CN104528715B

CN104528715B - 一种高强度、低灰分成型活性炭制备方法

Info

Publication number: CN104528715B
Application number: CN201410787638.4A
Authority: CN
Inventors: 邢贞娇; 汪印; 王兴栋; 余广炜
Original assignee: Institute of Urban Environment of CAS
Current assignee: Institute of Urban Environment of CAS
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: CN104528715A

Abstract

本发明公开了一种高强度、低灰分成型活性炭制备方法，包括如下步骤：将易裂解的辅助粘结剂与粉末状活性炭按比例送入捏合机中进行搅拌混合，得到混合炭粉；按质量配比要求往溶剂型酚醛树脂中添加醇类有机溶剂，得到稀释液；将混合炭粉与稀释液按比例送入捏合机中进行加热搅拌捏合，形成混合料；将捏合均匀并带有粘度的混合料输入成型挤出机进行挤出造粒，获得颗粒料；将制得的颗粒料在90～160℃下分段干燥固化1～3 h，然后经无氧高温热处理后获得成型活性炭成品。本发明所述的制备方法，具有流程短、能耗低，且制得的成型活性炭成品强度高、结构稳定性好的特点。

Description

一种高强度、低灰分成型活性炭制备方法

技术领域

本发明涉及活性炭制备技术领域，特别是一种具有高吸附性能的高强度、低灰分的成型活性炭制备方法。

背景技术

活性炭具有良好的吸附功能，性质稳定，且耐酸碱性、耐热、不溶于水或者有机溶剂，因而被广泛应用于能源、化工、食品、医药、环境保护、材料、冶金等各行各业中，已成为生产生活中的重要工业产品。

以生产活性炭的原料来划分，大体可分为煤质活性炭和木质活性炭两大类。木质活性炭也可分为两大类：一类是以椰壳、橡胶壳、核桃壳等果壳为代表的颗粒状活性炭，此类活性炭由于其机械强度较好，作为颗粒炭直接应用于各个领域；另一类是以木屑、稻壳、竹屑等为代表的活性炭。目前通过传统碳化、活化方法制备的活性炭由于机械强度较差，大部分为粉末状，其存在使用时粉尘污染严重、再生和分离回收困难等缺点，限制了活性炭高新技术领域的应用。与之相比，成型活性炭结构紧密，形状易于调变，具备一定的强度，无粉尘污染且容易更换再生，更易于满足不同行业的多种用途。

目前，制备成型活性炭的方法主要是直接以粉末状活性炭为原料，添加一定量的粘结剂，然后在一定温度、压力下成型，以制得成型活性炭。这种方法制备的成型活性炭存在粘结剂量、成型压力难以控制，粘结剂较难在活性炭中分散均匀等问题，如：粘结剂量过大，成型压力大容易造成孔的过度堵塞，降低成型活性炭的比表面积，而粘结剂量过小、成型压力小，活性炭又难以成型。

申请号为201310031125.6的中国专利公开了一种高强度、耐磨损成型活性炭的生产工艺，其公开的成型活性炭在制造时需要碳粉、粘结剂及成核剂二氧化硅超细粉和钛白粉进行成型造粒，最后在高温下进行二次活化得成型活性炭。该专利申请存在活化温度需要分多段处理，操作复杂，成本较高，而且活性炭由于成核剂的添加，灰分较高。

申请号为200810038534.8的中国专利则公开了一种吸附CO2用超级活性炭粉体的成型方法，其公开的成型方法在制造时超级活性炭、辅助粘结剂与粘结剂在混合干燥后，需要再次进行研磨，使其粒径达到3~100um，再次进行热压成型。该方法存在粘结剂量、成型压力难以控制的问题，操作难度较高。

因此，有必要研究一种容易生产成型活性炭的方法，本案因此而产生。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种高强度、低灰分成型活性炭的制备方法，解决现有成型活性炭制备工艺复杂、操作较难且获得的活性炭质量较差等问题。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种高强度、低灰分成型活性炭制备方法，包括如下步骤：（1）将易裂解的辅助粘结剂与粉末状活性炭按比例送入捏合机中进行搅拌混合，得到混合炭粉；（2）按质量配比要求往溶剂型酚醛树脂中添加醇类有机溶剂，得到稀释液；（3）将混合炭粉与稀释液按比例送入捏合机中进行加热搅拌捏合，形成混合料；（4）将捏合均匀并带有粘度的混合料输入成型挤出机进行挤出造粒，获得颗粒料；（5）将制得的颗粒料在90～160 ℃下干燥固化1～3 h，然后送入炭化/活化一体炉内进行无氧高温热处理：将保护气体通入炭化/活化一体炉，所述炭化/活化一体炉再以5～15 ℃/min的速率逐步升温至200～300 ℃后保持恒温0.5～1h，然后再次以2～8 ℃/min的速率升温至500～800 ℃保持恒温1～3 h，使部分粘结剂分解形成网状结构，增强成型活性炭的活性；（6）热处理结束后，继续通保护气体至炭化/活化一体炉炉体温度下降至60 ℃以下，然后出料，获得高强度、低灰分的成型活性炭。

