CN101357758A - 从固体中移除杂质的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种从固体移除杂质的方法，该方法包含形成一固体溶液；使该固体溶液通过一离子交换器，使得至少某些存在于该固体溶液中的杂质被该离子交换器保留；以及由该离子交换器回收该固体溶液。本发明还涉及一种从碳移除杂质的方法。

Description

从固体中移除杂质的方法

技术领域

本发明涉及从固体移除杂质，详而言之，本发明涉及一种利用离子交换从固体移除杂质的方法及系统。

背景技术

在工业中所需的各种材料与组件是呈或必须呈固体状且含有污染物与杂质，而纯化固体以移除杂质是一复杂且通常昂贵的工程，通常对于达到其最终用途所需的标准是重要的。此外，各种工业工程也需要分离混合物且回收在化学反应的催化作用中的珍贵物质。碳是在工业中使用的一种固体且本发明应被解释为参考移除杂质或纯化碳作为例子。

即使决定了该杂质的来源，移除或避免该杂质并不一定是实际可行的。这通常是因为处理成本的缘故，使得该工程并不能经济地实施；或有时是因为缺少适当的处理技术的缘故。虽然分离或分类以移除或减少如碳等在固体中的杂质已利用空气或干燥系统完成了，但是这些方法通常会在所处理的碳中造成缺陷或不一致。

纯化碳涉及移除或分离大部分来自如进料、催化剂、添加剂、水等原料；及如锈与积垢等制造冶金。杂质来自各种包括杂质原料和/或制造条件等因素，且进料是一种典型的杂质来源，例如，在制造炉碳黑时所使用的流体化催化裂解器(FCC)油会包含在炼油业中使用且保留在碳中的催化剂。

碳的一般特征在于其大部分是元素碳C12的事实，且C12的量超过99.9重量％。但是，有时元素碳的含量会低很多，这会破坏最终工业产品的价值。此外，纯化或增加元素碳的含量以达到应用标准与要求通常是不可避免的。例如，如弹性系数、拉伸强度、及伸长率等物理强度；以及如颜色色泽、暗度、底色、色度、导电与导热性、UV防护、EMI屏蔽、静电荷散逸、补强及催化作用等功能性质；使用寿命等会受到元素碳的减少与杂质的存在的影响。

在如碳等固体杂质包括，例如：H⁺、Li⁺、Na⁺、K⁺、NH4⁺、Rb⁺、Cs⁺、Ag⁺、Ti⁺、Ba²⁺、Ni²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Zn²⁺、Co²⁺、Cu²⁺、Sr²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺、OH^-、I^-、NO₃ ^-、HSO₄ ^-、HSO₃ ^-、BrO₃ ^-、CIO₃ ^-、HCO₃ ^-、HSiO₃ ^-、BI^-、CN^-、NO₂ ^-、CL^-、IO₃ ^-、F^-、甲酸盐、苯、磺酸盐、水杨酸盐、醋酸盐、丙酸盐、柠檬酸盐及酚盐。

离子交换器或利用离子交换原理已被大量使用在水工业中以从水中纯化或分离出不必要的离子，以达到如饮用等特定的目的，或供药物、化学药品、原子与汽电共生工厂等应用。此外，离子交换也已被使用在其它工业上以达到各种目的，例如，吸收特定离子、酸纯化、酸阻滞、移除酸以进行腐蚀控制、糖加工、饮料加工、有机反应的催化、碱纯化、色层分离、冷凝物精加工、精纯化学药品、从甲醛移除甲酸、移除抑制剂与稳定剂、离子阻缓、金属控制、矿物加工、采矿、从地下水移除镭、移除盐类、移除微量污染物、及生产超纯化药品。

离子交换的原理到目前为止尚未被应用于移除杂质或纯化固体。此外，离子交换的原理尚未被应用于移除杂质或纯化碳。

发明内容

本发明提供一种利用离子交换从固体移除杂质的方法及系统。

本发明涉及一种从固体移除杂质的方法，包含形成一具有该固体的溶液，使该溶液通过一离子交换器，使得至少一些存在于该溶液中的杂质被该离子交换器保留，并且从该离子交换器回收该溶液。由该离子交换器所回收的溶液可被过滤和干燥，以获得至少一些杂质已从其中被移除的固体。

本发明也提供一种离子交换系统，它包含多个包括一中或多种功能性离子树脂的离子组件；且具有多个使该固体溶液可以均匀地分散在整个离子组件或树脂中的配件与零件。

附图说明

附图显示了本发明的较佳实施方式，且与以下详细说明一起说明本发明的原理。

图1显示了一种依据本发明实施方式的用以移除在固体中的杂质的系统。

具体实施方式

为了更加了解本发明的原理，以下将参照在附图中所示的实施方式且将使用特定的语言加以说明。但是，在此应了解的是，本发明的范围不应因此而受到限制，且由于发明所属技术领域中具有通常知识者通常可以了解，故可在所示装置中进行变更与进一步修改，且在此所示的本发明原理也可进一步加以应用。

