CN106629719A

CN106629719A - 活性炭制备工艺

Info

Publication number: CN106629719A
Application number: CN201610840218.7A
Authority: CN
Inventors: 汤展跃
Original assignee: Midea Group Co Ltd; Guangdong Midea Refrigeration Equipment Co Ltd
Current assignee: Midea Group Co Ltd; GD Midea Air Conditioning Equipment Co Ltd
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2017-05-10

Abstract

本发明公开一种活性炭制备工艺，其中，该活性炭制备工艺，包括以下步骤：炭化：以氮气为保护气，按3℃/Min～6℃/Min的升温速度，将待炭化料加热至700℃～900℃，温度稳定后炭化2～4小时，形成炭化料；活化：以氮气为保护气，按7℃/Min～12℃/Min的升温速度，将所述炭化料加热至750℃～950℃，然后用氢氧化钠和甲醛改性剂使所述炭化料架活化5～12小时形成活性炭。通过本发明活性炭制备工艺，所制备的活性炭微孔孔隙率明显提高，吸附性能大幅改善，制备出的活性炭对甲醛具有很好的吸附效果，同时活性炭的寿命更加长久。

Description

活性炭制备工艺

技术领域

本发明涉及活性炭领域，特别涉及一种活性炭制备工艺。

背景技术

活性炭是一种具有选择吸附性能的炭吸附剂，可以由煤炭、果壳、木屑等无机或有机的含碳材料为原料，经过物理高温活化或药品化学活化而成。活性炭可以用来过滤颗粒物以及去除甲醛等有害气体，然而，现有的活性炭本身对甲醛的吸附性能不高，且寿命较短，无法满足人们单纯去除甲醛的需求。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种活性炭制备工艺，旨在可以制备出对甲醛吸附性能强劲、寿命长的活性炭。

为实现上述目的，本发明提出的活性炭制备工艺包括以下步骤：

炭化：以氮气为保护气，按3℃/Min～6℃/Min的升温速度，将待炭化料加热至700℃～900℃，温度稳定后炭化2～4小时，形成炭化料；

活化：以氮气为保护气，按7℃/Min～12℃/Min的升温速度，将所述炭化料加热至750℃～950℃，然后用氢氧化钠和甲醛改性剂使所述炭化料活化5～12小时形成活性炭。

优选地，所述待炭化料是经过以下步骤加工而成：

混料：将褐煤和焦煤按照1:0.3～1:0.6的比例混合，形成原煤混合料；

研磨：对所述原煤混合料进行研磨使其粒径至70μm以下，形成煤粉；

煤泥加工：选取49～55份的煤粉、30～35份的粘合剂、12～17份的水、2～5份的水溶液粘合剂以及1～3份的润滑剂进行混合，并将其加入至捏合机中搅拌均匀，制成煤泥；

