CN104192840A - 一种异型特种活性炭、制备方法及成型模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活性炭，该活性炭为柱状体，截面为梅花状，具有贯穿柱状体的通孔；外缘的直径是3-5mm，内缘的直径是2.5-4mm，长度为3-7mm，通孔孔径为0.5-1.5mm，具有4-12个梅花瓣，梅花柱状空心活性炭在用作催化剂载体时的吸附能力强，提高了催化剂的使用效率，气体转化率得到大幅提高，达99.2%；成型模具能够增加活性炭吸附面积且能够降低生产成本且保证空心活性炭的表面不易被刮花；若干进料孔为空心活性炭成型提供足够的物料；因活性炭与管道内壁摩擦磨损而损坏时，只需更换筒状构件，而不需要更换整个成型模具，如此可以节省生产成本；可以保证成型的空心活性炭的内外表面被刮花。

Description

一种异型特种活性炭、制备方法及成型模具

技术领域

本发明涉及一种异型特种活性炭，具体的说,涉及一种梅花柱状空心活性炭、制备方法及成型模具,属于活性炭技术领域。

背景技术

人们知道，现有的活性炭材料有大量的孔隙，高的比表面积，在其表面还有多种活性官能团，具有很好的催化活性，不仅如此，化学稳定性也很好，机械强度也很高，可以反复使用，这些优异的特性使得现有活性炭材料成为一种备受世人关注的优质吸附剂。活性炭就在食品、医药上脱色、防毒和除味等方面很早就获得了应用，并且随着时间的推移，他们作为优质的吸附剂和催化剂载体越来越广泛的应用于工业、国防、医药卫生、化工、环保等工业技术领域。但是，随着工业技术的飞速发展，现有活性炭材料的性能越来越不适应环保、医药、电容器等重要领域的实际要求，因此急需提高他们的性能，例如增加比表面积、提高吸附速度与效率。能够满足许多行业，例如超级电容器、制药、催化剂载体等对这类材料的基本要求，所以，这种中孔型活性炭(大于2nm，小于50nm的微孔）在涉及吸附技术的领域里具有非常广阔的前景。

在实现发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：现有中孔活性炭材料在应用于催化剂载体方面中，还存在很多不足，吸附容量、吸附速度、与原料气接触面积方面尚不理想。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种异型特种活性炭，克服了传统活性炭吸附效果差的缺陷，本发明梅花柱状空心活性炭在用作催化剂载体时的吸附能力增强，提高了催化剂的使用效率，转化率得到大幅提高，达99.2%。

本发明的第二个目的是提供所述活性炭的制备方法。

本发明的第二个目的是提供生产所述活性炭的成型模具。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：该活性炭为柱状体，截面为梅花状，该活性炭具有贯穿柱状体的通孔；该活性炭外缘的直径是3-5mm，内缘的直径是2.5-4mm，长度为3-7mm，通孔孔径为0.5-1.5mm。

可以使被催化气体在与催化剂接触后能迅速催化反应并迅速通过，加速了催化反应进行，最有利于被载化合物（氯化汞）的吸附。

进一步地，该活性炭具有4-12个梅花瓣。

进一步地，该活性炭的BET比表面积是1085-1310m²/g，比孔容0.4-0.8cm³/g，中孔孔容0.5-0.61cm³/g；

该活性炭的平均孔径为25.7-31.5nm，强度大于95%，堆积重400-480g/L。

该项指标表征了该种活性炭的吸附能力，上述指标有利于使活性炭在用作催化剂载体时的吸附能力增强，在此指标时活性炭的吸附能力非常利于被载化合物（氯化汞）的吸附。

基于以上活性炭，本发明提供一种异型特种活性炭的制备方法，该制备方法提供：

原料选择步骤，原料煤选用太西无烟煤，将无烟煤过200目筛制成煤粉；

压制成型步骤，将煤粉与煤焦油、水进行混捏，其重量配比为煤粉：焦油：水=70%：20%：10%，混捏时间在15-20分钟，混捏后的煤粉进入液压机中压制成梅花柱状空心活性炭条，压制过程中压力控制在15-20Mpa。

