CN112156757A - 一种复合型吸附材料结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合型吸附材料结构，包括陶质骨架、沸石微粒、炭微粒和空穴；所述的陶质骨架为疏松结构；所述的沸石微粒、炭微粒和空穴分布于所述的陶质骨架之中；相邻的空穴之间相互连通，所述的空穴与外部连通；沸石微粒、炭微粒具有一部分表面外露于空穴中，外露于空穴中的沸石微粒其表面的微孔和外露于空穴中的炭微粒其表面的微孔可通过空穴与外部连通。本发明制吸附饱和后可通过脱附再生得以反复长期使用。可适用于工业、农业、服务业等领域的废气治理、污水治理和土壤修复。在使用过程中还起到对废气和污水作初级过滤的效果。本发明还公开了一种复合型吸附材料结构的制造方法。

Description

一种复合型吸附材料结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及的是一种复合型吸附材料结构，具体涉及一种适用于流体净化的复合型吸附材料的结构及其制造方法，属于环保技术和新材料技术领域。
背景技术
在空气、水源和土壤污染日益严重的形势下，对污染物的无害化处理刻不容缓，现时已经有多种技术手段应用于环境治理中，其中包括采用活性炭和沸石分子筛的吸附技术，尤其是活性炭吸附技术在空气净化和水净化领域已经大量采用，活性炭虽然具有良好的吸附性能，但也存在明显的缺陷，主要问题在于活性炭不能承受太高的脱附温度，否则容易出现燃烧火灾的风险，而低温脱附对于某些被吸附物难以完全脱附干净，久而久之活性炭会逐渐出现堵塞，吸附功能逐步丧失。现时大部分活性炭的使用寿命不超过一年，频繁更换活性炭导致环保治理的成本很高，况且大量产生的报废活性炭更造成环境的二次污染。由沸石制成的沸石转轮和沸石蜂窝等吸附材料，具有良好的吸附性能并适用于高温脱附，使用寿命大幅提高，但由于现时沸石制成品价格高昂，对于经济能力有限的企业难以承受，导致目前沸石类吸附制品未能在市场上广泛应用。
再有，在过滤带有粉尘的空气或过滤带有颗粒物的污水时，颗粒状的活性炭或沸石产品容易被堵塞，而蜂窝状的活性炭和沸石产品则不能对大颗粒进行过滤，需要另外增设前道过滤处理装置，增加了投资成本。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种复合型吸附材料结构，该种复合型吸附材料结构，不易堵塞，使用寿命长，应用范围广，适应性强。
本发明还提供了该复合型吸附材料结构的制造方法。
本发明复合型吸附材料结构可以采取如下技术方案:
一种复合型吸附材料结构，包括陶质骨架、沸石微粒、炭微粒和空穴；所述的陶质骨架为疏松结构；所述的沸石微粒、炭微粒和空穴分布于所述的陶质骨架之中；相邻的空穴之间相互连通，所述的空穴与外部连通；沸石微粒、炭微粒具有一部分表面外露于空穴中，外露于空穴中的沸石微粒其表面的微孔和外露于空穴中的炭微粒其表面的微孔可通过空穴与外部连通。
本发明解决问题还可以进一步采取以下改进措施：
进一步的改进措施为：所述的沸石微粒、炭微粒和空穴均匀分布于所述的陶质骨架之中。
进一步的改进措施为：所述的陶质骨架由黏土矿物高温烧结而成。
进一步的改进措施为：所述的复合型吸附材料是颗粒状、片状或块状。
本发明复合型吸附材料结构的制造方法可以采取如下技术方案:
步骤一：用黏土矿物、有机物微粒、沸石微粒和水充分混合，黏土矿物、有机物微粒、沸石微粒三者中，其干基质量比例是，黏土矿物占30-40％，有机物微粒30-40％，沸石微粒30-40％；制成含水率40-55％的混合料；
步骤二：混合料通过挤压成型设备制成块状的湿胚料；
步骤三：采用自然通风干燥方式将胚料中的部分水分蒸发，制成含水率20-30％的干胚料；
步骤四：将干胚料进行缺氧高温热解，热解温度在500-750℃之间，热解过程把胚料中剩余的水分蒸发，把有机物微粒的其中一部分热解气化，另一部分成为固定碳成为炭微粒，水分蒸发和有机物微粒气化后胚料内形成大量的微小空穴；
步骤五：对热解后的干胚料进行800-950℃的缺氧高温烧结，形成疏松结构的含有陶质、沸石、炭的烧结体；
步骤六：烧结体冷却后可得到复合型吸附材料成品。
进一步的改进措施为：所述的黏土矿物为可烧结的黏土，其烧结温度低于1000℃。
进一步的改进措施为：所述的有机物微粒可热解气化，其热解气化温度低于800℃。
进一步的改进措施为：所述的有机物微粒是固体微粒状、油脂、微生物、微生物残骸、淀粉或木质粉末。
本发明复合型吸附材料结构的制造方法还可以采取如下技术方案:
