CN101508435A

CN101508435A - 活性炭的制备方法

Info

Publication number: CN101508435A
Application number: CNA2009100809814A
Authority: CN
Inventors: 梁大明; 孙仲超; 董卫果; 邓一英; 李兰廷; 王鹏; 刘春兰; 李雪飞; 文芳; 国晖; 李艳芳; 熊银武
Original assignee: China Coal Research Institute CCRI
Current assignee: China Coal Research Institute CCRI
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2009-08-19

Abstract

本发明公开了一种活性炭的制备方法。本发明提供的活性炭的制备方法，包括如下步骤：1)将破碎、干燥后的烟杆进行炭化，得到炭化产物；2)将所述炭化产物进行物理活化，得到活性炭。利用本发明的方法制备得到的活性炭吸附性能良好，有害物质含量极低，各项指标均符合国家标准，可用于污水处理或化工产品、食品、药品的脱色。并且，本发明利用烟杆作为原料，解决了烟杆弃置和被烧掉所造成的资源浪费和环境污染问题，具有重大意义。

Description

活性炭的制备方法

技术领域

本发明涉及一种活性炭的制备方法。

背景技术

活性炭是二十世纪初开始形成工业化生产的。在第一次世界大战中活性炭作为军用防护剂得到大量应用，从而促进了活性炭工业规模生产的形成。二次世界大战以后，特别是从世界经济开始快速发展的二十世纪六十年代开始，作为一种具有丰富的孔隙结构、巨大的比表面积、良好的化学稳定性、较强的吸附性能和耐磨强度的炭质吸附材料，活性炭开始广泛应用于几乎所有的现代工业部门，其生产规模、生产工艺、生产原料都有了很大的发展。进入二十世纪八十年代后，随着人们生活质量的不断提高及世界各国对环境质量和可持续发展问题的日益重视，活性炭在环保和民用等领域的应用也逐年增加。据近二十年来的统计，1988年世界活性炭年总产量约为38万吨，1994年达到50万吨左右，1998年的年总产量已达到70万吨，而2007年的统计数据显示，全球活性炭的年总产量已经超过90万吨，预计活性炭的年总产量的增长速度在今后相当长的时间内仍将保持在3～5％。促使活性炭行业不断发展的主要原因有两个：1)新的活性炭应用领域的不断拓展；2)世界范围内对环境保护和可持续发展理念的日益重视。因此，可以认为，作为一种以环保领域应用为主的产业，活性炭工业的发展正方兴未艾。

无论在哪个应用领域，活性炭的应用均可分为液相应用和气相应用。液相应用主要包括饮用水深度净化、废水处理、贵金属回收及脱色等。液相应用中市场容量最大的领域是水处理领域，包括城市饮用水净化、家庭饮用水深度净化及各类工业和生活废水治理。据统计，在全球目前每年约90万吨的活性炭应用量中，用于水处理领域的活性炭总量约占55万吨，超过60％。

据报道，中国国内现有7亿人饮用含细菌的不符合饮用水标准的水，24％的人饮用水水质不良，这严重危害着人们的生存和健康，而活性炭对水中微量的有机物，如表面活性剂、酚类，胺类等具有良好的去除效果，能使水质得以净化，因此在我国城市饮用水领域应用市场很大。目前，北京、上海、天津、广州、深圳、杭州、昆明、沈阳、哈尔滨等大城市用于城市自来水深度净化的活性炭目前年需求量约7万吨。我国已有越来越多的城市正在兴建城市供水厂，准备采用煤基活性炭对城市供水进行深度净化处理。因此在未来几年中国国内城市供水净化所需活性炭将大幅度增加，预计到2010年我国城市供水需煤基活性炭约15万吨。

根据国家制订的《污染物排放总量控制计划》，我国将严格控制污水排放总量，工业污水处理率在2010年以前将达到90％以上。活性炭可广泛用于处理电镀厂的含铬污水、焦化厂的含酚污水、毛纺厂的染色污水、化工厂的含油污水、农药厂的有毒污水等，因此在未来几年工业污水处理用活性炭需求量将大幅度提高，预计到2010年工业污水处理用活性炭年需求量约8万吨，其中广东地区目前污水处理活性炭年用量约1万吨，2010年将达到2万吨以上。与采用高密度沉淀池的传统的污水处理方法相比，在沉淀过程中投加粉状活性炭(PAC)的污水处理工艺主要用如下优点：1)PAC在絮凝前投入，将水中的污染物(有机物)进行吸附，从而为微生物的繁殖创造形成生物活性炭(BAC)的条件。通过含有BAC的污泥回流使水中的氨氮物质得以除去，这对于目前地面水源氨氮超标的现象无疑是一个很好的手段；2)BAC污泥的另一个特点是微密，较高沉淀和脱水，将其固化比较简便。由于污泥中的有机物含量大幅增加，使污泥的肥效增加。因此，投加PAC的污水处理工艺在改善排水指标的同时，可同时实现简单可靠的污泥资源化利用和处置方式，使得污泥最终剩余物问题得到真正解决：其中的水分和有机物得以重新进入自然环境；而污泥含有丰富的微量元素，能够改良土壤结构，增加土壤肥力，促进植物的生长。