对梅花状中空活性炭起到了定型作用，由此步骤制得的活性炭使被催化气体在与催化剂接触后能迅速催化反应并迅速通过，加速了催化反应进行，试验标明该种煤质制作附载用活性炭比普通煤制作附载用活性炭效果更好；

炭化步骤：

梅花柱状空心活性炭条先进行晾晒，然后进入炭化炉进行炭化，炭化炉温度控制在炉头500-600℃，炉尾350-400℃，炭化时间15-20分钟，得炭化料。在此指标下进行活化前的预处理，是后续活化过程成功的保证。

进一步地，该制备方法还包括活化步骤：

炭化料经10-30目的震动筛筛选后送入活化炉，活化炉温度控制在880℃-985℃，蒸汽压力0.3-0.4MPa，炉压保持在10-100Pa，蒸汽温度120-140℃，活化25-30分钟后出料。

进一步地，活化炉温度950℃，蒸汽压力为0.35MPa，炉压保持在90Pa，蒸汽温度130℃，活化时间25分钟。在最优的工艺条件下得到的活性炭，各项指标为最优化值。

基于以上活性炭，一种用于生产异型特种活性炭的成型模具，其特征在于，所述成型模具提供：

第一构件，第一构件上设有出料通道，出料通道内设有可以取出更换的筒状构件，筒状构件具有截面为梅花状的成型腔；

第二构件，与第一构件可拆卸连接，第二构件上具有可与出料通道配合的进料模组；

所述进料模组包括至少一个中心柱及若干个贯穿第二构件的进料孔；

所述若干个进料孔的圆心位于同一个圆周上，中心柱设置在若干个进料孔的中间；

进料孔向中心柱倾斜设置，斜坡度为15°～20°；

中心柱的底部具有倒角。

因活性炭与管道内壁摩擦磨损而损坏时，只需更换筒状构件，而不需要更换整个成型模具，如此可以节省生产成本。中心柱决定了空心活性炭的内部中心尺寸，若干进料孔为空心活性炭成型提供足够的物料。中心柱底部的倒角可以减少中心柱的底端对空心活性炭影响，活性炭原料在外界压力的作用下可顺利的进入进料孔并汇集到第一通道内，可以保证成型的空心活性炭的内外表面被刮花。

进一步地，所述出料通道包括自上而下依次设置的第一通道、第二通道、第三通道及第四通道；

第一通道为倒圆台状，第二通道为圆柱状，第三通道为圆柱状，第四通道为圆台状；

第一通道的倾斜度为60°～65°，第四通道的倾斜度为30°～40°；

所述第二通道的内径与第一通道底面的半径相等；

第三通道的内径小于第二通道的内径。

由于第四通道存在可以保证成型的空心活性炭的内外表面被刮花。

进一步地，所述第二构件的下表面和第一构件的上表面具有对应的凹凸槽波纹。使得第一构件和第二构件切合紧密，同时能够防止两构件相对移动。

进一步地，所述筒状构件的外径与第二通道的内径相对应，筒状构件的上口具有斜面，斜坡度与第一通道的斜坡度对应，筒状构件的长度与第二通道的长度相对应；

所述筒状构件的外径大于第三通道的直径。

斜坡度对应可以保证空心活性炭成型的连续性，防止其外表面刮花，长度和内径相对应可以保证筒状构件固定更严密。保证筒状构件能够固定在第二通道内。

本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：试验证明，梅花柱状空心活性炭在用作催化剂载体时的吸附能力强，提高了催化剂的使用效率，气体转化率得到大幅提高，达99.2%。

成型模具能够增加活性炭吸附面积且能够降低生产成本且保证空心活性炭的表面不易被刮花；若干进料孔为空心活性炭成型提供足够的物料；因活性炭与管道内壁摩擦磨损而损坏时，只需更换筒状构件，而不需要更换整个成型模具，如此可以节省生产成本；可以保证成型的空心活性炭的内外表面被刮花。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

