CN105056883A - 一种高表面活性炭的成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高表面活性炭的成型方法。该方法为：利用聚丙烯酰胺和聚四氟乙烯作为活性炭粉末的粘合剂，通过粘结剂对活性炭粉末的耦合作用，生成成型高表面活性炭，在非高温热条件下获得机械强度高和水稳定性好的成型炭，该种技术方法在现有技术中并不常见。该成型工艺具有温度低、压力低、时间快、粘结剂添加量少的特点。此外，利用该成型工艺制造的高表面活性炭具有比表面积大、强度高、水稳定性好、密度高、粉尘磨损率低的特点，可广泛的应用于天然气吸附储运、变压吸附、超级电容器等高新科技领域。

Description

一种高表面活性炭的成型方法

技术领域

本发明涉及一种吸附剂的成型方法，具体涉及一种高表面活性炭的成型方法。

背景技术

活性炭广泛用于饮用水纯化、脱色、除臭、除氯和消毒；用于溶剂回收和居住空间诸如宾馆，食品加工厂和化学工厂的空气净化；用于纯化很多化学和食物产品；以及用于多种气相设备。活性炭在很多经济部分和重要工业中受到关注，例如食品加工，医药，化学，石油，矿业，核，汽车和真空制造等。其中，拥有高比表面积的活性炭更是具有非常高的科学应用价值，可应用于制作超级电容器的材料、变压吸附、天然气吸附储运、空气净化以及吸波等前沿产业，具有非常广泛的市场前景。

但目前活性炭产品主要是粉末活性炭，粉末活性炭堆密度低、不易储放、运输和回收，容易造成粉尘污染。而与粉末活性炭相比，成型活性炭具有较大的尺寸和一定形状，有较高的堆密度与强度，且无粉尘污染。虽然其较高的密度与较大的尺寸，及粘结成型工艺、会导致其比表面积有一定损失，即单位质量表面积低于粉末活性炭，但由于密度大幅度提高，单位体积表面积要远远高于粉末活性炭。在储存运输过程中，密度大、单位体积表面积高的成型活性炭更具有优势。综上所述，生产一种具有高比表面积的、高强度的成型活性炭，可以进一步提高高表面活性炭的使用价值，有效拓展活性炭的应用领域，产生良好的经济效益。

现有公开的技术中，提出了利用粘土和酚醛树脂聚合物、羧甲基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛、石油焦等作为粘结剂。其中，CN104276570A需要高温活化，生产工艺条件苛刻，且成型活性炭的比表面积在1300m2/g以下；CN104192839A所述成型活性炭的比表面积仅为1300m2/g以下；CN103769047A所述的成型工艺粘结剂添加量达到30%，大大降低了成型活性炭的吸附性能；CN103121679A需要高温活化，生产工艺条件苛刻；CN102180464A、CN101857224A、CN101402454等专利申请，需要高温活化，生产工艺条件苛刻，且成型后的活性炭的比表面积均在1000m2/g左右。这些现有的成型工艺需要昂贵的装置设备，由于受到高温热处理步骤的影响，普遍存在投资过高、生产能耗大、污染环境等问题，导致产品无法满足实际生产应用的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述活性炭成型工艺的不足，提供一种高表面活性炭的成型方法，实现具有优异性能的成型高表面活性炭的生产和应用。

本发明实现上述目的的技术方案为：

一种高表面活性炭的成型方法，利用聚丙烯酰胺（PAM）和聚四氟乙烯（PTFE）作为活性炭粉末的粘结剂，通过粘结剂对活性炭粉末的耦合作用，生成成型高表面活性炭，所述成型高表面活性炭具有大于95%的水稳定性和低于0.5mg/dL/min的粉尘磨损率。

其生产工艺主要包括：干燥、混合、提浓、压制、脱模等工艺步骤。具体地，将高表面活性炭粉末先进行真空干燥，按照一定的比例制作粘结剂混合液，并按照一定的比例将干燥后的活性炭粉末与粘结剂混合液均匀混合；将混合后的成型浆液阴干提浓至一定浓度后，加入到成型器具中进行压制成型，最后脱模得到最终产品成型的高表面活性炭。

