CN101007270B - 微纤包覆活性炭或活性炭催化剂的复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了微纤包覆活性炭或活性炭催化剂的复合材料及其制备方法。该材料包含微米级直径的陶瓷或金属微纤以及微米尺度的活性炭或活性炭催化剂颗粒，活性炭或活性炭催化剂颗粒被均匀包覆在由微纤形成的三维网状结构中。制备时，将胶粘剂、微纤、活性炭或活性炭催化剂颗粒按1∶1～3.5∶7～10的质量比与适量水混合，高速搅拌形成均匀浆液；然后利用湿法造纸工艺制成前驱体；前驱体充分干燥后在750～1400℃下，烧结成型。该材料制备工艺简单、成本低，空隙率高且可在很大范围内进行调节，机械强度高、柔韧性好、成型方便，将其代替传统活性炭或活性炭催化剂固定床层，能强化传质、传热，减小压降，提高接触效率，应用前景广阔。

Description

微纤包覆活性炭或活性炭催化剂的复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及吸附与催化领域多孔复合材料及其制造的技术领域，具体涉及一种微纤包覆活性炭或活性炭催化剂的复合材料及其制备方法。
背景技术
活性炭由于具有发达的孔隙结构和大的比表面积、足够的机械强度及耐酸、耐碱、耐热、不溶于水和有机溶剂、易再生等特点，成为一种优良的吸附剂及催化剂的载体，被广泛应用于分离、精制、催化剂、试剂回收、防护装备、环境治理等方面。但是在实际使用过程中，活性炭及活性炭催化剂颗粒粒径通常大于1mm，粒径较大，颗粒内、外扩散阻力影响严重，导致床层传质阻力较大，吸附/催化效率低。
在固定床吸附与催化反应器应用中，如何降低床层阻力，提高相际间接触效率，进而提高吸附与反应速率，是工程应用中亟待解决的问题。
美国Auburn大学(U.S.Patents 5,304,330；5,080,963；5,102,745；5,096,663和6,231,792)，在90年代发明了一种具有三维网状结构的烧结微纤复合材料及其制备方法。该材料在很多方面都表现出了非常优越的性能，如具有比表面积高、渗透性和导热导电性能好、空隙率高且可连续调控、传质阻力小、吸附/反应效率高等特点，具有非常广阔的应用前景。他们用镍或者316L不锈钢微纤维包覆粘土、氧化铝、Pt-Co/Al2O3等颗粒，或者直接由不锈钢或镍的纤维与活性炭纤维混合烧结形成三维网状结构，用于制备电极材料等。国内华东理工大路勇等人(中国申请号200510028873.4，公开号CN 1762909A)用玻璃微纤包覆SiO2、Al2O3颗粒制备了复合材料，但是还没有具体的应用报道。
如何确保维纤包覆活性炭或活性炭催化剂制备过程中活性炭或活性炭催化剂的比表面积等性能基本不变，是一项有待开发和解决的工程实际问题。本发明针对使用活性炭或活性炭催化剂颗粒的固定床存在的问题，将活性炭或者活性炭催化剂颗粒均匀分散在纤维经烧结后形成的三维网状结构中，并保持活性炭或活性炭催化剂的比表面积等基本性能基本保持不变，从而为目前使用活性炭或活性炭催化剂颗粒的固定床存在的问题的解决提供一种有效的途径。
发明内容
发明的目的在于克服传统活性炭或活性炭催化剂固定床层应用的不足，提供一种多孔的微纤包覆活性炭或活性炭催化剂的复合材料。
本发明的另一目的在于提供上述微纤包覆活性炭或活性炭催化剂的复合材料的制备方法，并保持活性炭或活性炭催化剂的比表面积等基本性能基本保持不变。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
微纤包覆活性炭或活性炭催化剂的复合材料，包含微米级直径的陶瓷或金属微纤以及微米尺度的活性炭或活性炭催化剂颗粒，所述微米尺度的活性炭或活性炭催化剂颗粒被均匀包覆在由微纤形成的三维网状结构中。所述金属微纤选自铜、镍、铑、钴、铝、锌、银、钙、不锈钢、镁中的一种或多种形成的合金微纤，其直径为0.5～50微米。所述微米尺度活性炭或活性炭催化剂颗粒的粒径范围为50～350微米。所述微米尺度活性炭催化剂颗粒是指以活性炭为载体制备成的催化剂颗粒。
微纤包覆活性炭或活性炭催化剂的复合材料的制备方法，包括如下步骤和工艺条件：
1)将胶粘剂、微纤、活性炭或活性炭催化剂颗粒按照1∶1～3.5∶7～10的质量比与适量水混合，高速搅拌形成均匀浆液；
(2)利用湿法造纸工艺将步骤(1)所得浆液制成纸张式复合材料；
(3)将步骤(2)所得复合材料在60～200℃下干燥；
(4)将烘干的复合材料在750～1400℃下，于N2或者H2气氛中烧结20～120分钟，制得相应的微纤包覆活性炭或活性炭催化剂的复合材料。
所述步骤(1)中的胶粘剂选自纤维素、有机酸树脂和热固树脂中的一种或多种。所述纤维素为天然纤维素或羧甲基纤维素；所述有机酸树脂为聚乙烯醇、聚亚安酯、苯乙烯-丁二烯乳胶等；所述热固树脂为尿醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂或丙烯酸树脂。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)采用湿法造纸工艺，材料结构分布均匀，易于制造，成本低廉。该复合材料可以根据需要裁剪成各种形状。