发明所属技术领域中具有通常知识者应可了解前述一般性说明及以下详细说明仅是本发明的举例与说明，且不会限制本发明。本发明已说明一种从碳移除杂质的方法，但对于发明所属技术领域中具有通常知识者显而易见的是本发明可应用于任何固体。

本发明涉及从固体移除杂质且已说明从碳移除杂质作为例子，特别地，本发明说明了一种利用离子交换从固体移除杂质的方法及系统。该杂质是由先形成该固体溶液，接着使该固体溶液通过一保留该杂质的离子交换系统而被移除。该溶液使存在于固体中的杂质可更佳地接触一离子交换系统的树脂。

在此所称的溶液包括由混合固体与一适当液体介质所形成的悬浮液、胶体、浆液，且该溶液可具有或没有化学药品的辅助。

本发明可应用于所有固体。在此例子中，本发明可应用于任何一种碳，包括多种在不同工业中的碳，例如：非晶质碳黑、副产物碳、碳纤维、碳微丝、单壁纳米管(SWNT)、多壁纳米管(MWNT)、天然石墨、人造石墨、石墨化非晶质碳、活性碳、人造钻石、骨黑、由废弃轮胎回收的焦碳黑、以及飞灰碳。不同碳种类由各种工程制成，例如：熔炉工程、通道工程、气体工程、热工程、乙炔工程、电浆、及其它石油化学工程。

一固体溶液由混合该固体与任何适当液体所形成，且最好也包括一悬浮助剂。所述悬浮助剂可以是酸、碱、乙醇、乙酸酯、阴离子表面活性剂或非离子表面活性剂中的一种或其组合，并且以使用一非离子表面活性剂作为一悬浮助剂较佳。

较佳地，用以形成该固体溶液的液体是水。该水可以是生水或去矿质水，但以使用去矿质水较佳。

固体在该溶液中的比例最好是在0.5至10重量％的范围内，但是，本发明也可以更大的固体比例来实施。

该固体溶液由将该固体与悬浮助剂一起添加至一液体中且将其彻底混合以产生一均质溶液而形成，例如，将每ASTM D1765的2kg碳黑N330与40加仑水及一非离子表面活性剂一起混合，且使用一高剪力叶轮混合器以1800rpm混合30分钟。

如此形成的固体溶液可更完全地分散在该离子交换器的离子组件床中，且因此确保更佳地移除杂质。形成该固体溶液也可增加在该离子交换器中如树脂等离子组件与在该等固体中的杂质间的接触。

如此形成的固体溶液通过一离子交换器，且为了达到该固体溶液与该离子交换器的离子组件的较佳混合，最好在该离子交换器内产生该固体溶液的切向、螺旋、涡旋或搅拌流。在该离子交换器内的固体溶液的切向、螺旋、涡旋或搅拌流可以在有或没有使用压缩空气或利用任何适当装置的情形下以各种方式产生。例如，该切向流可以将该固体溶液由该离子交换器的侧边导入而产生。或者，该切向、螺旋、涡旋或搅拌流可以将该固体溶液由该离子交换器的侧边导入且由底部导入压缩空气而产生。如此导入的空气将经由一或多个于其上具有轮廓切纹的分配器进入该离子交换器，并产生一涡流。并且，这轮廓最好是呈螺旋状。

同样地，在本发明的范围内，该压缩空气也可由该离子交换器的侧边导入且该固体溶液由底部导入。该固体溶液将经由一或多个具有最好呈螺旋状的轮廓切纹的分配器进入该离子交换器，并与该压缩空气一起产生一涡流。

在另一实施例中，固体溶液与压缩空气两者均由底部导入且经由一或多个具有最好呈螺旋状的轮廓切纹的分配器进入该离子交换器，并产生一涡流。

依据本发明的一个实施例，该离子交换器最好垂直地安装且最好该固体溶液由底部进入该离子交换器并由顶部离开，如此可防止堵塞在离子交换器的树脂床中的空洞。

在该固体溶液通过离子组件，且存在于该溶液中的杂质与该等离子组件反应并被固持在该离子组件床内后，由该离子交换器回收该固体溶液。依据该较佳实施方式，该固体溶液从该离子交换器的顶端回收。基于包括该固体分散在该溶液中的分散度及该固体溶液在该离子交换器内的分散度、以及该固体的种类和/或密度与离子组件或树脂粒的种类等各种参数，某些离子组件或树脂也会由该离子交换器排出。在理想的操作条件下，最好只由该离子交换器排出没有任何离子组件或树脂的固体溶液。

为了减少由该离子交换器排出离子组件或树脂，该固体溶液最好在离开该离子交换器之前先通过一网。该网具有它可将大部分树脂粒保留在该交换器内的尺寸，且可依据树脂的种类与尺寸，可使用一尺寸60至100的标准网。

