CN101367643B - 一种活性炭功能陶瓷及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型活性炭功能陶瓷及其制备方法，所述陶瓷的原料为：按照质量百分数：多孔陶瓷50～99％；炭原料1～50％；活化剂0～10％，采用多孔陶瓷为载体，以煤沥青或酚醛树脂作为活性炭的炭源，经过浸渍炭原料、固化、炭化、活化、漂洗、干燥步骤制备一种新型活性炭功能陶瓷。本发明的方法着手于活性炭与多孔陶瓷的复合，一方面，可在一定程度上克服活性炭形状松散，强度低，回收困难等缺点，另一方面，又为陶瓷领域新增了一种具有活性炭功能的新型功能陶瓷材料，并且可以加工成各种复杂形状，易于再生使用；制备方法简单易行，原料易得，成本低廉，适合大规模工业化生产，应用范围广，市场前景好。
Description
技术领域
本发明属于一种新型功能材料与复合材料领域，具体涉及一种活性炭功能陶瓷复合材料的制备方法。
背景技术
活性炭作为一种孔隙发达的炭质材料，已经广泛用于分离，精制，催化剂，试剂回收及其他，特别是在公害治理方面正得到广泛的应用。但是随着人们对活性炭的需求，质量要求的不断提高，活性炭也显现出诸多的缺点，例如强度低，大多产品为粉状、粒状，使用寿命短，回收再生使用费用高等，严重制约了活性炭的发展，成为业界的焦点。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型活性炭功能陶瓷及其制备方法，该方法着手于活性炭与多孔陶瓷的复合，一方面，可在一定程度上克服活性炭形状松散，强度低，回收困难等缺点，另一方面，又为陶瓷领域新增了一种具有活性炭功能的新型功能陶瓷材料，并且可以加工成各种复杂形状，易于再生使用；制备方法简单易行，原料易得，成本低廉，适合大规模工业化生产。
本发明的新型活性炭功能陶瓷，其特征在于：所述陶瓷的原料为：按照质量百分数：多孔陶瓷50～99％；炭原料1～50％；活化剂0～10％。
本发明的采用多孔陶瓷为载体，经过浸渍炭原料、固化、炭化、活化、漂洗、干燥步骤制备一种新型活性炭功能陶瓷。
本发明的效益和优越性在于：本发明以煤沥青或酚醛树脂作为活性炭的炭源，充分利用多孔陶瓷的吸附性及酚醛树脂或加热后煤沥青熔液的流动性，以多孔陶瓷作为载体，将活性炭牢固而均匀地固定在多孔陶瓷孔洞的内表面上，实现活性炭与多孔陶瓷的完美结合，解决了活性炭强度低、使用寿命短、回收困难等缺点，广泛适用于水与空气的净化处理，并且可以加工成各种复杂形状，易于再生使用；制备方法简单易行，原料易得，成本低廉，适合大规模工业化生产，并为陶瓷领域新增了一种具有活性炭功能的新型功能陶瓷材料。
具体实施方式
按照质量百分数：多孔陶瓷50～99％；炭原料1～50％；活化剂0～10％。
所述的多孔陶瓷为各种多孔陶瓷，根据需要选用任何一种材质与形状的多孔陶瓷，如可以选用硅藻土质、粘土质、堇青石质、莫来石质、碳化硅、二氧化锆或刚玉质等中的一种或几种。
炭原料为煤沥青或酚醛树脂。
活化剂为制备活性炭的常用活化剂，如可以采用KOH、ZnCl2或磷酸中的一种。
具体制备步骤为：
(1)浸渍：将预先清洗并烘干后的多孔陶瓷载体，投入煤沥青的热熔液或酚醛树脂熔液中，通过控制浸渍时间1～6h，控制吸附量；
(2)固化：将浸漬后的多孔陶瓷捞出，放入干燥箱中，干燥温度为120～180℃，保温1～48h，使吸附其上的煤沥青或酚醛树脂完全固化；
(3)炭化：将固化处理后的多孔陶瓷埋入预先配制好的气氛保护沙中，放入窑炉，在还原保护气氛及适当的热处理条件(热处理条件：以30～200℃/h的升温速率升至700～850℃，保温时间0.5～24h)下进行炭化处理；
(4)活化：将炭化后的多孔陶瓷用活化剂溶液浸泡后，埋入预先配制好的气氛保护砂中，放入窑炉，在还原保护气氛及适当的热处理条件(热处理条件：以30～300℃/h的升温速率升至700～950℃，保温时间0.5～2h)下进行活化处理；或者，将炭化后的多孔陶瓷直接采用水蒸气活化；