(2)该复合材料空隙率大，可达98％，且可以根据需要在很大范围内连续调控。
(3)形成的三维网状结构可以很好的包覆活性炭或活性炭催化剂颗粒。
(4)将该复合材料应用于固定床层，可以有效降低压降、强化床层吸附与催化效率，减小反应器重量、体积。
(5)传统的活性炭或活性炭催化剂固定床因为使用的活性炭及活性炭催化剂颗粒粒径较大，粒内、粒外传质传热阻力大，导致床层阻力大，吸附、反应效率较低，透过速度快，使得吸附床层的动态吸附容量较低，反应效率低下，使用寿命较短。本发明所述的制备方法制备成的三维网状复合材料兼有固定床和流化床的优点，消除了原有活性炭或活性炭催化剂固定床层存在的使用大颗粒吸附剂、催化剂所受到的内扩散限制，避免了沟流、返混等不良流体分布现象，床层阻力小，压降低，吸附/反应效率高，使用寿命长，体积和重量也在很大程度上减小。
附图说明
图1为实施例1制备的微纤包覆活性炭催化剂的复合材料的SEM扫描电镜图；
图2为图1 SEM扫描电镜局部放大图。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步地详细说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。
实施例1：
将0.5g针叶木纤维和0.5g羧甲基纤维素、3.0g陶瓷纤维(山东鲁阳化工厂提供，以下同)、8g氯化氰脱除专用活性炭催化剂(山西新华化工厂提供，以下同)加入到1.5L水中，高速搅拌机搅拌10min，形成均匀混和的浆液。其中陶瓷纤维直径6.0微米，活性炭粒径为105～150微米。将混合均匀后的浆液利用抄片机进行抄片，滤水后形成湿滤饼。将该湿滤饼在4bar压力下进行压榨，在60℃下干燥40分钟，再在105℃下干燥24小时。将干燥好的复合材料在N2保护下于950℃烧结40分钟，气体流率控制在200ml/min。采用ASAP2020静吸附仪测得原活性炭比表面积为680m2/g，材料的BET比表面积为638m2/g。
图1是制备的微纤包覆活性炭催化剂复合材料的放大100倍后SEM扫描电镜图，图2是图1的局部放大图，如图1、2所示。由图可见纤维之间的结合点被很好地烧结在一起，从而形成了三维网状结构，并将活性炭催化剂颗粒很好的包覆其中。
实施例2：
将1g羧甲基纤维素、1g不锈钢金属纤维(湖南惠同金属纤维有限公司)、7g活性炭加入到1.5L水中，高速搅拌机搅拌10min，形成混和均匀的浆液。其中金属纤维直径50.0微米，活性炭粒径为105～150微米。将混合均匀后的浆液利用抄片机进行抄片，滤水后形成湿滤饼。将该湿滤饼在4bar压力下进行压榨，于60℃下干燥40分钟，再在150℃干燥20小时。将干燥好的复合材料在N2保护下于1400℃烧结20分钟，气体流率控制在200ml/min。采用ASAP2020静吸附仪测得原活性炭比表面积为1320m2/g，材料的BET比表面积为1258m2/g。
实施例3：
将0.5g竹纤维和0.5g羧甲基纤维素、3.5g陶瓷纤维、9g活性炭加入到1.5L水中，高速搅拌机搅拌10min，形成均匀混和的浆液。其中陶瓷纤维直径0.5微米，活性炭粒径为150～350微米。将混合均匀后的浆液利用抄片机进行抄片，滤水后形成湿滤饼。将该湿滤饼在4bar压力下进行压榨，在60℃下干燥40分钟，再在200℃下干燥24小时。将干燥好的复合材料在N2保护下于1000℃烧结90分钟，气体流率控制在200ml/min。
实施例4：
将1g竹纤维、2g不锈钢金属纤维、10g氯化氰脱除专用活性炭催化剂加入到1.5L水中，高速搅拌10min，形成混和均匀的浆液。其中金属纤维直径2.5微米，活性炭粒径为50～105微米。将混合均匀的浆液利用抄片机进行抄片，滤水后形成湿滤饼。将该湿滤饼在4bar压力下进行压榨，于60℃下干燥半小时，再在120℃干燥22小时。将干燥好的复合材料在N2保护下于750℃烧结2小时，气体流率控制在150ml/min。

Claims (1)

1.微纤包覆活性炭或活性炭催化剂的复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤和工艺条件：
(1)将胶粘剂、微纤、活性炭或活性炭催化剂颗粒按照1∶1～3.5∶7～10的质量比与适量水混合，高速搅拌形成均匀浆液；所述胶粘剂选自天然纤维素、羧甲基纤维素、聚乙烯醇、聚亚胺酯、苯乙烯-丁二烯乳胶、尿醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂和丙烯酸树脂中的一种或多种；
(2)利用湿法造纸工艺将步骤(1)所得浆液制成纸张式复合材料；
(3)将步骤(2)所得复合材料在60～200℃下干燥；
(4)将烘干的复合材料在750～1400℃下，于N2或者H2气氛中烧结20～120分钟，制得相应的微纤包覆活性炭或活性炭催化剂的复合材料；该复合材料包含微米级直径的陶瓷微纤或金属微纤以及微米尺度的活性炭或活性炭催化剂颗粒，所述微米尺度的活性炭或活性炭催化剂颗粒被均匀包覆在由微纤形成的三维网状结构中。
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