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日新远望科技张庆武|活性碳纤维在制药精细化工领域的应用


发布时间:2018-11-19 药融圈


药融圈第141场专享会嘉宾:北京日新远望科技总工程师 张庆武

北京日新远望科技发展有限公司成立于2009年,主要从事化工、制药领域的新技术、新工艺、新设备、新材料的开发与应用,从而实现化工,制药产品生产的低能耗、低物耗、低成本,提高竞争力。
 


活性碳纤维应用技术的由来
 
本次分享的主题技术主要是关于活性碳纤维在制药及精细化工领域的应用。首先和大家介绍一下活性碳纤维技术的来龙去脉。

在十几年前,我当时还是在一个大工厂上班,到生产现场去做一些具体工作时,发现岗位工人和管理人员发生了争吵,经过了解是脱色的岗位工人与检查人员之间发生了争执,并且那时的现场环境就是一个脏乱差的现象。我冷静地分析了现场情况,实话说这种工艺和生产水平几乎是达不到纸面上的技术要求。当时我就在想,我们作为技术人员,能不能找到更好的方法,脱色是用活性碳投到溶解脱色罐里,经过一段时间搅拌通过固液分离装置把碳分离出来。废碳还要从固液分离装置当中取出,在这些操作过程当中就避免不了脏乱差的弊端。我就在思考能不能有一种方法可以让这个岗位既能达到比较良好的脱色效果,也能把脏乱差的现象消失,由此延伸内心创新的冲动。

正式开发这项技术是从2003年开始到2013年,历时10年。期间的艰辛不一一细说,到2013年下半年成功开发了6种高品质活性碳纤维。从2014年开始把技术推向市场,受到制药企业、精细化工企业、食品饮料领域的欢迎,使用的用户接近200家。下面正式把这项技术如何应用在制药和化工领域与大家进行分享。
 



21年前出现的活性碳纤维

 

活性碳在生产日常中,通常是液体脱色会使用到活性碳。活性碳分粉末状活性碳、颗粒状活性碳、纤维状活性碳。粉末状活性碳在日常生产,以及生活当中都能经常见到。颗粒活性碳是在很原始的时候出现过,防毒面具放置的就是颗粒状活性炭,这是第二种活性碳存在的形式。活性碳纤维在几十年前就有该物质,只不过当时生产制造工艺比较原始,与当下制造工艺截然不同。

活性碳早期的生产工艺我们称之为滚元宵法。每到正月十五,我国南方传统吃的是汤圆,北方传统吃的是元宵。汤圆是包出来的,用糯米粉和成面,中间放上馅给它包起来,这是汤圆。而北方的元宵是滚出来的,在一个箩筐放上干的糯米粉,里面放上一小块馅料,我们去摇晃这个箩筐,糯米粉是裹在馅料上,让元宵成型。原始的活性碳纤维生产就是跟滚元宵一样,设想在一个箩筐里放上粉末状的活性碳,中间放上粘性物质作为中心,一摇晃箩筐粉末状的活性碳以粘性物质为中心,就包裹上形成了一个个不规则小球。然后对不规则小球进行拉丝,拉非常长的丝,得到丝之后进行纺织就得到活性碳纤维,类似于羊绒、毛料这种形式,这就是活性碳纤维。

距今大概以21年左右作为分水岭,新的活性碳纤维制作方法就出来了,具体方法是先选择合适的布或者毡这类东西,送到装置里面去进行高温碳化,当然中间过程比较复杂需要很多参数,拿出来之后布或者毡外形没变,但是被碳化了(是具有活性的碳),这就是新的活性碳生产工艺。

说到这里大家可以想象到原始方法生产活性碳纤维注定不能用于高端的生产当中,因为它有粘性物质,这些粘性物质要溶出就会破坏产品品质。

虽然在21年前就有这种新的工艺活性碳纤维,但是遗憾在它的含量太低,活性碳含量大概在80% ,还有20% 的杂质成分,溶出就会造成产品的污染。这20%杂质就应用不了食品行业、制药行业等高端市场领域。
 



活性碳纤维的应用

 

我们历时十年研发的活性碳纤维,可以把纯度控制在90%-99%范围内,基本上杜绝杂质溶出对产品的污染。说到这里有的人会问是否可以做到100%的纯度,对产品就没有污染。这个问题应该这么考虑,首先世界上没有绝对纯的物质,不可能有含量100%的东西,其次是物质特性所决定,活性碳作为吸附类非常好的物质,它在发挥吸附性作用的时候,表面有丰富的微孔,微孔有孔径,而那些需要被孔径和粒径相匹配的时候,它就会有比较好的吸附作用。

在活性碳表面一定会存在基团,这些基团会起到选择性作用,如果我们能把活性碳纤维纯度做到100%,这些基团就不存在了,矛盾的次要方面就转化为主要方面了,没有选择性就没有实际意义。用我们行业术语说,做到90%至99%的纯度可以自由选择针对不同需求控制不同含量是刚刚好。

活性碳纤维在制药、化工领域都有哪些用途?