(5)漂洗：将活化过的多孔陶瓷先用质量分数10％稀酸或稀碱溶液清洗，再用蒸馏水充分洗涤至pH值为中性，即可得所述的新型活性炭功能陶瓷。
所述炭化步骤与活化步骤中使用的气氛保护用砂为：用石墨、木炭、煤炭或焦炭中的任何一种原料与干燥河砂按1∶1的比例研磨混合均匀，过20目筛后制备而成。
所述活化步骤中所述活化步骤中活化剂溶液的质量浓度为1～100％；所述漂洗步骤的稀酸溶液采用浓度为1～10％的稀盐酸溶液；所述漂洗步骤的稀碱溶液采用质量浓度为1～10％的KOH溶液。
下面结合具体实施例对本发明内容进行具体说明，但是本发明不仅限于此：
实施例1：
利用硅藻土，粘土，煤沥青和KOH为原料制备活性炭多功能陶瓷。其原料配方如下：100目未煅烧硅藻土50％，200目煅烧硅藻土45％，粘土5％。以煤沥青为炭源，KOH为活化剂。
制备步骤：
1.制备硅藻土质多孔陶瓷载体：
a.原料预处理：将粘土研碎，过200目筛。
b.配料研磨：按上述配料比例称量各种原料，研磨混合均匀，加适量水调配成适用于各 种成型工艺所需的粉料、泥料或泥浆。
c.采用可塑法成型、模具干压成型或注浆成型等方法制作出各种形状的坯体。
d.将坯体烘干后，置高温电阻炉中以200℃/h的升温速率升至900℃保温30分钟，随炉冷却后即可值得硅藻土质多孔陶瓷载体。
以上硅藻土质多孔陶瓷载体也可以直接用市售的硅藻土质多孔陶瓷载体。
2.制备活性炭功能陶瓷材料
(1)在电炉上用铁锅将煤沥青熔化呈稀液状，小心将硅藻土多孔陶瓷载体放入，浸渍0.5h。
(2)固化：放入恒温干燥箱，以40℃/h的升温速率升至160℃保温20小时。
(3)炭化处理：将固化后的多孔陶瓷用气氛保护沙(石墨∶河沙为1∶1)填埋，放入窑炉中进行炭化处理，升温速率：35℃/h，在800℃处保温24小时。
(4)活化：将炭化处理后的多孔陶瓷用KOH饱和溶液浸泡3～4h。再用气氛保护沙(石墨：河沙为1∶1)填埋，放入窑炉中进行活化处理，升温速率：35℃/h，在800℃处保温1h。
(5)将取出的多孔陶瓷先用质量分数为10％的稀盐酸溶液清洗，再用蒸馏水充分洗涤至pH值为中性，烘干后即可得硅藻土质活性炭多功能陶瓷。
性能：多孔陶瓷气孔率50.35％，体积密度为1.06g/em3，经过固化、炭化、活化制得的活性炭多孔陶瓷，其比表面积从11.65m2/g提高到了48.32m2/g，经测算活性炭的比表面积约为1000m2/g。
实施例2
利用市售堇青石蜂窝状多孔陶瓷做载体，以酚醛树脂为炭源，ZnCl2为活化剂制备活性炭多功能陶瓷。
制备步骤：
a.堇青石多孔陶瓷洗净烘干备用。
b.将多孔陶瓷载体浸入盛有酚醛树脂的容器中，静置30分钟后捞出、沥干。
c.固化：放入恒温干燥箱中以4℃/min升温速率升至180℃保温80min。
d.炭化：将固化后的多孔陶瓷用气氛保护沙(石墨∶河沙为1∶1)填埋，放入窑炉中，以2℃/min升温速率升至800℃保温60min。
e.活化：将炭化处理后的多孔陶瓷用ZnCl2饱和溶液浸泡3小时。再用气氛保护沙(石墨∶河沙为1∶1)填埋，放入窑炉中以4℃/min升温速率升至830℃保温90min。
f.将取出的多孔陶瓷分别用质量分数为10％的盐酸溶液清洗，再用蒸馏水充分洗涤至pH值为中性，烘干后即可得堇青石质活性炭多功能陶瓷。
性能：比表面积为138.7m2/g，孔容为0.103cm3/g，孔径为30.029nm。
实施例3
利用市售二氧化锆蜂窝状多孔陶瓷做载体，以酚醛树脂为炭源，磷酸为活化剂制备活性炭多功能陶瓷。
制备步骤：
a.二氧化锆多孔陶瓷洗净烘干备用。
b.将多孔陶瓷载体浸入盛有酚醛树脂的容器中，静置30分钟后捞出、沥干。
c.固化：放入恒温干燥箱中以4℃/min升温速率升至150℃保温60min。
d.炭化：将固化后的多孔陶瓷用气氛保护沙(石墨∶河沙为1∶1)填埋，放入窑炉中，以3℃/min升温速率升至800℃保温60min。
