CN106744948B - 一种高着火点颗粒活性炭及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高着火点颗粒活性炭及其制备方法。将木屑烘干，与活化剂溶液、高着火点改良剂按一定比例混合，在一定温度下塑化，定型，烘干。将物料在活化反应器内缓慢升温至活化温度，保温一定时间，活化完成后，经洗涤回收活化剂，烘干后得到高着火点颗粒活性炭产品。本发明制备出的活性炭耐火性能好，颗粒强度高，吸附力大，适合于工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及高着火点颗粒活性炭制备方法，具体涉及添加高着火点改良剂制备高着火点颗粒活性炭的简便方法。
背景技术
随着我国社会经济的发展，废气排放的增多，大气污染逐年严重。特别是最近几年雾霾天气大范围持久性的发生，对大气保护提出了新的要求。挥发性有机物(VOCs)是导致雾霾天气的元凶之一，由VOCs经化学转化生成的颗粒物，是PM2.5的重要来源。VOCs不但能导致雾霾，而且大多数有毒，排放至大气中后，严重危害人类健康和区域生态环境安全活性炭是一种比表面积大，孔结构发达的炭质吸附材料，在国内外被大量用作VOCs回收工业的吸附剂。煤质颗粒活性炭着火点高，强度好，但是其孔径偏小，对有机溶剂的饱和吸附量较低，在工业用应用受到限制。木质颗粒活性炭具有中大孔发达，有机溶剂饱和吸附容量大的特点，广泛应用于工业有机溶剂吸附回收。但是，木质活性炭由于其原料的特征，常规活化后其着火点较低。因有机溶剂吸附放热，工业应用中可能出现过热燃烧，引发着火事故。同时，常规配方成型的木质颗粒活性炭强度不够大，在吸附塔内容易被压碎，导致气阻升高，每年需补充较多的新炭，增加了使用成本。因此，高着火点高强度颗粒活性炭的制备技术是当前先进活性炭材料的研究热点。
目前，对于提高活性炭着火点的研究较少，一般以高温重整为主，尚未见添加纳米无机耐火材料提高颗粒活性炭着火点和强度的研究报道。高温重整所需温度高(1000℃以上)，故能耗高。同时，在如此高温下，孔径尺寸难以控制，易造成已形成孔隙的闭合，降低吸附力。因此，探索能耗低，操作简便技术成为制备高着火点颗粒活性炭的难题。
中国林业科学研究院林产化学工业研究所的许伟等人(许伟，刘军利等.高温重整调控木质成型活性炭性能的研究[J].林产化学与工业,2016,36(3):9-15.)研究了高温重整方法对活性炭性能的影响。快速升温至800℃重整活性炭30～75min后，可使活性炭强度提高5.75％～6.39％。发现活性炭的比表面积和总孔容积分别下降约400m2/g和0.3m3/g,丁烷的吸附力下降15％以内；800℃重整1h后，着火点提高100℃以上。利用高温重整是调整微孔的一种方法，但是反应温度高，耗能大，时间长，成本高，工业化难度较大。
中国林业科学研究院林产化学工业研究所的朱光真等人(朱光真，邓先伦等，一种高着火点颗粒活性炭制备方法，ZL201510122888.0)发明了一种高着火点颗粒活性炭制备方法，将木质粉状活性炭与无机粘合剂A和添加剂B进行捏合，得到捏合物；将所述捏合物进行成型，烘干，并进行焙烧得到颗粒活性炭；其中，所述烘焙温度为400～700℃，持续时间为0.5～3小时，最终得到的活性炭其着火点的温度可以达到405～478℃。通过粉状活性炭添加无机粘合剂进行二次成型是一种提高着火点的方法，但是此方法存在粘合剂易包覆在活性炭粉的表面，将已形成的孔隙堵塞，导致成型活性炭的吸附力显著下降。
综上所述，目前对提高颗粒活性炭着火点的研究较少。而采用高温重整提高着火点对反应温度要求高，增加了能耗，高温下易造成已形成孔隙度闭合；粉状活性炭添加无机粘结剂二次成型方法，存在粘结剂包覆在粉状活性炭表面，从而堵塞已形成孔隙的问题，显著降低了吸附力。因此，探索过程简单，能耗低，着火点易调控的技术成为制备高着火点颗粒活性炭的难题。
发明内容