挤压成型：将所述煤泥通过压力机挤出成型，以使所述煤泥固化形成所述待炭化料。

优选地，在所述混料步骤之前还包括以下步骤：

原煤破碎：将所述褐煤和所述焦煤破碎至粒径为2mm以下。

优选地，所述黏合剂为采用煤焦油制成的乳化煤焦油，所述乳化煤焦油的制备步骤如下：

将煤焦油预热至140℃～150℃，形成高温煤焦油；

配置乳化剂水溶液，在水中加入2％～5％煤焦油质量的表面活性剂和1％-3％煤焦油质量的稳定剂，预热至82℃～88℃形成乳化剂水溶液；

将所述高温煤焦油与所述乳化剂水溶液按照质量比为1:0.4～1:0.6的比例混合，搅拌均匀，形成所述乳化煤焦油。

优选地，在所述煤泥加工步骤和所述挤压成型步骤之间，还包括以下步骤：

练泥：通过机械练泥机使所述待炭化料混合均匀，用60～100目的丝网过滤出大颗粒物质。

优选地，在所述挤压成型步骤和所述炭化步骤之间，还包括以下步骤：

干燥：通过隧道炉使所述待炭化料干燥至水分含量在1％～3％以下。

优选地，所述压力机采用蜂窝钢模具，以使所述待炭化料呈蜂窝体状。

优选地，选取的所述煤粉的份数为50份、选取的黏合剂的份数为32份、选取的水的份数为15份、选取的水溶性粘合剂的份数为3份、选取的润滑剂的份数为2份。

优选地，炭化温度为800℃，炭化时间为3小时。

优选地，活化温度为900℃，活化炭化时间为10小时

本发明活性炭制备工艺改变炭化和活化步骤的工艺参数，所制备的活性炭微孔孔隙率提高，吸附性能明显改善，相对现有工艺具有如下优点：首先，该活性炭，是经过氢氧化钠和甲醛改性剂等化学药品活化而成，对甲醛有良好的吸收效果，同时配合炭化与活化步骤中形成良好的孔隙结构，可以大幅提升该活性炭对甲醛的吸附效果；其次，该活性炭经过炭化与活化步骤后，内部形成大量孔隙，孔隙率明显提高，其吸附容量更大，对甲醛的穿透吸附时间更长，因而使用寿命也更加长久。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明活性炭制备工艺一较佳实施例的工艺流程图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种活性炭制备工艺，该活性炭制备工艺旨在制备一种对甲醛具有很好的吸附效果，同时使用寿命长的活性炭，该活性炭与普通活性炭相比，其微孔孔隙率明显提高，孔隙结构更加发达，比表面积更大，吸附容量更大。通过本活性炭制备工艺制备的活性炭可以应用于空气净化器中，大幅提升空气净化器对甲醛气体的净化作用。当然，通过本活性炭制备工艺制备的活性炭也可应用在其他需要对甲醛进行吸附净化的场合或产品中。

在本发明实施例中，上述的活性炭制备工艺包括以下步骤：

活化：以氮气为保护气，按7℃/Min～12℃/Min的升温速度，将所述炭化料加热至750℃～950℃，然后用氢氧化钠和甲醛改性剂使所述炭骨架活化5～12小时形成活性炭。

具体的，炭化是活性炭制造过程中的主要热处理工艺之一，炭化过程中大部分非炭元素—氢和氧因待炭化料的高温分解首先以气体形式被排除，而获取的元素碳原子则组合形成通称为基本石墨微晶的有序结晶生成物。炭化不仅决定最终产品的机械强度等级，还决定最终产品的孔结构特性以及常规吸附性能指标等级。炭化的主要目的是：排出待炭化料中成型料的挥发份及水分；提高炭化料强度，使煤焦油中的沥青成分形成基本炭骨架；使炭颗粒形成初步孔隙。炭化应当在隔绝空气的条件下进行，在本实施例中，采用氮气作为保护气体，使整个炭火步骤处于隔绝空气的条件下进行。

炭化过程中，炭化温度对待炭化料初始孔隙的形成影响很大，在本实施例中，按3℃/Min～6℃/Min的升温速度，将待炭化料加热至700℃～900℃。高升温速率能使物料洗出更多的焦油和煤气，降低炭化料产率；升温速率(即升温速度)较低时，物料在低温区受热时间长，热解反应的选择性较强，初期热解使物料分子中较弱的键断开，发生了平行的和顺序的热缩聚反应，形成具有较高热稳定性的结构，从而减少高温热解析出物的挥发分产率，获得更高的固体炭化产物(即炭化料)产率。实践证明，升温速率控制在3℃/Min～6℃/Min时，可以满足获得更高的固体炭化产物的产率，当升温速率低于3℃/Min时，炭化所需时间会过长造成生产成本上升，同时过低的升温速度也会造成炭化料的孔隙率降低。当升温速率为5℃/Min时，获得更高的固体炭化产物的产率较好，也大幅节省了炭化时间，炭化料液具有较好的孔隙率。

