摘要：著重論述活性炭的特性和吸附金的機(jī)理，提出用活性炭提金的技術(shù)要求。
1 前言
活性炭是一種多孔性含炭物質(zhì)，具有發(fā)達(dá)的微孔構(gòu)造和巨大的比表面積。它包括許多種具有吸附能力的碳基物質(zhì)，能夠?qū)⒃S多化學(xué)物質(zhì)吸附在其表而上。
活性炭較早用于制糖業(yè)，后來廣泛用于去除污水中的有機(jī)物和某些無機(jī)物。近幾十年，在提取黃金方面，活性炭技術(shù)又得到了迅速發(fā)展。自1973年世界上頭座炭漿法提金廠在美國雀姆斯特克礦投產(chǎn)以來，該法已風(fēng)靡全球。據(jù)資料介紹，1989年炭漿法回收金占總量的44%，其中：南非581.8t，美國289.9t ,澳大利亞226.8t，加拿大143.3t。
我國于1986年為張家口金礦引進(jìn)美國炭漿法提金工藝，并獲得成功。在短短幾年里，已發(fā)展了20多座中小型炭漿廠。從發(fā)展態(tài)勢(shì)看，在今后一段時(shí)間里，炭漿法仍是提金的選擇方法。
活性炭提金在生產(chǎn)上的成功應(yīng)用，主要?dú)w因于生產(chǎn)實(shí)踐。但目前對(duì)活性炭的特性研究較少，也不很清楚，對(duì)吸附金的機(jī)理也無統(tǒng)一看法。本文從理論上對(duì)活性炭的特性和吸附金的機(jī)理進(jìn)行探討，并在此基礎(chǔ)上討論選擇提金活性炭的方法。
2 活性炭的特性
2.1 一般性質(zhì)
活性炭外觀為暗黑色，具有良好吸附性化，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可耐強(qiáng)酸及強(qiáng)堿，能經(jīng)受水浸、高溫，密度比水小，是多孔的疏水性吸附劑。
2.2 細(xì)孔構(gòu)造和分布
活性炭在制造過程中，其揮發(fā)性有機(jī)物被除去，晶格間生成空隙，形成許多不同形狀與大小的細(xì)孔。細(xì)孔壁的總表面積（即比表面積）一般高達(dá)500~1700m2/g。這就是活性炭吸附能力強(qiáng)、吸附容量大的主要原因。
表面積相同的炭，對(duì)同種物質(zhì)的吸附容量有時(shí)卻不同，這與活性炭的細(xì)孔結(jié)構(gòu)和細(xì)孔分布有關(guān)。細(xì)孔結(jié)構(gòu)隨原料、活化方法、活化條件不同而異。根據(jù)半徑大小，一般將細(xì)孔分為3種：
① 大微孔：半徑1000~100000Å
② 過渡孔：半徑20~1000Å
③ 小微孔：半徑≤20Å
活性炭小微孔容積一般約為0.15~0.90ml/g，表面積占活性炭總表面積的95%以上。因此，活性炭與其它吸附劑相比，小微孔特別發(fā)達(dá)。
過渡微孔容積為0.02~0.10ml/g，表面積不超過單位重量吸附劑總面積的5%。用藥劑活化法得到的活性炭，其孔容積和表面積可以提高。
大微孔容積為0.2~0.5ml/g，表面積只有0.5~2.0m2/g，對(duì)液相的物理吸附作用不大，但作為觸媒載體，作用就十分顯著。
總之，在吸附過程中，決定吸附能力的是微孔結(jié)構(gòu)。全部比表面幾乎都是微孔構(gòu)成的。粗孔和過渡孔分別起著粗、細(xì)吸附通道作用，它們的存在和分布在相當(dāng)程度上影響了吸附和脫附速率。
2.3 表面化學(xué)性質(zhì)