为了解决现有技术存在的制备过程复杂，能耗高，产品吸附力下降明显等缺点，本发明提供了高着火点颗粒活性炭及其制备方法，产品耐火性能高，着火点可调控，强度大，吸附力强，方法简单快捷。
本发明提供一种高着火点颗粒活性炭的制备方法，包括如下步骤：
第一步，成型：将洁净干燥的木屑与活化剂和高着火点改良剂混合，浸渍，然后塑化对辊成型，并干燥硬化，所述的活化剂为磷酸或氯化锌，所述的高着火点改良剂包括钙、镁、硅氧化物或硅酸钠的一种或任几种混合物，木屑与高着火点改良剂的质量比为1：0.1～1；
第三步：活化：将干燥硬化的成型物料放入活化反应器，升温至活化终温，活化完成后，冷却，洗涤回收活化剂，烘干得活性炭产品，活化温度300～600℃。
塑化温度50℃～300℃。
活化剂配置成质量浓度为20～60％的水溶液，活化剂与木屑的质量比1：1～10。
活化时的升温速度1℃～10℃/min，活化时间为0.1～5h
所述高着火点改良剂为纳米级的SiO2、CaO、MgO、Na2SiO3中的任意一种或多种的混合物。
所述的高着火点改良剂为CaO和MgO，其质量比为1:3；或为SiO2、CaO和MgO，其质量比为5:1:2。
所述高着火点改良剂包括Na2SiO3时，则Na2SiO3质量占高着火点改良剂的10～30％。
所述的木屑为杉木屑、松木屑、按木屑、竹屑中的一种或混合物。
所述的高着火点颗粒活性炭的制备方法制备的活性炭，活性炭的着火点可调控范围为300℃～不可燃，强度80～100％，亚兰值为100～300mg/g，焦糖脱色率60～120％。
有益效果：
1.采用在原料中配以纳米耐火材料，以化学法成型、活化制备高着火点活性炭的技术，不影响吸附力，产品着火点易调控，强度高，能耗和成本低，产品应用范围广，适合于工业生产。
2.活性炭的着火点易调控，着火点300℃～不可燃，强度80-100％，亚兰值为100～300mg/g，焦糖脱色率60-120％。
附图说明
图1活性炭着火点曲线。
图2颗粒活性炭强度曲线。
具体实施方式
本发明对所制备的高着火点颗粒活性炭着火点、强度和吸附性能的测试方法如下：
(1)着火点和强度分别依据国标GB/T 20449-2006、GB/T 12496.6-1999中规定的方法检测。
(2)亚甲基蓝吸附值和焦糖脱色率的测定：亚甲基蓝吸附值的测定按照GB/T12496.9-1999“木质活性炭试验方法亚甲基蓝吸附值的测定”进行。焦糖脱色率按照GB/T12496.10-2015“木质活性炭试验方法焦糖脱色率的测定”进行。
一种高着火点颗粒活性炭的制备方法，包括如下步骤：
第一步，原料预处理：将木屑筛分除杂，烘干，水分控制在5％以下；
第二步，成型：将上述木屑与活化剂和高着火点改良剂混合，浸渍24h，然后塑化对辊成型，并干燥硬化，所述的活化剂为磷酸或氯化锌，将活化剂配置成质量浓度为20～60％的水溶液，活化剂与木屑的质量比1：(1～10)，所述的高着火点改良剂包括钙、镁氧化物及其硅酸盐的一种或几种混合物，木屑与高着火点改良剂的质量比1：(0.1～1)，塑化温度50℃～300℃；
第三步：活化：将干燥硬化的成型物料放入活化反应器，升温至活化终温，活化完成后，冷却，洗涤回收活化剂，烘干得活性炭产品，所述的升温速度1℃～10℃/min，活化温度300～600℃，活化时间0.1～5h。
优选的所述的高着火点改良剂至少包括纳米级钙、镁氧化物及其硅酸盐的一种或几种混合物。
优选的所述高着火点改良剂为纳米级的SiO2，CaO，MgO中的任意两种混合物。
优选的所述的高着火点改良剂为CaO和MgO，其质量比为1:3。
优选的所述的高着火点改良剂为SiO2、CaO和MgO，其质量比为5:1:2
优选的所述高着火点改良剂还包括Na2SiO3，其质量占高着火点改良剂的10～30％。
