在 短 短 几 年 里，已发展了2 0 多座 中小型炭浆厂。从发展 态势看，在 今后一段时 间里，炭浆法仍 是提 金的首选方法 。 活性炭 提金在 生产上 的成 功应用 ，主要 台 回收上 难 以克服的 困难。 5 结论 该含铜锌硫铁矿属复杂多 金 属 硫 化矿 床，由于铜锌品位较低，硫铁矿为主要工业 回收 矿物，铜 锌属于 综合 回收 矿物。 虽然矿石 属于复杂 硫化矿 ，但矿石 具有 三个特点有利于采用硫等可浮流程。试验证 明 ，采 用硫等可 浮流程 可 以将 复 杂 的 c u ～ z n ～s 分离简化为G u ～s 分离和z n ～s 分离。 活性炭的特性 吸附金的讥耻张锦瑞 归因于生产实践。 但 目前对 活性 炭的特性研 究 较少，也不很 清楚，对 吸附金的机理也 无 统一看法。本文 从理 论上对 活性炭的特性 和 吸附金的机理进行探讨，并在此基础上讨论 选择 提金活性炭的 方法。 2 活性炭的特性 2 ． 1 一般 性质 活性炭 外观 为晴黑色 ，具 有 良好 吸附性 能，化学性质 稳定，可耐强酸及强碱，能经 受水浸、高温，密度比水小，是多孔的疏水 性 吸 附裁 2 ． 2 细孔构造 和分布 活性炭在制造过程中，其挥发性有机物 被除 去， 品格 间生成 空隙 ，形成 许多 不 同形 状与大小的细孔。细孔壁的总表面积 即比 袁面 积一 般 高达5 0 0 1 7 0 0 m 。这 就是 活性炭 吸尉能力 强、吸 附容量大 的 主 要 原 因 。 袭耐祝相同的炭，对同种物质的吸附容 量有时 』 不同，这 与活性炭的细孔结构 和细 硫等可 浮流程 闭路试验结果 表明硫 精 矿品位可达 3 7 ，回收率 达9 0 以上 ；锕 稽 矿品位达2 0 ％以上 ，回收率6 7 J锌精矿品 位4 8 以上， 回收 率5 4 。 硫等 可浮流程 不仅可 以提 高精矿质量 ， 而且 可以大幅度 减少 再磨 量 ，降 低 药 剂 消 耗 。 参考文献 略 责任编辑康晓菡 一 30 维普资讯 孔分布有关。细孔结构随原料、活化方法、 活化条件不 同而异 。根据半径大小，一般将 细孔分为3 种 犬 微孔 半 径 1 0 0 0 1 O 0 0 O O 过渡孔 半径2 0 ～1 0 0 0 小微孔 半 径 ～2 0 活性炭小微孔容积一 般约为0 ． 1 5 ～0 ． 9 0 ml ／ g ，表面积 占活性炭总表 面 积 的9 5 以 上 。因此，活性炭与其 它吸 附剂相 比，小微 孔特别发达 。 过渡微孔 容 积 为0 ． 0 2 ～0 ． 1 O ml ／ g ， 表 面 积不超过单 位重量吸 附剂 总面 积 的5 。 用 药剂 活化 法得到的活性炭 ，其 孔容积 和表 面积可以提高。 大 微孔容积 为0 ． 2 ～0 ． 5 m／ ／ g ，表 面 积 只 有0 ． ～2 ． O m ／ g ，对 液相的 物 理 吸附作 用不大 ，但 作为触媒 载体 ，作 用 就 十 分显 著 。 总之，在 吸附过程 中，真正决定 吸附能 力的是微孔结构。全部比表面几乎都是微孔 构成的。粗孔和过渡孔分别起着粗，细吸附 通道 作用 ，它们的 存在 和分布在 相 当程度上 影响了吸附和脱附速率。活性炭的细孔分布 及作用模式见附图。 活性炭 的细孔分 布及作 用模 式 2 ． 3 表面化学 性质 活性炭的吸附特性，不仪受到细孔结构 的影响， 而且受到活性炭表面化 学性质 的影 响。 