总结有以下六个方面:

1、尾气吸附;

2、用于分离水溶液中少量有机物;

3、用于液体脱色取代传统粉末活性炭能够实现多批次重复利用;

4、去除无色液体中溶解性杂质;

5、用于固定贵重金属催化剂;

6、用于特定手型化合物分离。
 


 

重点向大家介绍前三个领域的应用。一:尾气吸附;治理VOC,具体案例某个企业生产大量使用乙酸乙酯,乙酸乙酯在厂房空间混合在空气大量的弥漫,环保政策也不允许,即使在过去也是造成相当大的污染。乙酸乙酯作为资源以及原料,这么排放的话无论是成本,还是各方面来说也不允许那样做。我们用活性碳纤维装置把厂房空气集中收集,经过活性来说纤维装置之后出去的空气就达标,乙酸乙酯被吸附在活性炭纤维上,当吸附饱和之后通过蒸汽进行脱附再生。然后脱附再生得到是乙酸乙酯和水的混合物,混合物静止一段时间进行分层,下面是水层,上面是乙酸乙酯层。水层含有少量的乙酸乙酯大概在5%或者更低一些,上层乙酸乙酯层含少量的水大概在5%-8%这样的情况。针对上层乙酸乙酯含有少量的水,可以通过渗透汽化膜装置来处理。

拿个案例来说降低废水里面的SOD值,案例是每天100吨低浓度废水,SOD值是每升100毫克,必须处理到小于50%的排放。我们就用活性碳装置吸附里面的有机物,吸附完之后100T的水SOD值是40%  我们做到30%或者20%也可以,当然SOD值排放越低,需要活性碳纤维量越大,投资也会多一些。

当活性碳纤维吸附饱和之后,每天就用500公斤蒸汽对装置进行再生,再生之后我们就得到500公斤再生废水,这个废水每升1万2毫克的SOD 值,这废水再进去生化装置就比较容易处理。通过这种方式操作可以把比较棘手的问题简单化处理。
 



活性碳纤维用于液体脱色

 

第三方面是今天重点介绍的活性碳纤维用于液体脱色,取代传统粉末活性碳减少固废和微废。我们知道液体经常是需要进行脱色处理,是制药化工常见的单元过程。液体里面存在发色基团和助色基团,导致液体里面有颜色。为大家讲解一下发色基团和助色基团之间的关系,如果液体里只有发色基团没有助色基团,液体所表现出来是很微弱的颜色。反过来说液体里有助色基团没有发色基团就不会呈现出颜色。只有液体里面既存在发色基团又存在助色基团才会呈现出比较明显的颜色。当然有的时候发色基团和助色基团两者是合二为一,比如硫酸铜,溶在水里就会存在明显的颜色,这个就是发色基团和助色基团合二为一,既是发色基团也是助色基团。液体脱色的过程就是我们采用适当的方法不管是物理学方法还是化学方法把液体里面发色基团和助色基团分离出去,液体实现脱色。

一般液体脱色有三种方法:一种是蒸馏法、一种是膜分离法、一种是吸附法。就企业老板和工艺设计而言,如果这个液体只需要脱色不需要做第二个目的的话一定会选择吸附法,无论是蒸馏法,磨分离法在成本以及操作上都没有吸附法来的简单便捷。

吸附剂分成五大类:活性碳、二硅胶、活性氧化铝、沸石分子筛、吸附树脂。这五类吸附剂是在不同场合不同情况下用不同的吸附剂但是总结归纳实际95%以上的液体脱色过程采用的都是活性碳,而过去绝大多数都采用粉末状的活性碳用于液体脱色。
 


 

我们把活性碳分成三类,原来液体脱色95%或者说绝大多数使用的是粉末状活性碳。现在把活性碳纤维用于液体脱色取代了粉末活性碳。来的常规的工艺是溶解脱色罐里把溶剂投到里面,把粗品投进去充分搅拌,让粗品充分溶解溶剂之后,再把粉末活性碳投进去在一定的温度下搅拌一定的时间。这个是搅拌脱色过程,脱色之后通过固液分离装置把废碳接下来,脱好之后进行下面的工序。一般情况下废碳会被定为固废、危废。一批一淘汰,一批一处理。废碳现在处理代价越来越高,目前掌握的大概情况,山东河北一带处理废碳一吨在4000元以上,江浙一带超过5000-6000元左右。前段时间在杭州参加一个交流会,有人告诉我废碳处理已经超过1W每吨,而且是定额管理,量多还没办法处理。用到我们活性碳纤维,脱色过程就是把溶剂和粗品溶解好之后就可以进入活性碳纤维吸附装置里,料液通过去就实现了脱色功能。我们把活性碳纤维作为模块化,外型像过滤滤芯一样,只不过我们不起过滤作为,我们起的是吸附脱色作用。有的人叫活性碳滤芯,实际上不对,我们把装置叫做活性碳模块。