由该离子交换器排出离子组件或树脂也可由控制该固体溶液流经该交换器的流速来减少，且较快的流速会使较多树脂流出该交换器。

已发现，依据本发明的教导处理过的碳具有较少量的灰及可萃取组件，并且可以湿粉末的形态或在成粒后以干颗粒的形态运送，而所回收的碳溶液可利用已知的过滤与干燥方法加以处理。

依据本发明的实施例，由该离子交换器所回收的碳溶液可被送至少另一离子交换器。依需要而定，多数离子交换器可串联地连接，使得由一离子交换器排出的固体溶液被送入另一离子交换器。并且，如此连接的离子交换器可以是阳离子、阴离子、或混合床。

依据本发明的实施例，由该离子交换器所回收的碳溶液可被送回至相同离子交换器中，并进行数次循环，直到达到所需纯度为止。在两循环之间，该碳溶液可以在该离子交换器再生时储存在一储存介质中。

为了更完整地说明本发明，提出以下非限制性的实施例。

实施例1

使用一高剪力叶轮混合器以1800rpm将每ASTM D1765的2kg碳黑N330与40加仑水及一非离子表面活性剂一起分散30分钟，接着，将所得的碳溶液送入含有阳离子磺酸树脂的离子交换器中。该碳溶液由两侧边入口(6)进入该离子交换器，如图1所示，并沿着该离子交换器的壳罩成为一切向流。同时，压缩空气以一如每分钟100公升的预定流速利用入口(1)与分配器(7)进入该交换器。该碳溶液与该压缩空气的流速被调整成使树脂粒通过该排出口(3)的在该离子交换器顶部的流动减至最少或最好完全没有。该分配器具有螺旋狭缝，使得它向上产生一涡流与多数气泡，以将碳与杂质的颗粒分散通过该树脂床。空气在该离子交换器的顶端处经由出口(5)排出，且碳溶液由该排出口(3)回收，并且依据ASTM D1506方法，回收的碳溶液中的灰含量相较于未处理的改善99％。

由该离子交换器回收的碳溶液可以被送到一树脂回收系统，其中与该碳溶液一起排出的树脂或离子组件被回收且利用入口(8)送回到该离子交换器。

实施例2

如实施例1中所述制备一碳溶液，并请参阅图1，该碳溶液由入口(1)与分配器(7)被送至该离子交换器。同时，压缩空气以一如每分钟100公升的预定流速经由两入口(6)导入该离子交换器，成为切向流。如此产生的流动使该碳溶液以一分散的方式通过该离子交换器的树脂床，且空气在该离子交换器的顶部处利用出口(5)排出。碳溶液由该排出口(3)回收，并且依据ASTM D1506方法，回收的碳溶液中的灰含量相较于未处理的改善99％。

类似地，该固体溶液与该压缩空气可经由该入口(1)与(4)而由该离子交换器底部进入且该分配器将产生通过该树脂床的所需碳溶液切向或涡流。

Claims (16)

1.一种从固体移除杂质的方法，该方法包括：形成一固体溶液；使该固体溶液通过一离子交换器，使得至少一些存在于该固体溶液中的杂质被该离子交换器保留；以及从该离子交换器回收该固体溶液。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该溶液中的固体的浓度在0.5-10重量％范围内。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该离子交换器垂直地安装，并且该固体溶液在底部处导入该离子交换器并由顶部排出。

4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，使该固体溶液通过离子交换器包括使压缩空气通过该离子交换器。

5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，该固体溶液以切向、螺旋、涡旋或搅拌流中的至少一种的形式进入或通过该离子交换器。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从该离子交换器回收的固体溶液通过至少另一个离子交换器。

7.如权利要求1或6所述的方法，其特征在于，该离子交换器含有阳离子树脂、阴离子树脂、或其混合物中的一种。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，回收的固体溶液通过至少两个离子交换器，其中，该固体溶液按照阳离子、阴离子和混合床交换器的次序，由一离子交换器流至另一离子交换器。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在从离子交换器回收之前，该固体溶液通过一筛网。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从该交换器回收的溶液通过一离子回收系统，其中，至少一些离子在回收该固体溶液时离开该离子交换器。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从该离子交换器回收的溶液在以预定的循环次数的再循环操作中被送回该离子交换器中。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该再循环操作包括在将溶液注入与排出该离子交换器之间，使回收的溶液通入一分配器。

13.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，该固体是碳。

14.一种从碳移除杂质的方法，该方法包括：形成一碳溶液；使该碳溶液通过一离子交换器，使得至少一些存在于该碳溶液中的杂质被该离子交换器保留；以及从该离子交换器回收该碳溶液。

15.一种从固体移除杂质的方法，该方法基本上如本文中所述并参照附图所示。

16.一种从碳移除杂质的方法，该方法基本上如本文中所述并参照附图所示。

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