CN111841494A - 空气净化用活性炭 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了空气净化用活性炭，其原料按照质量百分比包括：胶黏性烟煤50~77份、粘结剂23~50份，其中胶黏性烟煤为1/3焦煤，粘接剂为煤焦油和淀粉的混合物，且煤焦油和淀粉的质量比为2:1~5:1；基于所述活性炭的原料，所述活性炭的制备方法包括以下步骤：S1原料混合；S2煤质改性；S3炭化；S4活化；S5筛分；本发明的活性炭有更好的空气净化吸附能力，且持续吸附能力更强。

Description

空气净化用活性炭
技术领域
本发明涉及活性炭领域，尤其涉及空气净化用活性炭。
背景技术
活性炭是一种经特殊处理的炭，将有机原料（果壳、煤、木材等）在隔绝空气的条件下加热，以减少非碳成分（此过程称为炭化），然后与气体反应，表面被侵蚀，产生微孔发达的结构（此过程称为活化）。由于活化的过程是一个微观过程，即大量的分子碳化物表面侵蚀是点状侵蚀，所以造成了活性炭表面具有无数细小孔隙。活性炭表面的微孔直径大多在2～50nm之间，即使是少量的活性炭，也有巨大的表面积，每克活性炭的比表面积为500~1500m2，活性炭的一切应用，几乎都基于活性炭的这一特点。
应用于空气净化领域的活性炭对于其孔径大小和材质均有要求，现有的活性炭材质要求不止是空气净化的程度，也对其持续净化能力提出了要求，规则的孔隙稳定脱吸好，但是在吸附能力上较差，持续能力也较差。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的空气净化用活性炭。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
空气净化用活性炭，其原料按照质量百分比包括：胶黏性烟煤50~77份、粘结剂23~50份，其中胶黏性烟煤为1/3焦煤，粘接剂为煤焦油和淀粉的混合物，且煤焦油和淀粉的质量比为2:1~5:1；基于所述活性炭的原料，所述活性炭的制备方法包括以下步骤：S1原料混合；将50~77份胶黏性烟煤和23~50份粘结剂一次性混合，搅拌均匀，得到粘结成型的胶黏性烟煤；S2煤质改性；将S1得到的粘结成型的胶黏性烟煤进行加热预氧化，促进烟煤膨胀，初步放出气体，使煤质变得蓬松，得到结构松散的熔融态烟煤；S3炭化；将S2得到的熔融态烟煤进行高温炭化，得到炭化后的烟煤；S4活化；将S3中炭化得到的烟煤加入金属颗粒状催化剂进行微波活化处理；S5筛分；对S4得到的活化烟煤筛分，得到外部直径在300~450nm之间的细小活性炭颗粒。
优选的，煤焦油和淀粉的比例为3:1。
优选的，在S1原料混合前，对50~77份胶黏性烟煤进行破碎和过滤处理。
优选的，S2煤质改性的具体步骤为，将S1得到的粘结成型的胶黏性烟煤放置在炭化炉中，以15~20℃/min升温加热，温度达到350℃的时候，降低升温速率至5~10℃/min，控制烟煤表面的焦油缓慢析出，当温度达到425℃时，停止加热，保持恒温0.5h，再继续以15~20℃/min的速度升温加热，至600℃，维持恒温，接着在同一炭化炉中进行炭化处理。
优选的，S3炭化直接采用预氧化处理的炭化炉，在预氧化达到600℃的基础上直接进行加热，炭化过程同现有技术，采用的升温速率在5~15℃/min，炭化温度在500~1100℃，恒温时间在0.5~2h。