附图说明

附图1是本发明实施例中活性炭的结构示意图；

附图2是本发明实施例中成型模具的结构示意图；

附图3是本发明实施例中第二构件的俯视图；

附图4是本发明实施例中第一构件的俯视图；

附图5是本发明实施例中成型模具的部件分解图；

附图6是本发明实施例中筒状构件的剖面图；

图中，

1-柱状体，2-通孔，10-成型模具,20-第一构件，21-出料通道，210-第一通道，211-第二通道，212-第三通道，213-第四通道，22-紧固孔，30-筒状构件，31-圆台状集料管道，32-成型腔，40-第二构件，41-紧固孔，42-进料模组，421-中心柱，422-进料孔。

具体实施方式

本实施例是为了便于理解本发明，而不以任何方式限制本发明的权利要求和核心内容。

实施例1，如图1所示，一种异型特种活性炭，活性炭是截面为梅花状的柱状体1，长度为3-7mm，中央位置具有贯穿柱状体1的通孔2，通孔孔径为0.5-1.5mm，活性炭外缘的直径为3-5mm，内缘的直径是2.5-4mm。BET比表面积是1085-1310m²/g，比孔容0.4-0.8cm³/g，中孔孔容0.5-0.61cm³/g；该活性炭的平均孔径为25.7-31.5nm，强度大于95%，堆积重400-480g/L，具有5个梅花瓣。

梅花柱状空心活性炭应该理解是具有高BET比表面积、高总孔孔容、高中孔孔容和适当孔径的异型活性炭。

梅花柱状空心活性炭中具有微孔和中孔，微孔是孔径小于2nm的孔；中孔是孔直径大于2nm且又小于50nm的孔。

该梅花柱状空心活性炭是由太西无烟煤制成，太西无烟煤具有金属光泽，外观无明显条带，燃烧现象难着火无烟，自然水分较少，硬度很高等特点。无烟煤做原料有利于发展活性炭的微孔孔隙，主要是大于2nm，小于50nm的中孔孔容容量的增加。

梅花柱状空心活性炭的制备按照以下步骤进行：

1、原料选择

原料煤选用水份为7.5%、灰份为5.0%、挥发份为8.3%，固定碳为79.2%的太西无烟煤，无烟煤首先进入磨粉机，磨粉后的煤粉要求达到200目；

2、压制成型

磨粉后的煤粉送入混合器中与煤焦油、水进行混捏，其重量配比：煤粉：焦油：水=70%：20%：10%，混捏时间在15-20分钟，混捏后的煤粉通过加料机送入液压机中压制成梅花柱状空心炭条，压制过程中压力控制在15-20Mpa；

3、炭化

通过液压机挤压出来的梅花柱状空心炭条首先进行晾晒，然后进炭化炉（炭化过程是将液压机挤压成型后的活性炭送入内热式回转炉，目前泰州凯威特公司、淄博问鼎炉窑技术有限公司等均有生产）进行炭化，炭化炉温度控制在炉头500-600℃，炉尾350-400℃，炭化时间15-20分钟，得炭化料；

4、活化

炭化料经过筛（通过10-30目的震动筛进行筛选）后送入活化炉通过高温条件下用水蒸汽与碳原子反应来进行活化，活性炭的活化过程是在活化炉中进行的，具体反应原理为：在活化炉高温环境下通入活化气体，一般为蒸汽，与活性炭的碳原子进行反应，反应式为：C+H₂O→CO+H₂－129.7KJ。通过该反应消耗一部分碳原子，可以将炭化后的活性炭原先闭塞的孔隙打开，扩大原有的孔隙并形成新的孔隙，不同规格的活性炭的孔径和比表面积有不同要求，达到这个要求通过控制活性炭的活化时间和加入的蒸汽量来实现。一般活化时间越长，蒸汽量越大，活性炭孔径和比表面积越发达，但是强度会伴随着下降。每台活化炉均有两个活化半炉，半炉底部气道连通，两个半炉每半小时切换一次。因活性炭活化过程是吸热反应且产生可燃气体，活化炉每层都配有空气管道，通过风机将空气送入。当一台半炉进行活化反应时，另外一台半炉则通入空气使活化产生的可燃气体在炉内燃烧进行加热，使活化反应的环境始终保持在高温条件下进行，通过控制蒸汽的通入量（在活化炉每层都有一个压力表来显示炉内压力，炉压要求保持在微正压（10-100Pa），在蒸汽温度基本保持不变情况下（约120-140℃），蒸汽加入量的大小直接影响着炉压的高低，在实际操作中以活化炉炉压为标准，通过控制活化炉蒸汽阀门来控制蒸汽的加入量）活化完成后出料包装。