生产活性炭的原料很多。从理论上讲，几乎所有的含碳材料采取适当的工艺均能用于活性炭的生产。实际上，活性炭的生产仍然受原料来源、现有工艺水平、生产成本及经济效益等诸多因素的制约。目前从制造原料来划分，活性炭主要分为四类：即煤基活性炭、木质活性炭、果壳活性炭和合成活性炭。不同原料生产的活性炭，一般具有不同的性质，因此，随着活性炭应用领域的不断拓展，对活性炭的性能要求越来越严格，而开发新的活性炭生产原料，是解决这个问题的方法之一。由于煤炭原料具有来源广泛、品种繁多、价格便宜、生产简单等特点，自二十世纪四十年代开始进入工业化生产后，煤基活性炭在世界活性炭总量中所占比重越来越大，目前已超过65％，并且随着新工艺、新技术的不断发展，其所占的比重预计仍将不断上升。煤基活性炭的品种多种多样，但由于其本身杂质含量复杂，且难以脱除，因此在许多应用领域受到限制。木质原料与煤炭原料相比，虽然原料来源受到限制，但在杂质含量上性能优良，以其为原料生产的木质活性炭几乎可以应用于所有活性炭应用领域，尤其是如食品、药品等煤基活性炭难以适用的脱色精制领域，以及污水回用处理等某些水净化领域。

烟杆作为一种木质原料，从理论上而言，可以作为活性炭的生产原料之一，但目前世界上尚没有商业化的以烟杆作为原料生产活性炭的报道。广东南雄自古为黄烟之乡，有着悠久的烟草种植历史，烟叶种植闻名全国，也一直是南雄及周边地区财政收入的主要来源，但长期以来，每年收割烟叶之后，数万吨烟杆被弃置田间地头或作为普通燃料被烧掉，既造成了环境问题，也是对资源的浪费。因此，开发以烟杆为原料生产木质活性炭的新工艺，意义重大。

发明内容

本发明的目的是提供一种活性炭的制备方法。

本发明提供的活性炭的制备方法，包括如下步骤：

1)将破碎、干燥后的烟杆进行炭化，得到炭化产物；

2)将所述炭化产物进行物理活化，得到活性炭。

所述步骤1)中，所述炭化的终温度可为600-700℃，时间可为30-50min。所述步骤1)中，所述炭化的终温度具体可为700℃，时间具体可为35min。

所述步骤2)中，所述物理活化中，活化温度可为700-800℃，时间可为5-10min。所述步骤2)中，所述物理活化中，活化温度具体可为800℃，时间具体可为8min。该方法制备得到的活性炭可用于污水处理。

所述步骤2)中，所述物理活化中，活化温度可为700-850℃，时间可为12-20min。所述烟杆的灰分为3-5％(质量百分比)时，所述物理活化的时间为18-20min。所述烟杆的灰分为7-9％(质量百分比)时，所述物理活化的时间为12-15min。该方法制备得到的活性炭可用于食品、药品和其它化工产品的脱色。

所述步骤1)中，破碎后的烟杆颗粒的粒径可为4-6毫米。

所述烟杆具体可为黄烟烟杆。

所述方法制备得到的活性炭也属于本发明的保护范围。

本发明利用南雄的黄烟烟杆为主要原料，采用适宜的生产工艺，生产出了性能良好的活性炭。利用本发明的方法制备得到的活性炭吸附性能良好，有害元素含量极低，各项指标均符合国家标准，可用于污水处理，也可以用于化工产品、食品、药品的脱色。并且，本发明利用烟杆作为原料，解决了烟杆弃置和被烧掉所造成的资源浪费和环境污染问题，具有重大意义。

具体实施方式

以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规生化试剂商店购买得到的。

分别将两份烟杆(南雄市青松环保材料有限公司)进行工业分析(标准号：GB/T212-2001)，两份烟杆的工业分析结果见表1。

表1 两份烟杆样本的工业分析结果

结果表明：作为生产活性炭的原料，两份烟杆的灰分均小于10％，属于杂质含量较高的木质原料，但其挥发分含量极高，经炭化及活化后生产的成品灰分将超过15％，如果用于食品或药品的脱色精制，则其灰分需采取措施进一步降低，最好降至1％以下，方能生产出性能优良、具有市场竞争力的脱色用木质活性炭产品；同时，从外观观察以及从两种原料灰分存在显著性差异判断，可以初步认为南雄烟杆所含杂质大部分为外在原因混入，今后工业生产时如果在原料采购或预处理环节可以采取有效措施，应该可以大幅度降低原料灰分，从而提高产品品质。