优选地，所述活性炭粉末的粘结剂还包括乙醇和水。

优选地，所述活性炭粉末的比表面积在2000m²/g以上。

优选地，成型的形状为圆柱形、球形、扇形或蜂窝状。

优选地，成型高表面活性炭的表观密度达到0.4g/cm³以上，起始粉尘为1~5mg/dL，粉尘磨损率为0.1~0.5mg/dL/min，磨损硬度值为75-100。

优选地，所述成型高表面活性炭的比表面积在2000m²/g以上。

一种高表面活性炭的成型方法，具体步骤如下：

（1）活性炭粉末烘干：将生产出的含水量较高（含水量大于10%）的活性炭粉末通过真空干燥，形成干的活性炭粉末，干燥后的活性炭粉末含水量小于1%；

（2）粘结剂的混合液生产：

1）制作聚丙烯酰胺混合溶液：将聚丙烯酰胺与水按1g:20~80ml的比例均匀混合，得到聚丙烯酰胺混合溶液；2）制作聚四氟乙烯混合溶液：将聚四氟乙烯与酒精按照1g:0.5~5ml的比例均匀混合，得到聚四氟乙烯混合溶液；3）制作粘结剂混合液，将聚丙烯酰胺混合溶液和聚四氟乙烯混合溶按照体积比为100~10：1的比例均匀混合，形成粘结剂的混合液；

（3）成型浆液制作：控制聚丙烯酰胺加入的质量为干的活性炭粉末质量的1~15%，将步骤（2）所得的混合液与活性炭粉末混合，得到浆液；

（4）成型浆液提浓：将制作好的浆液平铺于工作平面上，置于通风环境进行阴干，蒸发水分，得到提浓后的成型浆液，所选用工作平面为塑料布、塑料平板；

（5）活性炭压制成型：将提浓后的成型浆液加入成型器具中，在常温条件下压制成型，得到成型的活性炭；所述压制的时间为5~30min，压制压强为2~15MPa；所述成型器具为使用常见的工业成型器具，包括液压机或挤条机，成型器具中的成型模具选用工业成型模具，包括圆柱形、扇形、块状、球形；

（6）成型活性炭脱模：将成型的活性炭从模具中脱出，脱模压力为5~20MPa。

本发明通过一种新型的成型方法生产成型高表面活性炭，其原理是：利用聚丙烯酰胺（PAM）和聚四氟乙烯（PTFE）作为高表面活性炭的粘合剂，通过几种粘结剂的耦合作用，同时发挥了聚丙烯酰胺（PAM）硬度高的力学性能，和聚四氟乙烯（PTFE）的韧性及化学稳定性，形成机械强度和水稳定性较好的成型活性炭。此外，相对上述专利中的干法成型工艺、本发明采用了湿法成型，即活性炭成型材料为混合液态，这种工艺使得成型前的混合材料混合更加均匀，成型后活性炭的力学性能更加稳定。该成型工艺大大降低了成型条件，具有成型温度低、成型压力低、成型时间快、粘结剂添加量少的特点。此外，利用该成型工艺成型的高表面活性炭具有强度大、水稳定性好、密度高、比表面积高的特点，其主要理化性质均优于其他成型活性炭。

本发明与现有技术和现状相比具有以下的有益效果：

1、产品性能优异。本发明所得产品成型高表面活性炭，具有强度大、水稳定性好、密度高、比表面积高的特点，其主要理化性质均优于市面上其他成型活性炭。

2、设备投资和运行成本低。本发明设备均为常用的工业生产设备，设备的数量少、成本低，装置的建设投资小；由于本发明的生产条件要求较低，无需加热、制冷、成型压力低、时间短，因此与其他工艺相比，大大地降低了工艺生产的能耗，运行成本低。

3、流程简单，工艺安全可靠。本发明工艺流程简单，若干工序均为粉末成型行业中的常见工艺，可通过简单的时间配合和机组联合，实现连续化的大规模生产。通过简单的检测和自控系统，还可实现全自动化操作。所涉及的均为常用设备，应用技术成熟，选型方便，保证设备安全和生产的连续性。

4、节约资源，保护环境。本发明改变了现有活性炭成型工艺能耗大、污染环境和无法实现连续化规模生产的现状，大大降低了生产能耗，节约成型材料，提高了生产效率，并杜绝了生产过程的环境污染。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