优选的，S4活化过程控制通入水蒸气和CO2的速率为2L/min，控制其升温速度在5~10℃/min，恒温时间在3h以上。
优选的，S4活化标准为活性炭的烧失度在50%~75%，且其中金属颗粒状催化剂的粒径为150~200nm。
优选的，基于S1~S5得到的活性炭孔隙在25~45nm，且其孔隙呈不规则分布。
本发明的有益效果为：本发明中，一是在原料的粘接剂中采用煤焦油和淀粉的混合物，提升烟煤的粘粘性，从而提升其破粘难度，使预氧化过程中气体在煤质体内充分活动，扩大基础孔隙；二是采用限制预氧化的实施步骤，提升反应时间，熔融彻底，能使炭化的初步孔隙形成更加明显和稳定；三是采用微波活化和金属催化剂活化并存，使反应能充分进行，形成稳定的不规则孔隙。本发明的活性炭有更好的空气净化吸附能力，且持续吸附能力更强。
附图说明
图1为本发明所述活性炭显微镜下的表面微观结构图；
图2为样品一到样品四的吸附能力测试和孔隙测试结果图；
图3为煤焦油和淀粉比例改变对吸附能力测试改变的曲线图。
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一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-图3，本发明所述活性炭的原料按照质量百分比包括：胶黏性烟煤50~77份、粘结剂23~50份，其中胶黏性烟煤为1/3焦煤，粘接剂为煤焦油和淀粉的混合物，且煤焦油和淀粉的质量比为2:1~5:1。其中1/3焦煤是介于焦煤、肥煤、气煤三者之间的过渡煤，是中高挥发分、强粘结性的一种烟煤，单独炼焦能生成熔融性较好、强度较高的焦炭。使用这种煤料旨在控制其与在预氧化阶段得到较好的熔融态烟煤，从而控制后续炭化过程的加工速率，从而控制烧失度和烟煤的孔径间隙。加入淀粉，以控制其粘粘性，增加破粘的难度，以得到相对不规则的孔径间隙。
基于所述活性炭原料，所述活性炭的制备方法包括以下步骤：
S1原料混合；将50~77份胶黏性烟煤和23~50份粘结剂一次性混合，搅拌均匀，得到粘结成型的胶黏性烟煤；
在S1原料混合前，对50~77份胶黏性烟煤进行破碎和过滤处理；
破碎使原料煤的颗粒均匀,这不但可以提高煤粉与粘结剂之间的表面化学凝聚力，增加成型产品的强度，降低成型的难度，还会提高活性炭产品的空分性能，在制备时应尽可能降低煤颗粒的粒度，破碎愈细，制备的活性炭性能愈好，粉碎使原料煤的颗粒均匀,这不但可以提高煤粉与粘结剂之间的表面化学凝聚力，增加成型产品的强度，降低成型的难度，还会提高活性炭产品的空分性能，在制备时应尽可能降低煤颗粒的粒度，破碎愈细，制备的活性炭性能愈好，一般以颗粒通过160~200目筛为宜。成型的目的是增加活性炭的机械强度和规则性。破碎后得到的煤基外观多为粒状，直径2~5mm，长度为3~5mm。
S2煤质改性；将S1得到的粘结成型的胶黏性烟煤进行加热预氧化，促进烟煤膨胀，初步放出气体，使煤质变得蓬松，得到结构松散的熔融态烟煤；
具体地，将S1得到的粘结成型的胶黏性烟煤放置在炭化炉中，以15~20℃/min升温加热，温度达到350℃的时候，降低升温速率至5~10℃/min，控制烟煤表面的焦油缓慢析出，当温度达到425℃时，停止加热，保持恒温0.5h，再继续以15~20℃/min的速度升温加热，至600℃，维持恒温，准备接着进行炭化处理。350~450℃是焦油析出，气体散逸的最佳温度带，控制缓慢升温，能使烟煤熔融充分，气体散逸初步造成孔隙结构，便于后续活化处理，得到空隙大的不规则孔隙。