炭化温度直接影响炭化料的孔隙结构和强度。温度过低时，炭化产物无法形成足够的机械强度；温度过高时，则会促使炭化产物中的石墨微晶有序变化，减少微晶之间的孔隙，使的炭化料过于坚硬，影响活化造孔过程，最终使得炭化料难以活化。实验数据表明，当炭化温度控制在700℃～900℃时，所形成的炭化产物具有很好的良好机械强度，同时也具有较大的孔隙率。炭化产物兼备强度和孔隙率的这种特点，在炭化温度为800℃尤其明显。在炭化温度稳定后，将待炭化料进行物理高温炭化2～4小时后，待炭化料完全炭化，形成炭化料。当炭化时间低于2小时，则会造成炭化不充分，使得炭化料的强度及孔隙率达不到要求；当炭化时间大于4小时，炭化时间过长，则可能会造成炭化料过于坚硬，不利于活化反应，同时随着炭化时间的增加也会造成生产成本的上升。实践表明，当炭化控制在3小时左右时，炭化料的性能最佳。

通过上述的炭化工艺，可以使得炭化料具有良好的孔隙率，有利于后续的活化工艺。

活化过程是赋予炭颗粒活性，使炭形成多孔的微晶结构，具有发达的表面积的过程，通过活化反应最终达到活化造孔的目的。本实施例中，活化反应是在隔绝空气的环境下进行的，以氮气为保护气对炭化料进行隔绝处理。活化反应中的升温速度和活化温度不宜过高，当升温速度过快时，活化反应中产生的孔隙会减少，最终导致活性炭的吸附容量降低，减少活性炭的使用寿命；活化反应的升温速度和活化温度也不能过度，负责容易造成活化反应不彻底，进而影响活性炭的吸附活性。实践表明，按7℃/Min～12℃/Min的升温速度，将所述炭化料加热至750℃～950℃时，活性炭具有较好的活性。当活化升温速度为10℃/Min，活化加热温度为900℃时，活性炭内部形成大孔、中孔和微孔相连接的孔隙结构，具有发达的比表面积，使得活性炭的孔隙率和吸附容量大幅提升，延长了活性炭的使用寿命。

在上述的活化反应中，采用氢氧化钠和甲醛改性剂对炭化料进行化学药品活化，改变了活性炭的吸附性能，使得活性炭对甲醛的吸附性能大幅增加。炭化料的活化时间不能过短，否则容易造成活化反应不充分导致活性炭活性较差。炭化料的活化时间过长，则容易造成生成成本的上升。炭化料的活化时间控制在5～12小时，此时活化反应较为彻底，氢氧化钠和甲醛改性剂与炭化料进行化学反应，使得制备的活性炭对甲醛的吸附能力大幅提升。当活化时间控制在10小时左右时，炭化料与氢氧化钠和甲醛改性剂的反应最为彻底，活性炭对甲醛的吸附能力最好。

表1甲醛吸附量实验数据对照表：

表1所示为采用本发明活性炭制备工艺制备的活性炭与竹炭、普通活性炭对甲醛吸附能力的实验数据对照表，通过实验证明本发明制备工艺所制备的活性炭对甲醛具有明显的吸附效果。

表2甲醛穿透吸附时间实验数据对照表：

由表2可知，本发明活性炭制备工艺所制备的活性炭对甲醛的穿透吸附时间更长，因而其使用寿命更加长久。

上述的待炭化料可以是果壳、原煤、木屑等原材料中的一种或多种加工而成，其中不同的原料加工制成待炭化料的工艺过程也不尽相同。在本实施例中，采用原煤作为原材料，经一系列加工工艺后制成待炭化料。原煤作为待炭化料的原材料时，对原煤的选取也有一些要求：①水分，煤的水分对活性炭生产有一点影响，水分含量过高不仅对煤炭的破碎、筛分不利，而且增加你呢过量消耗，提高生产成本；②灰分，煤灰分含量高会降低煤的发热量，影响炭化料以及活性炭产品的机械强度，影响活性炭的孔隙结构，降低活性炭的吸附性能；③挥发分，煤的挥发分含量过高，挥发出的物质容易结焦，堵塞产品道；挥发分过度，则会造成活化反应不彻底；④反应性，反应性高的煤在活化过程中，反应速断快，效率高，易于活化。