经过试验，确定影响梅花状活性炭性能指标的参数为活化带温度、蒸汽压力、蒸汽温度、活化时间及活化炉压力，并得到活化带温度880℃-985℃，蒸汽压力0.3-0.4MPa，炉压保持在10-100Pa，蒸汽温度120-140℃，活化25-30分钟时，梅花状活性炭性能指标比较好。

以下为针对不同的活化炉温度、蒸汽压力和活化时间对活化后的梅花状活性炭分析结果：

通过上述实验可以发现，将活化炉温控制在950℃左右，蒸汽压力为0.35MPa，活化时间控制在25分钟时，梅花柱状活性炭可以获得比较大的比表面积，并使中孔在活性炭中占有较高比例，可以获得较大的吸附效率。

通过以上步骤制得截面为梅花柱状，具有五个梅花瓣，外缘直径为4mm，内缘的直径是3mm，长度为5mm，通孔孔径为1mm，平均孔径为31.5nm，BET比表面积为1310m²/g，比孔容为0.6cm³/g，中孔孔容为0.61cm³/g，强度95.3%，堆积重430g/l的梅花柱状空心活性炭。

将所得梅花柱状空心活性炭与市售的普通柱状活性炭分别制成催化剂进行对比：

 将两种活性炭负载相同的氯化汞（分析氯化汞质量分数都为6.3%），分别制成触媒1公斤。

按照乙炔气：氯化氢气=1:1.05的混合比例分别通过普通活性炭和梅花柱状空心活性炭所制取的触媒。收集经触媒催化后转化为氯乙烯的气体，并分析氯乙烯气体纯度得到转化率，结果如下表：

从上表看出，梅花柱状空心活性炭与传统的柱状活性炭负载氯化汞制成触媒，在相同使用量的情况下，梅花柱状空心活性炭比传统的柱状活性炭转化率高约23%，达到 99.2%。

同样按实施例1的方法制得梅花柱状空心活性炭，将所得梅花柱状空心活性炭负载氯化汞制成触媒相比，在相同使用量的情况下，试验结果如下：

当外缘直径在3-5mm、内缘直径在2.5-4mm、长度在3-7mm、通孔孔径在0.5-1.5mm、平均孔径在25.7-31.5nm、BET比表面积在1085-1400m²/g、比孔容在0.4-0.8cm³/g、中孔孔容在0.5-0.61cm³/g范围内变化时，最高值出现在外缘直径为4mm，内缘直径在3mm、长度为5mm，通孔孔径为1mm，平均孔径为31.5nm，BET比表面积为1310m²/g，比孔容为0.6cm³/g，中孔孔容为0.61cm³/g，此时转化率为99.2%。

最小值出现在外缘直径5mm、内缘直径在4mm、长度3mm、通孔孔径1.5mm、平均孔径25.7nm、BET比表面积1085m²/g、比孔容0.4cm³/g、中孔孔容0.5cm³/g时，转化率为93.2%。

当外缘直径为3mm，内缘直径在2.5mm、长度为7mm，通孔孔径为0.5mm，平均孔径为28.2nm，BET比表面积为1193m²/g，比孔容为0.8cm³/g，中孔孔容为0.55cm³/g时，转化率为94.1%。

当外缘直径在3-5mm、内缘直径在2.5-4mm、长度在3-7mm、通孔孔径在0.5-1.5mm、平均孔径在25.7-31.5nm、BET比表面积在1085-1400m²/g、比孔容在0.4-0.8cm³/g、中孔孔容在0.5-0.61cm³/g范围外时，转化率出现明显下降。

在以上条件下，当梅花瓣的数量变化时，转化率最高值出现在18个梅花瓣时，转化率为99.4%；大于18个梅花瓣时，转化率开始减小；当梅花瓣的数量为5时，转化率为99.2%；当梅花瓣的数量为4时，转化率为94.5%；当梅花瓣的数量为3时，转化率为92.1%；当梅花瓣的数量为5-18时，转化率变化不大，由于梅花瓣的数量越多，生产工艺越复杂，成本越高，综合考虑以上因素，选取五个梅花瓣为最佳选择。