S3炭化；将S2得到的熔融态烟煤进行高温炭化，得到炭化后的烟煤；炭化步骤直接采用预氧化处理的炭化炉，在预氧化达到600℃的基础上直接进行加热，炭化过程同现有技术，采用的升温速率一般在5~15℃/min，炭化温度在500~1100℃，恒温时间在0.5~2h。
S4活化；将S3中炭化得到的烟煤加入金属颗粒状催化剂进行微波活化处理，控制其烧失度在50%~75%，其中金属颗粒状催化剂的粒径为150~200nm。微波辅助化学活化的加热均匀，可以显著缩短生产时间，从而极大地提高生产效率，亦可降低环境污染。研究表明微波加热法亦可得到高性能的活性炭；金属类催化剂在含碳原料表面可形成活性点，降低炭与水或CO2的反应活化能，从而降低活化温度，提高反应速率，形成发达的孔隙，同时，金属颗粒移动时也会产生孔道。催化剂在制备超级活性炭时可以降低活化温度，大幅提高反应的速率，这两个方法的合并使用，要对工艺速率进行严格控制，控制通入水蒸气和CO2的速率为2L/min，控制其升温速度在5~10℃/min，恒温时间在3h以上。
S5筛分；对S4得到的活化烟煤筛分，得到外部直径在300~450nm之间的细小活性炭颗粒。
基于以上工作过程，得到的活性炭孔隙在25~45nm，且其孔隙呈不规则分布。针对以上工作过程，现在对原料分量进行更改，观察成品变化，得到最佳配比。
实施例一
本发明所述活性炭的原料按照质量百分比包括：胶黏性烟煤50份、粘结剂50份，其中胶黏性烟煤为1/3焦煤，粘接剂为煤焦油和淀粉的混合物，且煤焦油和淀粉的质量比为2:1。
基于所述活性炭原料，所述活性炭的制备方法包括以下步骤：
S1原料混合；将50份胶黏性烟煤和50份粘结剂一次性混合，搅拌均匀，得到粘结成型的胶黏性烟煤；
S2煤质改性；将S1得到的粘结成型的胶黏性烟煤进行加热预氧化，促进烟煤膨胀，初步放出气体，使煤质变得蓬松，得到结构松散的熔融态烟煤；
具体地，将S1得到的粘结成型的胶黏性烟煤放置在炭化炉中，以18℃/min升温加热，温度达到350℃的时候，降低升温速率至8℃/min，控制烟煤表面的焦油缓慢析出，当温度达到425℃时，停止加热，保持恒温0.5h，再继续以18℃/min的速度升温加热，至600℃，维持恒温，准备接着进行炭化处理。
S3炭化；将S2得到的熔融态烟煤进行高温炭化，得到炭化后的烟煤；炭化步骤直接采用预氧化处理的炭化炉，在预氧化达到600℃的基础上直接进行加热，炭化过程同现有技术，采用的升温速率一般在10℃/min，炭化温度在1000℃，恒温时间在2h。
S4活化；将S3中炭化得到的烟煤加入金属颗粒状催化剂进行微波活化处理，控制其烧失度在50%~75%，其中金属颗粒状催化剂的粒径为150~200nm。
S5筛分；对S4得到的活化烟煤筛分，得到外部直径在300~450nm之间的细小活性炭颗粒。
由此得到的活性炭为样品一。
实施例二
本发明所述活性炭的原料按照质量百分比包括：胶黏性烟煤50份、粘结剂50份，其中胶黏性烟煤为1/3焦煤，粘接剂为煤焦油和淀粉的混合物，且煤焦油和淀粉的质量比为5:1。
基于所述活性炭原料，所述活性炭的制备方法包括以下步骤：
S1原料混合；将50份胶黏性烟煤和50份粘结剂一次性混合，搅拌均匀，得到粘结成型的胶黏性烟煤；
S2煤质改性；将S1得到的粘结成型的胶黏性烟煤进行加热预氧化，促进烟煤膨胀，初步放出气体，使煤质变得蓬松，得到结构松散的熔融态烟煤；