进一步的，在步骤（1）中，所述辅助粘结剂与粉末状活性炭的混合采用“干式混合”法混合。

进一步的，所述粉末状活性炭、酚醛树脂、辅助粘结剂的质量比为100：10~30：3~10。

进一步的，所述辅助粘结剂选自黄原胶、木质素、木焦油、改性淀粉中的一种或多种。

进一步的，在步骤（2）中，所述稀释液加入有固化剂。

进一步的，所述固化剂为六次甲基四胺。

进一步的，在步骤（3）中，所述捏合机的搅拌罐腔温度为35~80℃。

进一步的，在步骤（5）中，所述颗粒料在90～160 ℃下干燥固化时，采用分段方式进行；所述保护气体为氮气，其热处理过程为：将颗粒料放入炭化/活化一体炉时，通入氮气排氧5min后，开始逐级加温炉体，并逐步调小氮气的供给量达到设定值1～5mL/min；待炉体温度达到设定值700℃时保持恒温1~3h ；然后停止加热，开始降温，同时逐步调小氮气流量至0.79mL/min，待物料冷却至室温后出料。

进一步的，所述分段方式为：将成型的颗粒料放进烘箱中，先在90℃下干燥固化1小时，再在110℃下干燥固化1小时，然后在135℃下干燥固化1小时。

进一步的，所述粉末状活性炭的细度高于等于150目。

与现有技术相比，本发明技术方案的优点在于：

本发明以溶剂型酚醛树脂为主要粘结剂，通过按比例添加活性炭粉、粘结剂、辅助粘结剂及固化剂进行捏合成型造粒，然后经过干燥固化、高温热处理得到所要求的颗粒炭。在该制备方法中，辅助粘结剂及固化剂的添加，可以很好的缩短成型炭的固化时间，相应的也降低了酚醛树脂的含量，同时辅助粘结剂及固化剂在高温处理的过程中会得到裂解，有效的降低成型炭的灰分。成型炭再经氮气保护下高温处理，即避免了活性炭的燃烧，而且在高温高压条件下，也会有少量的氮气作为活化剂参与活性炭的化学反应，利于制孔，形成了良好的气体扩散通道，增强了活性炭的活性。降温过程采用氮气冷却则可有效的防止成型炭氧化，从而保证成型炭的强度。该制备方法具有操作简单、流程短、强度高、低灰分的特点。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作详细说明。

一种高强度、低灰分成型活性炭制备方法，包括如下步骤：（1）将易裂解的辅助粘结剂与粉末状活性炭按比例送入捏合机中进行搅拌混合，得到混合炭粉；（2）按质量配比要求往溶剂型酚醛树脂中添加醇类有机溶剂，得到稀释液；（3）将混合炭粉与稀释液按比例送入捏合机中进行加热搅拌捏合，形成混合料；（4）将捏合均匀并带有粘度的混合料输入成型挤出机进行挤出造粒，获得颗粒料；（5）将制得的颗粒料在90～160 ℃下干燥固化1～3 h，然后送入炭化/活化一体炉内进行高温热处理：将保护气体通入炭化/活化一体炉，所述炭化/活化一体炉再以5～15 ℃/min的速率升温至200～300 ℃后保持恒温0.5～1 h，然后再次以2～8 ℃/min的速率升温至500～800 ℃保持恒温1～3 h，使部分粘结剂分解形成网状结构，增强成型炭的活性；（6）热处理结束后，继续通保护气体至炭化/活化一体炉炉体温度下降至60 ℃以下，然后出料，获得高强度、低灰分的成型活性炭。

其中，所述辅助粘结剂与粉末状活性炭的混合采用“干式混合”法混合。所述“干式混合”法，也即将粉末状辅助粘接剂与粉末状活性炭一起放入混料机内进行充分搅拌均匀即完成混合。所述粉末状活性炭的细度高于等于150目（目是衡量粉末细度的单位，粉末粒径越小，目数也高），这里所述的活性炭细度高于等于150目，即以150目为准，活性炭粉末的细度为150目或者更细。

其中，所述活性炭、酚醛树脂和辅助粘结剂的质量比例为100:10~30:3~10，优选的酚醛树脂为20、辅助粘结剂为5。所述辅助粘结剂为选自黄原胶、木质素、木焦油、改性淀粉中的一种或多种。所述酚醛树脂在稀释过程中，可以加入固化剂，比如六次甲基四胺，以提高后续成型活性炭的固化速度。