e.活化：将炭化处理后的多孔陶瓷用质量分数为40％的磷酸溶液浸泡3小时。再用气氛保护沙(石墨∶河沙为1∶1)填埋，放入窑炉中以4℃/min升温速率升至850℃保温90min。
f.将取出的多孔陶瓷分别用质量分数为10％的KOH溶液清洗，再用蒸馏水充分洗涤至pH值为中性，烘干后即可得堇青石质活性炭多功能陶瓷。
性能：比表面积为170.6m2/g，孔容为0.215cm3/g，孔径为1.9798nm。
实施例4
利用市售莫来石质多孔陶瓷做载体，以煤沥青为炭源，ZnCl2为活化剂制备活性炭多功能陶瓷。
制备步骤：
a.莫来石质多孔陶瓷洗净烘干备用。
b.将多孔陶瓷载体浸入盛有煤沥青的容器中，静置60分钟后捞出、沥干。
c.固化：放入恒温干燥箱中以4℃/min升温速率升至180℃保温60min。
d.炭化：将固化后的多孔陶瓷用气氛保护沙(石墨∶河沙为3∶2)填埋，放入窑炉中，以3℃/min升温速率升至850℃保温60min。
e.活化：将炭化处理后的多孔陶瓷用质量分数为30％的ZnCl2溶液浸泡3小时。再用气氛保护沙(石墨∶河沙为3∶2)填埋，放入窑炉中以4℃/min升温速率升至800℃保温90min。
f.将取出的多孔陶瓷分别用质量分数为10％的盐酸溶液清洗，再用蒸馏水充分洗涤至pH值为中性，即可得堇青石质活性炭多功能陶瓷。
性能：比表面积为278.3m2/g，孔容为0.303cm3/g，孔径为3.0291nm。
Claims (7)
1.一种活性炭功能陶瓷，其特征在于：所述陶瓷的原料为：按照质量百分数：多孔陶瓷50～99％；炭原料1～50％；活化剂0～10％；所述的多孔陶瓷为硅藻土质、粘土质、堇青石质、莫来石质、碳化硅、二氧化锆或刚玉质中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的活性炭功能陶瓷，其特征在于：所述的炭原料为煤沥青或酚醛树脂。
3.根据权利要求1所述的活性炭功能陶瓷，其特征在于：所述的活化剂为制备活性炭的常用活化剂。
4.根据权利要求3所述的活性炭功能陶瓷，其特征在于：所述的活化剂为KOH、ZnCl2或磷酸中的一种。
5.一种如权利要求1、2、3或4所述的活性炭功能陶瓷的制备方法，其特征在于：采用多孔陶瓷为载体，经过浸渍炭原料、固化、炭化、活化、漂洗、干燥步骤制备一种新型活性炭功能陶瓷。
6.如权利要求5所述的活性炭功能陶瓷的制备方法，其特征在于：具体制备步骤为：
(1)浸渍：将预先清洗并烘干后的多孔陶瓷载体，投入煤沥青的热熔液或酚醛树脂溶液中，通过控制浸渍时间，浸渍时间1～6h，控制吸附量；
(2)固化：将浸渍后的多孔陶瓷捞出，放入干燥箱中，干燥温度为120～180℃，保温1～48h，使吸附其上的煤沥青或酚醛树脂完全固化；
(3)炭化：将固化处理后的多孔陶瓷埋入预先配制好的气氛保护砂中，放入窑炉，在还原保护气氛及适当的热处理条件下进行炭化处理，所述热处理条件为：以30～200℃/h的升温速率升至700～850℃，保温时间0.5～24h；
(4)活化；将炭化后的多孔陶瓷用活化剂溶液浸泡后，埋入预先配制好的气氛保护砂中，放入窑炉，在还原保护气氛及适当的热处理条件下进行活化处理；或者，将炭化后的多孔陶瓷直接采用水蒸气活化；所述热处理条件为：以30～200℃/h的升温速率升至700～850℃，保温时间0.5～24h；
(5)漂洗与干燥：将活化过的多孔陶瓷先用浓度为：按质量分数10％稀酸或稀碱溶液清洗，再用蒸馏水充分洗涤至pH值为中性后烘干，即可得所述的新型活性炭功能陶瓷。
7.根据权利要求6所述的活性炭功能陶瓷的制备方法，其特征在于：所述炭化步骤与活化步骤中使用的气氛保护用砂均为：用石墨、木炭、煤炭或焦炭中的任何一种原料与干燥河砂按1∶1的比例研磨混合均匀，过20目筛后制备而成。
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