具体地，将S1得到的粘结成型的胶黏性烟煤放置在炭化炉中，以18℃/min升温加热，温度达到350℃的时候，降低升温速率至8℃/min，控制烟煤表面的焦油缓慢析出，当温度达到425℃时，停止加热，保持恒温0.5h，再继续以18℃/min的速度升温加热，至600℃，维持恒温，准备接着进行炭化处理。
S3炭化；将S2得到的熔融态烟煤进行高温炭化，得到炭化后的烟煤；炭化步骤直接采用预氧化处理的炭化炉，在预氧化达到600℃的基础上直接进行加热，炭化过程同现有技术，采用的升温速率一般在10℃/min，炭化温度在1000℃，恒温时间在2h。
S4活化；将S3中炭化得到的烟煤加入金属颗粒状催化剂进行微波活化处理，控制其烧失度在50%~75%，其中金属颗粒状催化剂的粒径为150~200nm。
S5筛分；对S4得到的活化烟煤筛分，得到外部直径在300~450nm之间的细小活性炭颗粒。
由此得到的活性炭为样品二。
实施例三
本发明所述活性炭的原料按照质量百分比包括：胶黏性烟煤50份、粘结剂50份，其中胶黏性烟煤为1/3焦煤，粘接剂为煤焦油和淀粉的混合物，且煤焦油和淀粉的质量比为3:1。
基于所述活性炭原料，所述活性炭的制备方法包括以下步骤：
S1原料混合；将50份胶黏性烟煤和50份粘结剂一次性混合，搅拌均匀，得到粘结成型的胶黏性烟煤；
S2煤质改性；将S1得到的粘结成型的胶黏性烟煤进行加热预氧化，促进烟煤膨胀，初步放出气体，使煤质变得蓬松，得到结构松散的熔融态烟煤；
具体地，将S1得到的粘结成型的胶黏性烟煤放置在炭化炉中，以18℃/min升温加热，温度达到350℃的时候，降低升温速率至8℃/min，控制烟煤表面的焦油缓慢析出，当温度达到425℃时，停止加热，保持恒温0.5h，再继续以18℃/min的速度升温加热，至600℃，维持恒温，准备接着进行炭化处理。
S3炭化；将S2得到的熔融态烟煤进行高温炭化，得到炭化后的烟煤；炭化步骤直接采用预氧化处理的炭化炉，在预氧化达到600℃的基础上直接进行加热，炭化过程同现有技术，采用的升温速率一般在10℃/min，炭化温度在1000℃，恒温时间在2h。
S4活化；将S3中炭化得到的烟煤加入金属颗粒状催化剂进行微波活化处理，控制其烧失度在50%~75%，其中金属颗粒状催化剂的粒径为150~200nm。
S5筛分；对S4得到的活化烟煤筛分，得到外部直径在300~450nm之间的细小活性炭颗粒。
由此得到的活性炭为样品三。
实施例四
本发明所述活性炭的原料按照质量百分比包括：胶黏性烟煤50份、粘结剂50份，其中胶黏性烟煤为1/3焦煤，粘接剂为煤焦油和淀粉的混合物，且煤焦油和淀粉的质量比为4:1。
基于所述活性炭原料，所述活性炭的制备方法包括以下步骤：
S1原料混合；将50份胶黏性烟煤和50份粘结剂一次性混合，搅拌均匀，得到粘结成型的胶黏性烟煤；
S2煤质改性；将S1得到的粘结成型的胶黏性烟煤进行加热预氧化，促进烟煤膨胀，初步放出气体，使煤质变得蓬松，得到结构松散的熔融态烟煤；
具体地，将S1得到的粘结成型的胶黏性烟煤放置在炭化炉中，以18℃/min升温加热，温度达到350℃的时候，降低升温速率至8℃/min，控制烟煤表面的焦油缓慢析出，当温度达到425℃时，停止加热，保持恒温0.5h，再继续以18℃/min的速度升温加热，至600℃，维持恒温，准备接着进行炭化处理。
S3炭化；将S2得到的熔融态烟煤进行高温炭化，得到炭化后的烟煤；炭化步骤直接采用预氧化处理的炭化炉，在预氧化达到600℃的基础上直接进行加热，炭化过程同现有技术，采用的升温速率一般在10℃/min，炭化温度在1000℃，恒温时间在2h。