其中，在形成混合料的步骤时，捏合机的搅拌罐腔温度为35至80℃，以促进粘结剂与活性炭粉更好的揉合均匀，提高其粘度及韧性，从而获得更好的挤压成型效果。

其中，在步骤（5）中，所述颗粒料在干燥固化时采用分段方式进行，即在90～160℃范围内从低温到高温选取三个左右不同的温度，依次进行干燥固化，每个阶段干燥固化一定时间，如1个小时。从而保证活性炭颗粒料的良好的成型和干燥。

实例1

按重量称取150目以上的粉末状活性炭100g、黄原胶5g，送入混料机的混料腔中充分搅拌均匀，形成混合炭粉；将20g溶剂型酚醛树脂稀释于150ml无水乙醇溶液中，搅拌15min后，将其均匀加入到混合炭粉中，给搅拌罐腔加热至40至60℃，继续搅拌10小时左右；待搅拌混合均匀后，移入成型挤出机中进行反复揉搓挤压3至4遍；挤出泥段利用人工进行挤压捣实，同时抽去物料中的空气，使挤出的泥段真空度达到0.03Mpa以上，再从挤出机中挤出并用密封袋装好待用。将挤压过的物料装入成型机中，以10Mpa左右的压力将物料挤出通过柱状或者蜂窝状模具通孔，然后切割、干燥得到各种规格的柱状或者蜂窝状活性炭颗粒。将制得的颗粒料放入烘箱分别中，依次在90℃、110℃、135℃三个条件下，分别干燥固化各1小时后，冷却至室温。接着颗粒料装入炭化/活化一体炉中，并向炉内缓慢输入氮气进行排氧5min，然后以8℃/min的升温速率升温炉体至220℃，并保持恒温30min；在升温的同时通过调整管道控制阀控制氮气流量在1.47 mL/min；接着再以5℃/min的升温速率升温至700℃后，保持恒温2小时；然后停止加热开始降温，并调整氮气流量至0.79 mL/min，待温度降至60℃左右开始出料。即可获得高强度、低灰分成型活性炭成品。其中氮气参与整个热处理过程，有效的防止产品在高温状态下氧化和过度烧蚀；同时在高温状态下，氮气还可以作为活化剂参与活性炭的活化，利于制孔，有效的提高产品的比表面积。

经检测，制得的成型活性炭成品耐磨损机械强度≧98%，四氮化碳吸附值≧61%，灰分≦5%。

实例2

按重量称取150目以上的粉末状活性炭100g、黄原胶5g、木质素3g，送入混料机的混料腔中充分搅拌混匀，形成混合炭粉；将20g溶剂型酚醛树脂稀释于150ml无水乙醇溶液中，同时加入6g的六次甲基四胺，混匀搅拌15min后，将其溶液均匀的加入至混合炭粉中，同时加热搅拌罐腔至40-60℃，然后继续进行搅拌10小时左右；待搅拌混合均匀后，将形成的混合料送入成型挤出机中进行反复揉搓挤压3至4遍，挤出的泥段需要人工进行挤压捣实，同时抽去物料中的空气，使挤出泥段真空度达到0.03Mpa以上，再从挤出机中挤出并用密封袋装好待用。，将挤压过的物料装入成型机中，以10Mpa左右的压力将物料挤出通过柱状或者蜂窝状模具通孔，经切割、干燥得到各种规格的柱状或者蜂窝状活性炭颗粒料。将制得的颗粒料放入烘箱依次在105℃、135℃两个条件下，分别干燥固化各1小时后，冷却至室温。接着将颗粒料送入炭化/活化一体炉中，向炉内缓慢输入氮气进行排氧5min后，开始给炉体以10℃/min的升温速率升温至270℃，并保持恒温30min，在升温的同时通过调整管道控制阀控制氮气流量在1.47 mL/min；接着以5℃/min的升温速率升温至800℃后，保持恒温2小时；然后停止加热开始降温，并调整氮气流量至0.79 mL/min，待温度降至60℃左右开始出料。即制得高强度、低灰分成型活性炭成品，其中氮气参与整个热处理过程，有效的防止产品在高温状态下氧化和过度烧蚀；同时在高温状态下，氮气还可以作为活化剂参与活性炭的活化，利于制孔，有效的提高产品的比表面积。