活性炭的吸附特性，不僅受到細(xì)孔結(jié)構(gòu)的影響，而且受到活性炭表面化學(xué)性質(zhì)的影響。
2.3.1 活性炭的元素組成
活性炭的組成元素中，炭占70%~95%。此外還有兩種混合物：一是氫和氧，它們?cè)谠现斜緛砭痛嬖冢蛟谔炕^程中不完全炭化而殘留于活性炭結(jié)構(gòu)中，或在活化時(shí)以化學(xué)鍵結(jié)合二是灰分，它們構(gòu)成活性炭的無機(jī)部分。灰分的含量及組成隨活性炭的種類而異，椰殼炭的灰分在3%左右。煤質(zhì)炭的灰分高達(dá)20%~30%。活性炭的灰分，對(duì)活性炭吸附溶液中的某些電解質(zhì)和非電解質(zhì)有催化作用。
2.3.2 表面氧化物
活性炭中的氫和氧，對(duì)活性炭的吸附及其它特性有很大影響。在炭化與活化過程中，氫和氧同碳以化學(xué)鍵結(jié)合，使活化炭表面上有各種有機(jī)官能團(tuán)形式的氧化物和碳?xì)浠铩Ｑ趸锸够钚蕴颗c吸附質(zhì)分子發(fā)生化學(xué)作用，顯示出選擇吸附性。這些有機(jī)官能團(tuán)有羧基、酚性氫基、醌型羧基、醚、酯螢光黃型的內(nèi)酯、碳酸無水物、環(huán)狀過氧化物等。
3 活性炭吸附金的機(jī)理
活性炭可以從浸出清液、浸出礦漿、浸出過程中吸附金，相應(yīng)稱為炭柱法（CIC）、炭漿法（CIP）和炭浸法（CIL）。
3.1 基本原理
3.1.1 吸附作用
將溶質(zhì)聚集在固體衣面的作用稱為吸附作用。活性炭表面具有吸附作用。吸附可看成是一種表面現(xiàn)象，所以吸附與活性炭的表面特性有密切關(guān)系。活性炭有巨大的內(nèi)部表面和孔隙分布。它的外表面積和表面氧化狀態(tài)的作用是較小的，外表面只是提供與內(nèi)孔穴相通的許多通道。表面氧化物的主要作用是使疏水性的炭骨架具有親水性，也即使活性炭對(duì)許多極性和非極性化合物具有親合力。活性炭具有表面能，其吸附作用是構(gòu)成孔洞壁表面的碳原子受力不平衡所致，從而引起表面吸附作用。
3.1.2 吸附形式
吸附形式分為物理吸附與化學(xué)吸附。物理吸附是通過分子力的吸附，即同偶極之間的作用和氫鍵為主的弱范德華力有關(guān)。它有足夠的強(qiáng)度，可以捕獲液體中的分子。吸附是分子力引起的，吸附熱較小。物理吸附需要活化能，可在低溫條件下進(jìn)行。這種吸附是可逆的，即在吸附的同時(shí)，被吸附的分子由于熱運(yùn)動(dòng)會(huì)離開固體表面，這種現(xiàn)象稱為解吸。化學(xué)吸附與價(jià)鍵力（離子鍵或共價(jià)鍵）相結(jié)合，是一個(gè)放熱過程。化學(xué)吸附有選擇性，只對(duì)某種或幾種特定物質(zhì)起作用。化學(xué)吸附不可逆，比較穩(wěn)定，不易解吸。活性炭提金時(shí)，兩種吸附并存，但以物理吸附居多。
3.1.3 吸附速率
活性炭的吸附過程分為3個(gè)階段。首先是被吸附物質(zhì)在活性炭表面形成水膜擴(kuò)散，稱為膜擴(kuò)散，然后擴(kuò)散到炭的內(nèi)部孔隙，稱為孔擴(kuò)散，后吸附在炭的孔除表面上。因此，吸附速率取決于被吸附物向活性炭表面的擴(kuò)散。在物理吸附中，炭粒孔隙內(nèi)的擴(kuò)散速度和炭粒表面上的吸附反應(yīng)速度，主要同前兩項(xiàng)有關(guān)。
3.2 吸附金的機(jī)理
活性炭從氰化金溶液中吸附金的機(jī)理，可歸結(jié)為如下幾類：