S4活化；将S3中炭化得到的烟煤加入金属颗粒状催化剂进行微波活化处理，控制其烧失度在50%~75%，其中金属颗粒状催化剂的粒径为150~200nm。
S5筛分；对S4得到的活化烟煤筛分，得到外部直径在300~450nm之间的细小活性炭颗粒。
由此得到的活性炭为样品四。
对上述样品一至样品四在其他条件均相同的情况下，进行吸附能力测试和孔隙测试，得到图2的检测结果表，其中吸附能力测试的是在2L清水中，滴入2mL墨水后，加入等量活性炭，达到同样清澈度所需的时间，以及同一批活性炭对此实验能进行清理吸附的次数。
图中可以看出，3:1的煤焦油和淀粉比是最佳比例，实际实验的时候为2.8：1，但为了工艺便利，3:1即可。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.空气净化用活性炭，其特征在于，其原料按照质量百分比包括：胶黏性烟煤50~77份、粘结剂23~50份，其中胶黏性烟煤为1/3焦煤，粘接剂为煤焦油和淀粉的混合物，且煤焦油和淀粉的质量比为2:1~5:1；基于所述活性炭的原料，所述活性炭的制备方法包括以下步骤：
S1原料混合；将50~77份胶黏性烟煤和23~50份粘结剂一次性混合，搅拌均匀，得到粘结成型的胶黏性烟煤；
S2煤质改性；将S1得到的粘结成型的胶黏性烟煤进行加热预氧化，促进烟煤膨胀，初步放出气体，使煤质变得蓬松，得到结构松散的熔融态烟煤；
S3炭化；将S2得到的熔融态烟煤进行高温炭化，得到炭化后的烟煤；
S4活化；将S3中炭化得到的烟煤加入金属颗粒状催化剂进行微波活化处理；
S5筛分；对S4得到的活化烟煤筛分，得到外部直径在300~450nm之间的细小活性炭颗粒。
2.根据权利要求1所述的空气净化用活性炭，其特征在于，煤焦油和淀粉的比例为3:1。
3.根据权利要求1所述的空气净化用活性炭，其特征在于，在S1原料混合前，对50~77份胶黏性烟煤进行破碎和过滤处理。
4.根据权利要求1所述的空气净化用活性炭，其特征在于，S2煤质改性的具体步骤为，将S1得到的粘结成型的胶黏性烟煤放置在炭化炉中，以15~20℃/min升温加热，温度达到350℃的时候，降低升温速率至5~10℃/min，控制烟煤表面的焦油缓慢析出，当温度达到425℃时，停止加热，保持恒温0.5h，再继续以15~20℃/min的速度升温加热，至600℃，维持恒温，接着在同一炭化炉中进行炭化处理。
5.根据权利要求1所述的空气净化用活性炭，其特征在于，S3炭化直接采用预氧化处理的炭化炉，在预氧化达到600℃的基础上直接进行加热，炭化过程同现有技术，采用的升温速率在5~15℃/min，炭化温度在500~1100℃，恒温时间在0.5~2h。
6.根据权利要求1所述的空气净化用活性炭，其特征在于，S4活化过程控制通入水蒸气和CO2的速率为2L/min，控制其升温速度在5~10℃/min，恒温时间在3h以上。
7.根据权利要求1所述的空气净化用活性炭，其特征在于，S4活化标准为活性炭的烧失度在50%~75%，且其中金属颗粒状催化剂的粒径为150~200nm。
8.根据权利要求1所述的空气净化用活性炭，其特征在于，基于S1~S5得到的活性炭孔隙在25~45nm，且其孔隙呈不规则分布。
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