经检测，制得的成型活性炭成品耐磨损机械强度≧98.6%，四氮化碳吸附值≧68%，灰分≦5%。

实例3

按重量称取150目以上的粉末状活性炭100g，改性淀粉7g，送入混料机的混料腔中充分搅拌混匀，形成混合炭粉；将30g溶剂型酚醛树脂稀释于150ml无水乙醇溶液中，同时加入9g的六次甲基四胺，混匀搅拌15min后，将其溶液均匀的加入混合炭粉中，同时加热搅拌罐腔至40-60℃，然后继续进行搅拌10小时左右；待其搅拌混合均匀后，将形成的混合料送入成型挤出机中进行反复揉搓挤压3至4遍，挤出泥段利用人工进行挤压捣实，同时抽去物料中的空气，使挤出泥段真空度达到0.03Mpa以上，再从挤出机中挤出并用密封袋装好待用。将挤压过的物料装入成型机中，以10Mpa左右的压力将物料挤出通过柱状或者蜂窝状模具通孔，经切割、干燥得到各种规格的柱状或者蜂窝状活性炭颗粒料。将制得的颗粒料放入烘箱依次放入在95℃、135℃、160℃条件下，分别干燥固化各40min，然后冷却至室温。接着将颗粒料装入炭化/活化一体炉中，向炉内缓慢输入氮气进行炉管排氧5min后，开始给炉体以6℃/min的升温速率升温至300℃，并保持恒温60min；在升温的同时通过调整管道控制阀控制氮气流量在1.47 mL/min；接着以4℃/min的升温速率升温至800℃后，保持恒温2小时；然后停止加热开始降温，并调整氮气流量至0.79 mL/min，待温度降至60℃左右开始出料。即获得高强度、低灰分成型活性炭成品，其中氮气参与整个热处理过程，有效的防止产品在高温状态下氧化和过度烧蚀；同时在高温状态下，氮气还可以作为活化剂参与活性炭的活化，利于制孔，有效的提高产品的比表面积。

经检测，制得的成型活性炭成品耐磨损机械强度≧99%，四氮化碳吸附值≧57%，灰分≦5%。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.一种高强度、低灰分成型活性炭制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将易裂解的辅助粘结剂与粉末状活性炭按比例送入捏合机中进行搅拌混合，得到混合炭粉；

（2）按质量配比要求往溶剂型酚醛树脂中添加醇类有机溶剂，得到稀释液；

（3）将混合炭粉与稀释液按比例送入捏合机中进行加热搅拌捏合，形成混合料；

（4）将捏合均匀并带有粘度的混合料输入成型挤出机进行挤出造粒，获得颗粒料；

（5）将制得的颗粒料在90～160 ℃下干燥固化1～3 h，然后送入炭化/活化一体炉内进行无氧高温热处理：将保护气体通入炭化/活化一体炉，所述炭化/活化一体炉再以5～15℃/min的速率逐步升温至200～300 ℃后保持恒温0.5～1 h，然后再次以2～8 ℃/min的速率升温至500～800 ℃保持恒温1～3 h，使部分粘结剂分解形成网状结构，增强成型活性炭的活性；

（6）热处理结束后，继续通保护气体至炭化/活化一体炉炉体温度下降至60 ℃以下，然后出料，获得高强度、低灰分的成型活性炭；

其中，所述粉末状活性炭、酚醛树脂、辅助粘结剂的质量比为100：10~30：3~10。

2.如权利要求 1 所述的一种高强度、低灰分成型活性炭制备方法，其特征在于，在步骤（1）中，所述辅助粘结剂与粉末状活性炭的混合采用“干式混合”法混合。

3.如权利要求 1 所述的一种高强度、低灰分成型活性炭制备方法，其特征在于，所述辅助粘结剂选自黄原胶、木质素、木焦油、改性淀粉中的一种或多种。

4.如权利要求 1 所述的一种高强度、低灰分成型活性炭制备方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述稀释液加入有固化剂。

5.如权利要求 4 所述的一种高强度、低灰分成型活性炭制备方法，其特征在于，所述固化剂为六次甲基四胺。

6.如权利要求 1 所述的一种高强度、低灰分成型活性炭制备方法，其特征在于，在步骤（3）中，所述捏合机的搅拌罐腔温度为35~80℃。

7.如权利要求 1 所述的一种高强度、低灰分成型活性炭制备方法，其特征在于，在步骤（5）中，所述颗粒料在90～160 ℃下干燥固化时，采用分段方式进行；所述保护气体为氮气，其热处理过程为：将颗粒料放入炭化/活化一体炉时，通入氮气排氧5min后，开始逐级加温炉体，并逐步调小氮气的供给量达到设定值1～5mL/min；待炉体温度达到设定值700℃时保持恒温1~3h ；然后停止加热，开始降温，同时逐步调小氮气流量至0.79mL/min，待物料冷却至室温后出料。

8.如权利要求7所述的一种高强度、低灰分成型活性炭制备方法，其特征在于，所述分段方式为：将成型的颗粒料放进烘箱中，先在90℃下干燥固化1小时，再在110℃下干燥固化1小时，然后在135℃下干燥固化1小时。

9.如权利要求 1 所述的一种高强度、低灰分成型活性炭制备方法，其特征在于，所述粉末状活性炭的细度高于等于150目。