2 ． 3 ． 1 活性炭 的元素组成 活性炭的组成元素中， 炭 占7 0 ％～9 5 ％。 此 外还有两种 混台物 一是 氢和氧 ，它 们在 原料 中本来 就存在 ，或在炭化过 程 中不完 全 炭化而残 留于 活性炭结构 中，或在活化 时 以 化学键结合J二是灰分，它们构成活性炭的 无机部分 。灰分的 含量及组成随 活性炭的种 类而异，椰壳炭的灰分在3 左 右。煤 质炭 的灰分 高达 2 0 ～3 D ％。活性炭的 灰分 ，对 活性炭吸 附溶液 中的某 些电解质和非 电解质 有催化作用 。 2 ． 3 ． 2 表面氧化物 活性炭 中的氢 和氧，列 活性炭的吸 附及 其 它特 性有很大影 响。在 炭化 与 活 化 过程 中，氢和氧同碳以化学键结合，使活化炭表 面上 有各种 有机官 能团形式 的氧化物和碳氢 化物。氧化物使活性炭 与吸附质分子发生亿 学作用，显示出选择吸附性。这些有机官能 团有羧基 、酚性氢基 、醍型 羧基 、醚 、酯萤 光黄型的内酯，碳酸无水物、环状过氧化物 等 。 3 活性炭吸 附金 的机理 活性 炭可 以从 浸出清液 、浸出矿浆 、浸 出过程 中吸附金， 相应 称为 炭柱法 C I C 、 炭 浆法 C I P 和炭 浸汝 C I L 。 3 ． 1 基 本 原 理 3 ． 1 ． 1 吸 附作用 将 溶质聚集 在 固体 表面的作用称为 吸 附 作用。 活性 炭表面具 有吸附作 用 。吸附可 看 成是一种表 面现象 ，所 以吸 附与活性 炭的裘 面特性有密切关系。活性炭有巨大的内部表 面和孔隙分布。它的外表面积和表面氧化状 态的作用是 较小 的 ，外表面只是 提供与内孔 穴相通的许多 通道。 表面 氧化物的 主要作用 是使疏水性的炭骨架具有亲水性，也即使活 性嵌对许多极性和非极性化台物 具 有 亲 台 一 40 维普资讯 办。活性炭具有表 面能，其 吸附作 用是 构成 孔洞 壁表面的碳原 子受力 不平衡 所致，从而 g l 起 表面吸 附作 用。 3 ． 1 ． 2吸附形 式 吸附形式分为物理吸附与化学吸附。物 理吸附是通过分 子力 的吸 附， 即同偶极之 间 的 作用 和氢键为主的 弱范德华力有 关。它有 足 够的 强度 ，可 以捕获 液体 中的分 子。 吸附 是分 子力 引起的 ，吸附热较小。物 理吸 附需 要 活化 能，可在 低温条 件下进行。这种 吸附 是可逆 的，即在 吸附的 同时，被 吸附的分 子 由于热运动会离开固体表面，这种现象称为 解吸 。化学 吸附与价键力 离子 键 或 共 价 键 相结合 ，是 一个放热过程 。化学 吸 附有 选 择性 ，只对 某种或几种特 定物质起作用 。 化 学吸 附不可 逆，比较稳定 ，不 易解吸。 活 性炭提金时，两种吸附并存，但以物理吸附 居多。 3 ． 1 ． 3吸附速率 活性 炭的 吸尉过 程分为 3 个 阶 段。首先 是 被吸 附物质在 活性 炭表面形成 水膜 扩散 ， 称为膜扩散，然后扩散 炭的内部孔隙，称 为 孔扩 散，最后 吸 附在炭的 孔隙表面上 。因 此 ，吸附速 率取决于被 吸附物 向活性炭 表面 的扩散 。在 物理 吸附申，炭粒孔隙内 的扩 散 速度和炭粒 表面 上的 吸附反应 速度 ，主要 同 前两项有关 。 3 ． 2 吸耐金的机理 活性 炭从氰化金 溶液 中吸附金 的机理 ， 可归结为如 下儿类 1 A u C N 。 