综合上述要求后，本实施例中的原煤选取焦煤和褐煤的混合料作为待炭化料的原材料。将焦煤和褐煤的制作成待炭化料的工艺步骤如下：

活性炭的制造过程中，主要是依据煤的挥发份和粘结性指标作为配煤基本概念进行原煤的比例混合，同时根据所要制备的活性炭的特性要求也会对原煤的混合比例作出相应地调整。在混料步骤中，褐煤和焦煤按照1:0.3～1:0.6的比例混合，此时所制备的活性炭产品孔结构和吸附性能较佳，能够有效提高活性炭的性能。需要指出的是，对原煤的配煤技术难以大幅提高活性炭的吸附性能，只能在一定范围内改善活性炭的吸附性能，降低生产成本。

需要说明的是，在一些情况下时，焦煤和褐煤的煤块较大，为了使焦煤和褐煤能够混合均匀，在混料步骤之前，还包括原煤破碎步骤：将所述褐煤和所述焦煤破碎至粒径为2mm以下。此时，焦煤和褐煤的颗粒粒径较小，容易使其按比例混合均匀。

对上述的原煤混合料进行研磨的目的是为了将煤进行预氧化处理，增加其表面积，使之易于活化。氧化对煤的炭化以及后去生产活性炭的影响使巨大的，氧化降低了煤受热的流动性，提高了炭化料的微孔容积，煤的预氧化使得制备的炭化料具有极高的微孔，有利于制备优质活性炭。为了达到上述效果，可以采取将原煤混合料放入研磨机中研磨，使其粒径至70μm以下，形成煤粉。

煤泥加工的目的是使固定的煤粉与液相的煤焦油充分的混合，赋予混合料以塑形和流动性，使煤粉的细小颗粒充分地、均匀地被煤焦油填充和包裹，煤沥青在经过炭化后形成炭的基本骨架。为了实现上述效果，本步骤中，将所述煤粉、粘合剂、水、水溶液粘合剂以及润滑剂按照一定质量比例进行混合，并加入至捏合机中搅拌均匀，制成具有塑形和流动性的煤泥。为了使制得的煤泥具有良好的塑形和流动性的煤泥，在本步骤中，选取49～55份的煤粉、30～35份的粘合剂、12～17份的水、2～5份的水溶液粘合剂以及1～3份的润滑剂进行混合。作为最佳的实施例，当选取50份的煤粉、32份的粘合剂、15份的水、3份的水溶液粘合剂以及2份的润滑剂进行混合时，所制得的煤泥的塑形和流动性更佳。

上述的黏合剂需要具备几个特点：①含碳量高，热解时析焦率高，最后能够构成活性炭本身的一部分，起到炭的基本骨架作用；②具有一定的流变性能，对基质颗粒具有良好的浸润性，并与基质混合后具有可塑性，有利于将基质原料加工成型为颗粒物质；③具有粘结性，使得炭颗粒粘结在一起，产生较高的机械强度；④有助于形成活性炭颗粒内部的初步孔隙，并对无不利影响，起造孔作用。目前常用的黏合剂主要有煤焦油、木质磺酸钠、淀粉溶液等，考虑到黏合剂的来源途径，一般采用煤焦油作为黏合剂。在本实施例中，采用的黏合剂为将煤焦油乳化后的形成乳化煤焦油，乳化煤焦油与普通煤焦油相比，具有良好的化学稳定性和流动性，可以使得上述煤粉形成的煤泥具有更好的流动性和塑形。下面介绍该乳化煤焦油的制备步骤：

将煤焦油预热至140℃～150℃，形成高温煤焦油；

作为优选方案，上述的煤焦油的预热温度为145℃，在水中加入4％煤焦油质量的所述表面活性剂和1％煤焦油质量的所述稳定剂，预热至85℃形成所述乳化剂水溶液；高温煤焦油与乳化剂水溶液的照质量比为1:0.5。此时形成的乳化煤焦油的化学稳定性和流动性最佳。