活性炭粉末烘干：将120g比表面积在2000m²/g以上的活性炭粉末通过真空干燥，形成干的活性炭粉末，干燥后得到100g含水量为0.5%的活性炭粉末。

粘结剂混合液生产：1）制作聚丙烯酰胺混合溶液，将聚丙烯酰胺与水按1g:50ml的比例均匀混合；2）制作聚四氟乙烯混合溶液，将聚四氟乙烯与酒精按照1g:1ml的比例均匀混合；3）制作粘结剂混合液，将聚丙烯酰胺混合溶液和聚四氟乙烯混合溶按照体积比为20：1的比例混合，形成均匀的混合液。

成型浆液制作：控制聚丙烯酰胺加入的质量为干的活性炭粉末质量的8%。取100g干的活性炭粉末，加聚丙烯酰胺混合溶液400ml和聚四氟乙烯混合溶液20ml，与干的活性炭粉末均匀混合，制成成型所用浆液。

成型浆液提浓：将制作好的浆液平铺于塑料布上，置于通风环境进行阴干，蒸发水分，提升成型浆液浓度。

活性炭压制成型：将提浓后的成型浆液加入液压机的圆柱形模具中，在室温下压制成型，压制时间为10min，压制压强为5MPa。

成型活性炭脱模：将成型的活性炭从模具中脱出，脱模压力为10MPa，得到产品。

该产品成型高表面活性炭的水稳定性为98%，表观密度达到0.430g/cm3，起始粉尘为3mg/dL，粉尘磨损率为0.2mg/dL/min，磨损硬度值为96。此外，成型后的活性炭比表面积达2200m2/g。

实施例2

活性炭粉末烘干：将120g比表面积在2000m²/g以上的活性炭粉末通过真空干燥，形成干的活性炭粉末，干燥后得到100g含水量为0.5%的活性炭粉末。

粘结剂混合液生产：1）制作聚丙烯酰胺混合溶液，将聚丙烯酰胺与水按1g:20ml的比例均匀混合；2）制作聚四氟乙烯混合溶液，将聚四氟乙烯与酒精按照1g:1ml的比例均匀混合；3）制作粘结剂混合液，将聚丙烯酰胺混合溶液和聚四氟乙烯混合溶按照体积比为100：1的比例混合，形成均匀的混合液。

成型浆液制作：控制聚丙烯酰胺加入的质量为干的活性炭粉末质量的15%。取100g干的活性炭粉末，加聚丙烯酰胺混合溶液300ml和聚四氟乙烯混合溶液3ml，与干的活性炭粉末均匀混合，制成成型所用浆液。

成型浆液提浓：将制作好的浆液平铺于塑料布上，置于通风环境进行阴干，蒸发水分，提升成型浆液浓度。

活性炭压制成型：将提浓后的成型浆液加入液压机的圆柱形模具中，在室温下压制成型，压制时间为30min，压制压强为2MPa。

成型活性炭脱模：将成型的活性炭从模具中脱出，脱模压力为5MPa，得到产品。

该产品成型高表面活性炭的水稳定性为95%，表观密度达到0.490g/cm3，起始粉尘为5mg/dL，粉尘磨损率为0.5mg/dL/min，磨损硬度值为98。此外，成型后的活性炭比表面积达2000m2/g。

实施例3

活性炭粉末烘干：将120g比表面积在2000m²/g以上的活性炭粉末通过真空干燥，形成干的活性炭粉末，干燥后得到100g含水量为0.5%的活性炭粉末。

粘结剂混合液生产：1）制作聚丙烯酰胺混合溶液，将聚丙烯酰胺与水按1g:50ml的比例均匀混合；2）制作聚四氟乙烯混合溶液，将聚四氟乙烯与酒精按照1g:0.5ml的比例均匀混合；3）制作粘结剂混合液，将聚丙烯酰胺混合溶液和聚四氟乙烯混合溶按照体积比为10：1的比例混合，形成均匀的混合液。

成型浆液制作：控制聚丙烯酰胺加入的质量为干的活性炭粉末质量的8%。取100g干的活性炭粉末，加聚丙烯酰胺混合溶液400ml和聚四氟乙烯混合溶液40ml，与干的活性炭粉末均匀混合，制成成型所用浆液。