本发明木屑可以为杉木屑、松木屑、按木屑、竹屑中的一种或混合物。活性炭的着火点可通过调整耐火材料SiO2，CaO，MgO，Na2SiO3与木屑的比例来提高。活性炭的吸附力可通过化学药剂H3PO4的添加量，活化过程中的升温速率、活化温度、活化时间来控制。将干燥硬化的成型物料放入活化反应器，以一定升温速率升温至活化终温，活化完成后，冷却，洗涤回收活化剂，烘干得活性炭产品。升温速度1℃～10℃/min，活化温度200～500℃。活性炭的着火点300℃～不可燃，强度80～100％，亚兰值为100～300mg/g，焦糖脱色率60-120％。
实施例1
(1)杉木屑筛分：将木屑筛分除杂，烘干，水分控制在5％。
(2)成型：将磷酸配置成质量浓度为20％的的水溶液，按质量比1：1与木屑混合，再按质量比1：0.1加入纳米级MgO，充分混合，浸渍24小时，在50℃下塑化1小时，对辊成型，150℃下干燥6小时硬化。
(3)活化：将干燥硬化的成型物料放入活化反应器，以1℃/min升温速率升温至活化终温300℃，维持0.5小时，活化完成后，冷却，洗涤回收活化剂，烘干得活性炭产品。活性炭的着火点270℃，强度80％，亚兰值为100mg/g，焦糖脱色率60％。
实施例2
(1)杉木屑筛分：将木屑筛分除杂，烘干，水分控制在5％。
(2)成型：将氯化锌配置成质量浓度为35％的水溶液，按质量比1：8与木屑混合，再按质量比1：0.3加入100目MgO和SiO2(其质量比为1:2)粉末，充分混合，浸渍24小时，在50℃下塑化1小时，对辊成型，150℃下干燥6小时硬化。
(3)活化：将干燥硬化的成型物料放入活化反应器，以1℃/min升温速率升温至活化终温300℃，维持0.5小时，活化完成后，冷却，洗涤回收活化剂，烘干得活性炭产品。活性炭的着火点380℃，强度80％，亚兰值为100mg/g，焦糖脱色率60％。
实施例3
(1)杉木屑筛分：将木屑筛分除杂，烘干，水分控制在5％。
(2)成型：将磷酸配置成质量浓度为20％的的水溶液，按质量比1：4与木屑混合，再按质量比1：0.4加入纳米MgO和CaO(其质量比为3:1)，充分混合，浸渍24小时，在150℃下塑化1小时，对辊成型，150℃下干燥6小时硬化。
(3)活化：将干燥硬化的成型物料放入活化反应器，以1℃/min升温速率升温至活化终温500℃，维持1.5小时，活化完成后，冷却，洗涤回收活化剂，烘干得活性炭产品。活性炭的着火点480℃，强度100％，亚兰值为300mg/g，焦糖脱色率120％。
实施例4
(1)桉木屑筛分：将木屑筛分除杂，烘干，水分控制在5％。
(2)成型：将氯化锌配置成质量浓度为20％的的水溶液，按质量比1：4与木屑混合，再按质量比1：0.5加入纳米SiO2、CaO和MgO(其质量比为5:1:2)，充分混合，浸渍24小时，在150℃下塑化1小时，对辊成型，150℃下干燥6小时硬化。
(3)活化：将干燥硬化的成型物料放入活化反应器，以1℃/min升温速率升温至活化终温500℃，维持1.5小时，活化完成后，冷却，洗涤回收活化剂，烘干得活性炭产品。活性炭的着火点630℃，强度92％，亚兰值为225mg/g，焦糖脱色率100％。
实施例5
(1)桉木屑筛分：将木屑筛分除杂，烘干，水分控制在5％。
(2)成型：将氯化锌配置成质量浓度为20％的的水溶液，按质量比1：4与木屑混合，再按质量比1：0.5加入高着火点改良剂，充分混合，浸渍24小时，在150℃下塑化1小时，对辊成型，150℃下干燥6小时硬化。高着火点改良剂为纳米SiO2、CaO和MgO(其质量比为5:1:2)，加上占改良剂总质量20％的Na2SiO3。
(3)活化：将干燥硬化的成型物料放入活化反应器，以1℃/min升温速率升温至活化终温500℃，维持1.5小时，活化完成后，冷却，洗涤回收活化剂，烘干得活性炭产品。得到活性炭样品活性炭的着火点600℃，强度97％，亚兰值为225mg/g，焦糖脱色率110％。
实施例6
(1松木屑筛分：将木屑筛分除杂，烘干，水分控制在5％。