挤出成型的目的是得到具有一定外形及较高密实度的炭条或者炭块，将煤泥通过压力机挤出成型，以使所述煤泥固化形成条状或者炭状的待炭化料。该待炭化料的形状根据其最终制备的活性炭的使用环境和场合而定，例如可以为条状、柱状、或者蜂窝体状等。需要说明的是，当所需的活性炭呈蜂窝体状时，上述的煤泥经过压力机挤压后也呈蜂窝体状。为了实现这一效果，上述压力机采用的模具为带蜂窝刚模具，当煤泥通过该带蜂窝刚模具时，挤出的煤泥固化后，会形成呈蜂窝体状的待炭化料。蜂窝体状的待炭化料最终可以形成蜂窝体状的活性炭，该蜂窝体状的活性炭可以应用在空气净化器中，与空气净化器的进风有很大的接触面积，能够大幅提升空气净化效率，同时也能降低风阻，降低空气净化器运行过程中的噪音。同时，蜂窝体状的待炭化料具有较大的比表面积，也有利于使后续的炭化和活化反应更加彻底。

在一些实施例中，在煤泥加工步骤和挤压成型步骤之间，还包括练泥步骤，通过练泥步骤可以使得煤泥加工步骤中形成的煤泥混合更加均匀，将煤泥中的空气彻底排除，使得煤泥料组织更加均匀，可塑性能和致密性也更好，便于煤泥的后续成型，也提高了成型后的待炭化料的机械强度。该练泥步骤具体为：通过机械练泥机使所述煤泥混合均匀，用60～100目的丝网过滤出大颗粒物质。在通过机械练泥机对煤泥进行处理过程时，用60～100目的丝网将煤泥中的大颗粒物质筛选出，进而可以使得煤泥混合更加均匀，煤泥中的空气排除更彻底，使得煤泥料组织更加均匀。

为了进一步降低待炭化料的水分，防止由于待炭化料含有过多水分导致炭化过程不充分，炭化料产生的孔隙数量偏低以及孔隙孔径过小。同时炭化料含有过多水分，也会造成在炭化过程中，水分蒸发带走炭化热量，造成炭化过程中所需能耗较大的缺陷。为了避免上述缺陷，本实施例中，在挤压成型步骤和炭化步骤之间，还包括干燥步骤。该干燥具体为：通过隧道炉使所述待炭化料干燥至水分含量在1％～3％。通过使用隧道炉对待炭化料进行加热干燥，将其水分含量控制在1％～3％，此时，待炭化料在后续的炭化过程中，能够形成较好的孔隙结构，具有较高的孔隙率，提升了所制备的活性炭的吸附性能，同时由于干燥后的待炭化料含有水分较少，也能避免炭化过程中不必要的能源损耗，有利于降低生产成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种活性炭制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的活性炭制备工艺，其特征在于，所述待炭化料是经过以下步骤加工而成：

3.如权利要求2所述的活性炭制备工艺，其特征在于，在所述混料步骤之前还包括以下步骤：

原煤破碎：将所述褐煤和所述焦煤破碎至粒径为2mm以下。

4.如权利要求2所述的活性炭制备工艺，其特征在于，所述黏合剂为采用煤焦油制成的乳化煤焦油，所述乳化煤焦油的制备步骤如下：

将煤焦油预热至140℃～150℃，形成高温煤焦油；

5.如权利要求2所述的活性炭制备工艺，其特征在于，在所述煤泥加工步骤和所述挤压成型步骤之间，还包括以下步骤：

6.如权利要求2所述的活性炭制备工艺，其特征在于，在所述挤压成型步骤和所述炭化步骤之间，还包括以下步骤：

干燥：通过隧道炉使所述待炭化料干燥至水分含量在1％～3％。

7.如权利要求2所述的活性炭制备工艺，其特征在于，所述压力机采用蜂窝钢模具，以使所述待炭化料呈蜂窝体状。

8.如权利要求2所述的活性炭制备工艺，其特征在于，选取的所述煤粉的份数为50份、选取的黏合剂的份数为32份、选取的水的份数为15份、选取的水溶性粘合剂的份数为3份、选取的润滑剂的份数为2份。

9.如权利要求1所述的活性炭制备工艺，其特征在于，炭化温度为800℃，炭化时间为3小时。

10.如权利要求1所述的活性炭制备工艺，其特征在于，活化温度为900℃，活化炭化时间为10小时。