如图2、图3、图4、图5、图6所示，压制所用成型模具10包括第一构件20及第二构件40；第二构件40设置在第一构件20的上面，第二构件40的下表面和第一构件20的上表面具有对应的凹凸槽波纹，能够使得第二构件40与第一构件20之间切合紧密，保证成型模具的密封性。

第一构件20上设有若干个贯穿第一构件20的上表面及下表面的出料通道21，本例中为六个，第一构件20的上表面具有紧固孔22，出料通道21从上到下由四部分组成，分为第一通道210、第二通道211、第三通道212及第四通道213，第一通道210的截面为倒梯形，第一通道210的上台面的半径大于第一通道210的下台面的半径，第一通道210斜坡度为60°～65°，第二通道211的内径与第一通道210的下台面的半径相适配，第三通道212的内径小于第二通道211的内径，第四通道213的上台面的半径小于第四通道213的下台面的半径，第四通道213的倾斜度为30°～40°。

第二构件40上设有紧固孔41及若干个进料模组42，本例中进料模组42为六个，每个进料模组42包括一个中心柱421及六个贯穿第二构件40的进料孔422，六个进料孔422的圆心位于同一个圆周上，中心柱421设置在六个进料孔422的中间，中心柱421从第二构件40的上表面穿入并从第二构件40的下表面穿出且与第二构件40固定连接在一起，进料孔422在第二构件40上向中心柱421倾斜设置，斜坡度为15°～20°，每个进料孔422位于第二构件40的上表面的圆到中心柱421的垂直距离大于每个进料孔422位于第二构件40的下表面的圆到中心柱421的垂直距离。其中，每个进料孔422与中心柱421所成的角度为15°～20°；第二构件40采用哈氏合金制成。

成型模具10还包括筒状构件30，筒状构件30的外径与第二通道211的内径相适配，筒状构件上口要有斜面，斜坡度要与上圆台的斜坡度相适配，筒状构件30的长度与第二通道211的长度相适配，筒状构件30的外径大于第三通道213的直径，以此将筒状构件30设置在第二通道211中。其中，筒状构件30采用哈氏合金制成，如可以延长筒状构件30的使用寿命。另外，更换后的磨损的筒状构件30，可以对筒状构件30的内径经过再加工后，再安装在成型模具中以加工与筒状构件30的内径相适配的空心活性炭。

当第二构件40与第一构件20通过紧固孔41、紧固孔22、紧固件相对固定时，进料孔422与第一通道210连通，中心柱421依次穿过第一通道210、第二通道211，且中心柱421的底端位于第三通道212中。

在本实施方式中，第一构件20为圆台状，第一构件20的上表面的半径大于下表面的半径，其斜坡度为80°～85°；筒状构件30分为圆台状集料管道31、成型腔32，成型腔32的截面为梅花状，具有5个梅花瓣，圆台状集料管道31的上台面的半径大于圆台状集料管道31的下台面的半径，圆台状集料管道31的上台面的半径还与第二通道211的内径相适配，成型腔32与圆台状集料管道31的下台面连接，成型腔32的内径大于第三通道212的内径；位于第三通道212中的中心柱421的底端为圆台柱状，圆台斜坡坡度为15°～20°，如此可以减少中心柱421的底端对空心活性炭影响，活性炭原料在外界压力的作用下可顺利的进入进料孔并汇集到第一通道内，由于中心柱穿入筒状构件，如此在成型的活性炭中轴线处产生圆柱孔，形成管状的空心活性炭。由于活性炭原料时通过筒状构件成型，筒状构件因活性炭与管道内壁摩擦磨损而损坏时，只需更换筒状构件，而不需要更换整个成型模具，如此可以节省生产成本；另外，由于第四通道及中心柱圆台柱的底端圆台状设计存在可以保证成型的空心活性炭的内外表面被刮花，另外此模具为六道成型孔，可以大大节约生产成本及提高活性炭产量。