(2)成型：将氯化锌配置成质量浓度为20％的的水溶液，按质量比1：8与木屑混合，再按质量比1：0.6加入高着火点改良剂，充分混合，浸渍24小时，在150℃下塑化1小时，对辊成型，150℃下干燥6小时硬化。高着火点改良剂为纳米CaO、MgO和Na2SiO3，其质量比为3:4:3。
(3)活化：将干燥硬化的成型物料放入活化反应器，以1℃/min升温速率升温至活化终温500℃，维持1.5小时，活化完成后，冷却，洗涤回收活化剂，烘干得活性炭产品。得到活性炭样品活性炭的着火点700℃，强度97％，亚兰值为225mg/g，焦糖脱色率110％。
实施例7
(1)竹屑筛分：将竹屑筛分除杂，烘干，水分控制在5％。
(2)成型：将磷酸配置成质量浓度为20％的的水溶液，按质量比1：4与木屑混合，再按质量比1：0.7加入高着火点改良剂，充分混合，浸渍24小时，在150℃下塑化1小时，对辊成型，150℃下干燥6小时硬化。高着火点改良剂为轻质氧化镁和Na2SiO3，其质量比为7:3。
(3)活化：将干燥硬化的成型物料放入活化反应器，以1℃/min升温速率升温至活化终温500℃，维持1.5小时，活化完成后，冷却，洗涤回收活化剂，烘干得活性炭产品。得到活性炭样品活性炭的着火点800℃，强度97％，亚兰值为225mg/g，焦糖脱色率110％。
实施例8
(1)桉木屑筛分：将木屑筛分除杂，烘干，水分控制在5％。
(2)成型：将氯化锌配置成质量浓度为20％的的水溶液，按质量比1：4与木屑混合，再按质量比1：0.8加入高着火点改良剂，充分混合，浸渍24小时，在150℃下塑化1小时，对辊成型，150℃下干燥6小时硬化。高着火点改良剂为纳米SiO2、MgO和Na2SiO3，其质量比为2:5:3
(3)活化：将干燥硬化的成型物料放入活化反应器，以1℃/min升温速率升温至活化终温500℃，维持1.5小时，活化完成后，冷却，洗涤回收活化剂，烘干得活性炭产品。得到活性炭样品活性炭的着火点850℃，强度97％，亚兰值为225mg/g，焦糖脱色率110％。
Claims (8)
1.一种高着火点颗粒活性炭的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，成型：将洁净干燥的木屑与活化剂和高着火点改良剂混合，浸渍，然后塑化对辊成型，并干燥硬化，所述的活化剂为磷酸或氯化锌，所述的高着火点改良剂包括钙氧化物、镁氧化物、硅氧化物或硅酸钠的一种或任几种混合物，木屑与高着火点改良剂的质量比为1：0.1～1；
第三步：活化：将干燥硬化的成型物料放入活化反应器，升温至活化终温，活化完成后，冷却，洗涤回收活化剂，烘干得活性炭产品，活化温度300～600℃。
2.根据权利要求1所述的高着火点颗粒活性炭的制备方法，其特征在于，塑化温度50℃～300℃。
3.根据权利要求1所述的高着火点颗粒活性炭的制备方法，其特征在于，活化剂配置成质量浓度为20～60%的水溶液，活化剂与木屑的质量比1：1～10。
4.根据权利要求1所述的高着火点颗粒活性炭的制备方法，其特征在于，活化时的升温速度1℃～10℃/min，活化时间为0.1～5h。
5.根据权利要求1所述的高着火点颗粒活性炭的制备方法，其特征在于，所述高着火点改良剂为纳米级的SiO2、CaO、MgO、 Na2SiO3中的任意一种或多种的混合物。
6.根据权利要求1所述的高着火点颗粒活性炭的制备方法，其特征在于，所述的高着火点改良剂为CaO和MgO，其质量比为1:3；或为SiO2、CaO和MgO，其质量比为5:1:2。
7.根据权利要求5所述的高着火点颗粒活性炭的制备方法，其特征在于，所述高着火点改良剂包括Na2SiO3时，则Na2SiO3质量占高着火点改良剂的10～30%。
8.根据权利要求1所述的高着火点颗粒活性炭的制备方法，其特征在于，所述的木屑为杉木屑、松木屑、桉木屑、竹屑中的一种或混合物。
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