举个例子来说,比如一个五、六千一批的料液,一般碳用二三十公斤脱色是很正常的,得到的一批湿品废碳,肯定至少四十至六十公斤。按100批取个中间数如果一批得到50公斤废碳,那最后就是得到5吨的废碳,而使用我们的活性碳纤维 ,二十英寸大致用二十几只活性碳模块。这二十几只模块反复套用至少可以使用上百个批次,这二十几只模块如果是个子高手臂长操作工两手一笼也就抱起来了。现在来看100多批就产生这么点废弃物,跟原先100多吨产生5吨废弃物相比,不能说废碳彻底消除,最起码也消除98%至99%以上。
 



 活性碳纤维在企业上的应用

 

我们开发了6种纤维活性碳,下面给大家介绍一下到底哪种比较适合企业应用。

刚才我说到关于活性碳的孔径的概念,无论是粉末碳颗粒碳还是纤维碳。它表面都有丰富的微孔,微孔有一定的孔径。粉末活性碳的微孔分布是一个宽的正态曲线。料液里面发色基团和助色基团的粒径分布。只要是在这个正态曲线分布的范围内,粉末活性碳有它的优势,它叫广谱吸附,广谱脱色。但对应有很大的缺点,如果料液里面发色基团和助色基团粒径分布的很密集,聚集在很窄的区间,粉末活性碳那么宽的区间范围就会造成活性碳功能性浪费量较大。

就活性碳纤维来说,目前开发了六种型号,形象的说还是粉末活性碳那么宽的孔径分布范围,只是我人为的把它切割,相当一种型号的活性碳纤维对应的一小段的孔径范围,但是六段加一起还是等于活性碳孔径分布范围。事实上我们应用它的优点,让客户最大程度上使用的同时取得比较好的应用效应。当然有的时候事物也不都完全是理想化的,六种型号到底哪种适合大家的料液,我们就会进行小试赛选,两三个小试就会完成一个小试。

我们做具体小试赛选的时候,观察到每一种活性碳纤维对料液都有一定的脱色效果,但没有一种没有达到粉末活性碳的脱色效果。这种现象也非常正常,原因就是我刚才说的如果料液里面发色基团和助色基团粒径分布在很窄的区间内分布是聚集性的话,我们用一种型号活性碳纤维正好。它的孔径分布范围和它的粒径分布范围相重叠,就能形成脱色效果了。
 


 

如果料液里面发色基团和助色基团粒径分布是离散型的,而且是宽范围的离散型的,那你用任何一种活性碳纤维可能只吸附发色基团和助色基团,不可能吸附掉所有。所以不管哪一种体现出来的都是只有一点点效果,但如果单一使用都达不到最佳效果。

对于这种情况我们也有案例,某大宗产品每天投料十几批,最初选择活性碳纤维的时候,无论哪一种型号都没有达到比较好的吸附效果。他就选择了一种可以最大吸附最大杂质的活性碳纤维,采用废碳利用,每天的第一批用原先的处理工艺,第一批的废碳留置在装置内,接下去的十几批都从该废碳中走一次,以达到最佳处理效果,实现了废碳资源的最大化利用。

还有的情况是废碳利用也起不到最佳效果,这时候我们就采取部分代替组合法,比如某企业生产过程一万升料液体系一批要加80公斤粉末活性碳脱色。后来还是一万升只加20公斤粉末活性碳脱色,  除碳过滤之后再经过选中效果最好的活性碳纤维装置就实现了最佳脱色效果。无论是完全代替,还是废碳利用,还是部分代替组合法。这三种方法无论应用哪一种,在我们接近一两百家使用下来,都是大大的帮助企业降低固废量,降低处理成本。

刚才提到孔径大小如何控制,孔径最小能达到多少,由于是公司的核心技术,所以在这里笼统的介绍一下。孔径就是微米,纳米级别,我们是有意识的设定孔径。如有企业有需求,我们提供小试方法,小试样品以及实验方法。您把结果发过来,我们会用数学模型现场算出方案,有需求企业欢迎与我联系。
 



提 问 环 节


 

张庆武总工程师答:手性化合物左右旋体不是孔径不一样,而是由于空间位阻特定的手型化合物,粒径会有所区别。



 

张庆武总工程师答:水溶液和有机溶液中都能用。
 


 

张庆武总工程师答:预计明年二月推出生产应用,目前正在做评测。
 


 

张庆武总工程师答:应该可以,曾经与上海血液制品所合作过。
 


 

张庆武总工程师答:负载工艺主要难点在牢固与均衡。
 


 

张庆武总工程师答:可以合作,把粉末活性碳的用量减少,相应减少或消除废碳。

 

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