实施例中所用的主要设备见表2。

表2 主要设备列表

制备得到的活性炭的性能检测项目按中国国家标准检测进行，具体如下：活性炭水分的测定，标准号为GB/T7702.1-1997；活性炭灰分的测定，标准号为GB/T7702.15-1997；碘吸附值的测定，标准号为GB/T7702.7-1997；亚甲蓝吸附值的测定，标准号为GB/T7702.6-1997；样品有毒有害元素的检测系按国家标准《水和废水监测分析方法》(第四版)进行。

以下实施例中，每个实施例均设置三次重复试验，检测结果取平均值。

实施例1至实施例7为利用烟杆生产污水处理活性炭。

实施例1、利用烟杆生产污水处理活性炭

1、将1000g烟杆样本1破碎至粒径为4-6毫米。

2、将破碎得到的烟杆颗粒进行干燥。

3、将干燥后的烟杆颗粒进行炭化，炭化终温为600℃，炭化时间为45min，得到炭化产物。计算炭化得率(炭化得率＝炭化产物质量/烟杆样本质量×100％)和炭化产物的性能指标(标准号：GB/T212-2001)，结果见表3。

4、将炭化产物进行活化，活化温度为800℃，活化时间为5min，得到活性炭。计算活性炭得率(活性炭得率＝活性炭质量/炭化产物质量×100％”)和活性炭的性能指标。结果见表4和表5。

实施例2、利用烟杆生产污水处理活性炭

1、同实施例1的步骤1。

2、同实施例1的步骤2。

3、将干燥后的烟杆颗粒进行炭化，炭化终温为650℃，炭化时间为40min，得到炭化产物。计算炭化得率和炭化产物的性能指标，结果见表3。

4、将炭化产物进行活化，活化温度为800℃，活化时间为8min，得到活性炭。计算活性炭得率和活性炭的性能指标。结果见表4和表5。

实施例3、利用烟杆生产污水处理活性炭

1、同实施例1的步骤1。

2、同实施例1的步骤2。

3、将干燥后的烟杆颗粒进行炭化，炭化终温为700℃，炭化时间为35min，得到炭化产物。计算炭化得率和炭化产物的性能指标，结果见表3。

4、将炭化产物进行活化，活化温度为800℃，活化时间为10min，得到活性炭。计算活性炭得率和活性炭的性能指标。结果见表4和表5。

实施例4、利用烟杆生产污水处理活性炭

1、同实施例1的步骤1。

2、同实施例1的步骤2。

3、将干燥后的烟杆颗粒进行炭化，炭化终温为700℃，炭化时间为30min，得到炭化产物。计算炭化得率和炭化产物的性能指标，结果见表3。

4、将炭化产物进行活化，活化温度为700℃，活化时间为8min，得到活性炭。计算活性炭得率和活性炭的性能指标。结果见表4和表5。

实施例5、利用烟杆生产污水处理活性炭

1、将1000g烟杆样本2破碎至粒径为4-6毫米。

2、同实施例1的步骤2。

3、将干燥后的烟杆颗粒进行炭化，炭化终温为600℃，炭化时间为50min，得到炭化产物。计算炭化得率和炭化产物的性能指标，结果见表3。

4、将炭化产物进行活化，活化温度为800℃，活化时间为5min，得到活性炭。计算活性炭得率和活性炭的性能指标。结果见表4和表5。

实施例6、利用烟杆生产污水处理活性炭

1、同实施例5的步骤1。

2、同实施例1的步骤2。

3、将干燥后的烟杆颗粒进行炭化，炭化终温为700℃，炭化时间为50min，得到炭化产物。计算炭化得率和炭化产物的性能指标，结果见表3。

实施例7、利用烟杆生产污水处理活性炭

1、同实施例5的步骤1。

2、同实施例1的步骤2。

3、将干燥后的烟杆颗粒进行炭化，炭化终温为700℃，炭化时间为45min，得到炭化产物。计算炭化得率和炭化产物的性能指标，结果见表3。

表3 炭化产物性能检测结果

表4 污水处理活性炭性能检测结果

表5 污水处理活性炭的有毒有害元素含量(单位：mg/L)