一 还原成金属 金J 2 吸 附[ M ] [ A u C N 2 - ] Ⅱ 离 子 对 } 3 Au C N 2 - 和阳离子双 电层 吸附在 带 电的表面上 ， 4 A u C N 2 - 被 吸跗并随 后降 辫 为 A u C N聚台 物， 5 Au c N 2 - 阴离 子被假 定存 在 于 表面 上带正 电的碳 离子位之离 子交 换吸 附； 6 吸附离子 后， 部分Au cN g -- 络合 物 还原成聚 集型金 。 就 活性 炭吸 附金而 言，还 无简单机理 。 N． 楚奇 达 Ts u c h i d a 研究 表 明， A u c N 一 是通过 与OH一 的 离子交换 ，随后 氧化降解为 Au C N， 吸 附在 活性炭 上 。 菲 尔德 曼 F e l d t ma n 提 出Au e N t 一 的氧化 降解俸 甩为 1 Au CN 一Au CN - - 5 - C2 N。 e 弗里明 F l e mi n g 和 尼科 Ni c e 研究 表 明，活性炭 吸 附 金 的 机 理 是 Au C N z 一 与 某些 表面氧化官 能团进行 离子交换 。s． 迪 克 森 Di x o n 等人基 予 活化能计 算，断 定吸 附过 程受制 于扩散。G。 J ． 麦克多 戈 尔 MC Do u g a l 1 认为 ，吸 附可 能存 在一个 最 初 的 吸附阶段。该 阶段是 离子 偶M A c N 一 的 吸 附 其 中M 为Na 、K 和C a ，然 后 是还原 阶段 ，在 此 阶段不是生成 准化 学计 量 的A u C N x 表 面 化 台 物， 就 是 生 成 金 的多聚型化台物 。M． D． 阿丹 斯 A d a ms 认为 ，在 高离子强度下 ，炭 吸附A u C N 2 - 是根据离 子对 的机理 进 行 的 ，即M [ Au c N 一 ] 的 离子对 吸 附在炭的 表面上 ， 并不 发生 化 学 变化。在 酸 性 溶 液 中 吸 附 A u C N 一 ， 其 主要 吸 附形 式是 HA U C N ， 仅 仅在 高温时有可 能沉 淀出A UC N。阿 丹 斯 在不同离子强度条件下 进 行 试 验。结果表 明， 以上不 同的吸 附机理都 可 以成立。 有关 活性炭吸附金的机理有待进一步研究。 4 提金活性炭的技术要 求 提金 活性炭是 由提金工 艺决定的 ，具俸 要求有 以下 几点 。 { ． 1 机械 强度 高 炭要 加到 搅拌的 矿浆 中 吸附金 ，因此应 有较 高机械强度 。耐磨强度 一 般 要 求 大于 9 8 ，易碎 炭粒的 吸附性 往往较 高，容易 造 成 载金炭流 失，影响金的 回收率。为 了提高 嵌的机械强度 ，要进 行 一般 为4 b 的 预处 蒋 性嵌 的特性 殛 其吸附 盒的机 理 张锦瑞 维普资讯 理，使 灰的损 失量降 至5 ％～ l 0 ，磨 损 罱 减到最低 限度 4 ． 2 有价 元素要 有高的容量 和选择性 金矿是 伴生矿 ，腺含 不与氰化物 反应 的 石英 、硅酸盐 等 矿物外，还 有能同氰 化物反 应的矿物，如铜、铁，锑、砷等。因此要求 炭对金 的 吸附性 和选 择 性 较 好 ，而对铜 、 铁 、铝等较差。美国矿山局和英美试验室的 研究 证实，炭 吸 附金 的吸 附平衡 容量 与 溶液 中金 浓度 有关。金在 溶液 中的 平衡浓度 1 0 0 ～ 0 ． 