应用时，成型模具10放置在液压机中将混捏后的煤粉以上实施例是以在活性炭中间设置一个通孔为例进行说明，还可以设置多个通孔，将中心柱设置为相应数量压制成梅花柱状空心炭条，其模具也进行相应修改；本发明活性炭在生产中不局限于应用本成型模具，采用其它的成型模具也可以，只要能够生产出同样结构的梅花柱状空心炭条即可。

以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种异型特种活性炭，其特征在于：该活性炭为柱状体（1），截面为梅花状，该活性炭具有贯穿柱状体（1）的通孔（2），该活性炭外缘的直径是3-5mm，内缘的直径是2.5-4mm，长度为3-7mm，通孔孔径为0.5-1.5mm。

2.如权利要求1所述的异型特种活性炭，其特征在于：该活性炭具有4-12个梅花瓣。

3.如权利要求1所述的异型特种活性炭，其特征在于：该活性炭的BET比表面积是1085-1310m²/g，比孔容0.4-0.8cm³/g，中孔孔容0.5-0.61cm³/g；

该活性炭的平均孔径为25.7-31.5nm，强度大于95%，堆积重400-480g/L。

4.如权利要求1、2或3所述异型特种活性炭的制备方法，其特征在于，该制备方法提供：

原料选择步骤，原料煤选用太西无烟煤，将无烟煤过200目筛制成煤粉；

压制成型步骤，将煤粉与煤焦油、水进行混捏，其重量配比为煤粉：焦油：水=70%：20%：10%，混捏时间在15-20分钟，混捏后的煤粉进入液压机中压制成梅花柱状空心活性炭条，压制过程中压力控制在15-20Mpa；

炭化步骤：

梅花柱状空心活性炭条先进行晾晒，然后进入炭化炉进行炭化，炭化炉温度控制在炉头500-600℃，炉尾350-400℃，炭化时间15-20分钟，得炭化料。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：该制备方法还包括活化步骤：

炭化料经10-30目的震动筛筛选后送入活化炉，活化炉温度控制在880℃-985℃，蒸汽压力0.3-0.4MPa，炉压保持在10-100Pa，蒸汽温度120-140℃，活化25-30分钟后出料。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：活化炉温度950℃，蒸汽压力为0.35MPa，炉压保持在90Pa，蒸汽温度130℃，活化时间25分钟。

7.一种用于生产如权利要求1、2或3所述异型特种活性炭的成型模具，其特征在于，所述成型模具提供：

第一构件（20），第一构件上设有出料通道（21），出料通道（21）内设有可以取出更换的筒状构件（30），筒状构件（30）具有截面为梅花状的成型腔（32）；

第二构件（40），与第一构件可拆卸连接，第二构件（40）上具有可与出料通道（21）配合的进料模组（42）；

所述进料模组（42）包括至少一个中心柱（421）及若干个贯穿第二构件（40）的进料孔（422）；

所述若干个进料孔（422）的圆心位于同一个圆周上，中心柱（421）设置在若干个进料孔（422）的中间；

进料孔（422）向中心柱（421）倾斜设置，斜坡度为15°～20°；

中心柱（421）的底部具有倒角。

8.如权利要求7所述的成型模具，其特征在于，所述出料通道（21）包括自上而下依次设置的第一通道（210）、第二通道（211）、第三通道（212）及第四通道（213）；

第一通道（210）为倒圆台状，第二通道（211）为圆柱状，第三通道（212）为圆柱状，第四通道（213）为圆台状；

第一通道（210）的倾斜度为60°～65°，第四通道（213）的倾斜度为30°～40°；

所述第二通道（211）的内径与第一通道（210）底面的半径相等；

第三通道（212）的内径小于第二通道（211）的内径。

9.如权利要求8所述的成型模具，其特征在于，所述第二构件（40）的下表面和第一构件（20）的上表面具有对应的凹凸槽波纹。

10.如权利要求9所述的成型模具，其特征在于，所述筒状构件（30）的外径与第二通道（211）的内径相对应，筒状构件的上口具有斜面，斜坡度与第一通道（210）的斜坡度对应，筒状构件（30）的长度与第二通道（211）的长度相对应；

所述筒状构件（30）的外径大于第三通道（213）的直径。