从表3的结果可以看出，选定的炭化工艺条件均可以满足原料炭化的要求。综合时间、得率等考虑，合适的炭化温度为700℃，合适的炭化时间为35分钟。对比烟杆样本1和烟杆样本2，同样的炭化条件，炭化得率存在显著差异，原因应该是两者水分含量差距引起的。七个实施例中制备得到的活性炭的有毒有害元素含量一致。从表4和表5的结果可以看出，应用本发明的活化工艺，活性炭得率很高，适宜的活化温度为800℃，适宜的活化时间为8～10分钟。应用本发明的方法制备活性炭，活性炭得率均大于70％，吸附性能良好，且有毒有害元素含量也完全满足要求。因此，利用本发明提供的方法可以生产性能完全满足要求的污水处理用活性炭产品。

实施例8至实施例15为利用烟杆生产脱色活性炭。

实施例8、利用烟杆生产脱色活性炭

1、同实施例1的步骤1。

2、同实施例1的步骤2。

3、同实施例1的步骤3。

4、将炭化产物进行活化，活化温度为800℃，活化时间为12min，得到活性炭。计算活性炭得率和活性炭的性能指标。结果见表6。

实施例9、利用烟杆生产脱色活性炭

1、同实施例2的步骤1。

2、同实施例2的步骤2。

3、同实施例2的步骤3。

4、将炭化产物进行活化，活化温度为800℃，活化时间为15min，得到活性炭。计算活性炭得率和活性炭的性能指标。结果见表6。

实施例10、利用烟杆生产脱色活性炭

1、同实施例3的步骤1。

2、同实施例3的步骤2。

3、同实施例3的步骤3。

4、将炭化产物进行活化，活化温度为800℃，活化时间为18min，得到活性炭。计算活性炭得率和活性炭的性能指标。结果见表6。

实施例11、利用烟杆生产脱色活性炭

1、同实施例4的步骤1。

2、同实施例4的步骤2。

3、同实施例4的步骤3。

4、将炭化产物进行活化，活化温度为700℃，活化时间为20min，得到活性炭。计算活性炭得率和活性炭的性能指标。结果见表6。

实施例12、利用烟杆生产脱色活性炭

1、同实施例4的步骤1。

2、同实施例4的步骤2。

3、同实施例4的步骤3。

4、将炭化产物进行活化，活化温度为850℃，活化时间为15min，得到活性炭。计算活性炭得率和活性炭的性能指标。结果见表6。

实施例13、利用烟杆生产脱色活性炭

1、同实施例5的步骤1。

2、同实施例5的步骤2。

3、同实施例5的步骤3。

实施例14、利用烟杆生产脱色活性炭

1、同实施例6的步骤1。

2、同实施例6的步骤2。

3、同实施例6的步骤3。

实施例15、利用烟杆生产脱色活性炭

1、同实施例7的步骤1。

2、同实施例7的步骤2。

3、同实施例7的步骤3。

表6 脱色活性炭性能检测结果

从表6的结果可以看出，以烟杆为原料，采用合适的工艺条件所制得的脱色用活性炭，吸附性能良好。

结果表明：以烟杆为原料生产用于脱色处理的活性炭产品，其适宜的活化温度为800℃，适宜的活化时间为18～20分钟。从烟杆样品1与烟杆样品2的实验结果对比也可以看出，由于烟杆样品2的灰分比烟杆样品1显著增加，因此，浅度活化时，相同活化条件下其吸附性能的差异还不明显，但随着活化程度的增加，灰分的影响开始变得非常显著，突出表现在以灰分含量高的烟杆样品2为原料，提高活化程度时，由于灰分的影响，其吸附性能不升反降，因此，工业生产时，严格控制原料的灰分，是能否以南雄的黄烟烟杆为原料生产出合格的商用脱色活性炭的关键因素。

Claims

1、一种活性炭的制备方法，包括如下步骤：

1)将破碎、干燥后的烟杆进行炭化，得到炭化产物；

2)将所述炭化产物进行物理活化，得到活性炭。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中，所述炭化的终温度为600-700℃，炭化时间为30-50min。

3、如权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤1)中，所述炭化的终温度为700℃，时间为35min。

4、如权利要求1至3中任一所述的方法，其特征在于：步骤2)中，所述物理活化中，活化温度为700-800℃，时间为5-10min。

5、如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述活化温度为800℃，时间为8min。

6、如权利要求1至3中任一所述的方法，其特征在于：步骤2)中，所述物理活化中，活化温度为700-850℃，时间为12-20min。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述烟杆的灰分为3-5％(质量百分比)，所述物理活化的时间为18-20min。

8、如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述烟杆的灰分为7-9％(质量百分比)，所述物理活化的时间为12-15min。

9、如权利要求1至8所述的方法，其特征在于：所述烟杆为黄烟烟杆。

10、权利要求1至9中任一所述方法制备得到的活性炭。