1 1 0 的 吸 附等温 线，几 乎 成 直 线，但在较低浓度时开始弯曲。吸附容量随 p H 值的减少而增加，平衡随温度升高 而 迅 速下降| 吸附速度 则随 温升 而加快。金 的原 子 半径为 0 ． 1 4 p m，活性炭 的微 孔 为 0 ． 5 ～ 2 ． 0 m。实验得知 ， 1 ． 0 p ro左 右的微孔 对金 氰络离子有很好的吸附能力。载金炭一般含 金3 k g ／ t ，所 以提金活性炭要 有较高 的 吸附 容 量。 4 。 3吸附动力学快 吸附速度指单 位重量 的 活性炭在单 位时 间内所吸附物质的量。活性炭是加到搅拌的 矿 浆 中来吸 附金 的。 搅拌增加了矿浆 与活性 鼓 之间的相对 速度 。金络 离子首先 吸附在 活 | ／ ／立 式 冲 击 破 碎 机 性炭的外表面，然后进入活性炭内部微孔。 这种扩散速度的快慢，取决于金离子在微孔 中的流动性 。活性炭 的微孔构造 和分布及金 络离子的大小，同结构有关。吸附速度决定 了活性炭 与金 络离 子的 接触 时间。吸附速度 越快，所需接触 时间越短。 4 ． 4 容易解 吸和再生能多 次利用 金氰络合物经活性炭吸附后，能够比较 容易解 吸，残 留在炭 孔隙 中的金量很 少。再 生处理能恢复炭的吸附性，使 其 能 多 次使 用 ，且耗量 最小。 5结论 炭 装法在工业 上大规模应用 ，推 动 了黄 金 生产的 发展 ，克服 了锌 粉置换 那种先经 固 液分 离 、澄清 和产生 含金 清液 、减 压脱 气除 氧， 然后才能置 换的 缺点 。活性炭直接 从矿 浆 中吸附金 ，再通过 级 间筛 得到回收 ，省 去 了固液分 离和脱气 作业 。因此，炭 浆法在 经 祷上同传统的锌置换法相比，有明显的优越 性， 可使投 资与操作 费用 节 省 大 约2 O ～ 5 0 ，而 且 溶解 金损失少， 回收 率 高。 参考文 献 略 责任 编辑李怀 先 Ka e - Ke n 公 司最近为乌 兹别克 斯 坦 船 运 了 第一组 立式 冲击破 碎 机， 以 用 于Mu r U t n t a U t 堆浸回收金 的现场 Mu r u n t a u 堆浸工 程 是 由乌兹别克斯 坦 与 美 国Ne wmo t 公 司 联台 经营项 目。采用美 国的技 术设 计 ，从 以 前 绪存的低品位矿石 中国收 金。 成 套的破碎设备 包 括 1 6 台9 6 型 Tu r b o 立 式 冲击破碎机 ，每 台 都配有 2个 3 0 0 马力 1 马力 7 3 5 ． 4 9 8 W、6 0 0 0 V的 马达 ，同时每 台破碎机还设 有平衡 、 高速 的S u p e r S h a p e r 转子，转子的高速运转提高了合格产 品的产 量，增加了金的回收率，而且易损件磨损率 低 。 1 6 台9 6 型立式 冲击破碎机分两 组安 装， 每组 8台，每台都能够把0 ． 5 英 寸 1 英 寸 2 5 ． 4 ram的给矿碎 至1 0 0 一 6网 目。该 机 闭路操作 ，其生产能 力 为3 1 8 0 t ／ h 。该 工 程 决定采用立 式 冲击式 破碎机，而不 用 圆锥 破碎机或磨矿机是因为该机投资费用低，而 垒的 回收率 高。 张 丽萍 摘译 自Mi n ．J o u r ． ，1 9 9 4 ， 3 2 2 8 2 7 0 2 5 2． 有 色 矿 山 i 9 9 4 5 维普资讯