成型浆液提浓：将制作好的浆液平铺于塑料布上，置于通风环境进行阴干，蒸发水分，提升成型浆液浓度。

活性炭压制成型：将提浓后的成型浆液加入液压机的圆柱形模具中，在室温下压制成型，压制时间为5min，压制压强为15MPa。

成型活性炭脱模：将成型的活性炭从模具中脱出，脱模压力为20MPa，得到产品。

该产品成型高表面活性炭的水稳定性为99%，表观密度达到0.480g/cm3，起始粉尘为1mg/dL，粉尘磨损率为0.1mg/dL/min，磨损硬度值为95。此外，成型后的活性炭比表面积达2000m2/g。

上述实施例表明该利用本发明的高表面活性炭成型工艺，所得产品成型高表面活性炭，具有强度大、水稳定性好、密度高、比表面积高的特点，其主要理化性质均优于市面上其他成型活性炭。此外，其设备投资和运行成本低，流程简单，工艺安全可靠，可实现连续化、自动化生产，大大降低了生产能耗，节约成型材料，提高了生产效率，并杜绝了生产过程的环境污染。

Claims (7)

1.一种高表面活性炭的成型方法，其特征在于，利用聚丙烯酰胺（PAM）和聚四氟乙烯（PTFE）作为活性炭粉末的粘结剂，通过粘结剂对活性炭粉末的耦合作用，生成成型高表面活性炭，所述成型高表面活性炭具有大于95%的水稳定性和低于0.5mg/dL/min的粉尘磨损率。

2.根据权利要求1所述的高表面活性炭的成型方法，其特征在于，所述活性炭粉末的粘结剂还包括乙醇和水。

3.根据权利要求1所述的高表面活性炭的成型方法，其特征在于，所述活性炭粉末的比表面积在2000m²/g以上。

4.根据权利要求1所述的高表面活性炭的成型方法，其特征在于，成型的形状为圆柱形、球形、扇形或蜂窝状。

5.根据权利要求1所述的高表面活性炭的成型方法，其特征在于，成型高表面活性炭的表观密度达到0.4g/cm³以上，起始粉尘为1~5mg/dL，粉尘磨损率为0.1~0.5mg/dL/min，磨损硬度值为75-100。

6.根据权利要求1所述的高表面活性炭的成型方法，其特征在于，所述成型高表面活性炭的比表面积在2000m²/g以上。

7.根据权利要求1所述的高表面活性炭的成型方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）活性炭粉末烘干：将生产出的含水量较高的活性炭粉末通过真空干燥，形成干的活性炭粉末，干燥后的活性炭粉末含水量小于1%；所述活性炭粉末的含水量大于10%；

（2）粘结剂的混合液生产：

1）制作聚丙烯酰胺混合溶液：将聚丙烯酰胺与水按1g:20~80ml的比例均匀混合，得到聚丙烯酰胺混合溶液；2）制作聚四氟乙烯混合溶液：将聚四氟乙烯与酒精按照1g:0.5~5ml的比例均匀混合，得到聚四氟乙烯混合溶液；3）制作粘结剂混合液，将聚丙烯酰胺混合溶液和聚四氟乙烯混合溶按照体积比为100~10：1的比例均匀混合，形成粘结剂的混合液；

（3）成型浆液制作：控制聚丙烯酰胺加入的质量为干的活性炭粉末质量的1~15%，将步骤（2）所得的混合液与活性炭粉末混合，得到浆液；

（4）成型浆液提浓：将制作好的浆液平铺于工作平面上，置于通风环境进行阴干，蒸发水分，得到提浓后的成型浆液，所选用工作平面为塑料布、塑料平板；

（5）活性炭压制成型：将提浓后的成型浆液加入成型器具中，在常温条件下压制成型，得到成型的活性炭；所述压制的时间为5~30min，压制压强为2~15MPa；所述成型器具为使用常见的工业成型器具，包括液压机或挤条机，成型器具中的成型模具选用工业成型模具，包括圆柱形、扇形、块状、球形；

（6）成型活性炭脱模：将成型的活性炭从模具中脱出，脱模压力为5~20MPa。