(1) Au(CN)2-還原成金屬金；
(2) 吸附[Mn+][Au(CN)2-]n離子對(duì)；
(3) Au(CN)2- 和陽離子雙電層吸附在帶電的表面上；
(4) Au(CN)2-被吸附并隨后降解為AuCN聚合物；
(5) Au(CN)2-陰離子被假定存在于表面上帶正電的碳離子位之離子交換吸附；
(6) 吸附離子后，部分Au(CN)2-絡(luò)合物還原成聚集型金。
4 提金活性炭的技術(shù)要求
提金活性炭是由提金工藝決定的，具體要求有以下幾點(diǎn)。
4.1 機(jī)械強(qiáng)度高
炭要加到攪拌的礦漿中吸附金，因此應(yīng)有較高機(jī)械強(qiáng)度。耐磨強(qiáng)度一般要求大于98%，易碎炭粒的吸附性往往較高，容易造成載金炭流失，影響金的回收率。為了提高炭的機(jī)械強(qiáng)度，要進(jìn)行（一般為4h的）預(yù)處理，使灰的損失量降至5%~10%，磨損量減到較低限度。
4.2 有價(jià)元素要有高的容量和選擇性
金礦是伴生礦，除含不與氟化物反應(yīng)的石英、硅酸鹽等礦物外，還有能同氰化物反應(yīng)的礦物，如銅、鐵、銻、砷等。因此要求炭對(duì)金的吸附性和選擇性較好，而對(duì)銅、鐵、鋁等較差。美國礦山局和英美試驗(yàn)室的研究證實(shí)，炭吸附金的吸附平衡容量與溶液中金濃度有關(guān)。金在溶液中的平衡濃度10×10-6~0.1×10-8的吸附等溫線，幾乎成直線，但在較低濃度時(shí)開始彎曲。吸附容量隨pH值的減少而增加；平衡隨溫度升高而迅速下降；吸附速度則隨溫升而加快。金的原子半徑為0.144μm，活性炭的微孔為0.5~2.0μm。實(shí)驗(yàn)得知，1.0μm左右的微孔對(duì)金氰絡(luò)離子有很好的吸附能力。載金炭一般含金3kg/t，所以提金活性炭要有較高的吸附容量。
4.3 吸附動(dòng)力學(xué)快
吸附速度指單位重量的活性炭在單位時(shí)間內(nèi)所吸附物質(zhì)的量。活性炭是加到攪拌的曠漿中來吸附金的。攪拌增加了礦漿與活性炭之間的相對(duì)速度。金絡(luò)離子首先吸附在活性炭的外表面，然后進(jìn)入活性炭內(nèi)部微孔。這種擴(kuò)散速度的快慢，取決于金離子在微孔中的流動(dòng)性。活性炭的微孔構(gòu)造和分布及金絡(luò)離子的大小，同結(jié)構(gòu)有關(guān)。吸附速度決定了活性炭與金絡(luò)離子的接觸時(shí)間。吸附速度越快，所需接觸時(shí)間越短。
4.4 容易解吸和再生能多次利用
金氰絡(luò)合物經(jīng)活性炭吸附后，能夠比較容易解吸，殘留在炭孔隙中的金量很少。再生處理能恢復(fù)炭的吸附性，使其能多次使用，且耗量小。
5 結(jié)論
炭漿法在工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用，推動(dòng)了黃金生產(chǎn)的發(fā)展，克服了鋅粉置換那種先經(jīng)固液分離、澄清和產(chǎn)生含金清液、減壓脫氣除氧，然后才能置換的缺點(diǎn)。活性炭直接從礦漿中吸附金，再通過級(jí)間篩得到回收，省去了固液分離和脫氣作業(yè)。因此，炭漿法在經(jīng)濟(jì)上同傳統(tǒng)的鋅置換法相比，有明顯的優(yōu)越性，可使投資與操作費(fèi)用節(jié)省大約20%~50%，而且溶解金損失少，回收率高。