步骤一：将含黏土矿物、有机物和水分的调和泥和沸石微粒两者进行调配；调和泥和沸石微粒两者分别占总的质量比例为，调和泥的占比为75-82％，沸石微粒占比18-25％，将两者充分混合制成含水率40-55％的混合料；
步骤二：将混合料通过挤压成型设备制成颗粒状的湿胚料；
步骤三：采用烘干脱水方式将湿胚料中的部分水分蒸发，制成含水率20-30％的干胚料；
步骤四：将干胚料进行缺氧高温热解，热解温度在500-750℃之间，热解过程把胚料中剩余的水分蒸发，把调和泥中的有机物微粒的其中一部分热解气化，另一部分成为固定碳成为炭微粒，水分蒸发和有机物微粒气化后胚料内形成大量的微小空穴；
步骤五：对热解后的胚料进行800-950℃的缺氧高温烧结或有氧高温烧结，形成疏松结构的含有陶质、沸石、炭的烧结体；
步骤六：将烧结体冷却后可得到复合型吸附材料成品。
进一步的改进措施为：所述的调和泥中的黏土矿物干基占比40-60％，有机物的干基占比40-60％；
所述的调和泥其含水率为50-65％；
所述的调和泥中的有机物为固体微粒、油脂和微生物；
所述的陶质骨架由调和泥中的黏土矿物烧结而成；
所述的调和泥中的黏土矿物其烧结温度低于1000℃；
所述的有机物微粒其热解气化温度低于800℃。
上述技术方案具有这样的技术效果:
1、通过本发明制成的复合型吸附材料，包括陶质骨架、沸石微粒、炭微粒和空穴，陶质骨架其疏松结构具有良好的透气性和透水性，借助沸石和炭吸附脱附性能，适用于有机废气治理和污水净化，该产品主要成分由陶质和沸石物质组成，比传统活性炭有更高的脱附温度适应性，满足更多种类的有机物脱附，包括较大分子量的有机粘附物，吸附饱和后可通过脱附再生得以反复长期使用。
2、由于本发明中的陶质骨架由黏土矿物通过高温烧结后形成，具有比活性炭更高的刚性而不容易破损，具有安全性、经济性和更长的使用寿命，应用领域广泛，可适用于工业、农业、服务业等领域的废气治理、污水治理和土壤修复。
3、由于本发明中的复合型的结构还带来以下多重效果，沸石微粒和炭微粒的组合可适应更大范围种类的分子过滤，而疏松的陶质骨架对于大颗粒具有很好的过滤作用，减少了分子筛被堵塞的问题，陶质骨架除了起到刚性支撑外，在使用过程中还起到对废气和污水作初级过滤的效果。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行具体描述。
实施例1：如图1所示，一种复合型吸附材料，由陶质骨架1、沸石微粒2、炭微粒3和空穴4构成；所述的陶质骨架1为疏松结构；所述的沸石微粒2、炭微粒3和空穴4均匀分布于所述的陶质骨架1之中；所述的空穴4呈开放结构，相邻的空穴4之间相互连通，各空穴与外部连通；沸石微粒、炭微粒具有一部分表面外露于空穴中(即所述的陶质骨架1对于沸石微粒2和炭微粒3非完全密封包裹)，外露于空穴中的沸石微粒其表面的微孔和外露于空穴中的炭微粒其表面的微孔可通过对应的空穴与外部连通。
一种复合型吸附材料的制造方法：步骤一：混料，用黏土矿物、有机物微粒、沸石微粒和水充分混合，黏土矿物、有机物微粒、沸石微粒三者中，其各组分的干基占总质量比例是，黏土矿物占30-40％，有机物微粒30-40％，沸石微粒30-40％，制成含水率40-55％的混合料；步骤二：成型，将混合料通过挤压成型设备制成块状的湿胚料；步骤三：脱水，可采用自然通风干燥方式将胚料中的部分水分蒸发，制成含水率20-30％的干胚料；步骤四，热解气化，将干胚料进行缺氧高温热解，热解温度在500-750℃之间，热解过程把胚料中剩余的水分蒸发，把有机物微粒的其中一部分热解气化，另一部分成为固定碳成为炭微粒，水分蒸发和有机物微粒气化后胚料内形成大量的微小空穴；步骤五：烧结，对热解后的胚料进行800-950℃的缺氧高温烧结，形成疏松结构的含有陶质、沸石、炭的烧结体；步骤六：冷却，将炽热的含有陶质、沸石、炭的疏松结构的烧结体冷却后可得到复合型吸附材料成品，以上步骤一至步骤三各步骤独立进行，步骤四至步骤六采用生产线连续进行。
进一步的改进实施例为：所述的复合型吸附材料，可以是颗粒状、片状或块状。其余同上述实施例。
进一步的改进实施例为：所述的陶质骨架由黏土矿物烧结而成。其余同上述实施例。
进一步的改进实施例为：所述的黏土矿物为可烧结的黏土，其烧结温度低于1000℃。其余同上述实施例。
进一步的改进实施例为：所述的有机物微粒可热解气化，其热解气化温度低于800℃。其余同上述实施例。
进一步的改进实施例为：所述的有机物微粒可以是固体微粒状或油脂，也可以是微生物或微生物残骸，也可以是淀粉和木质粉末。其余同上述实施例。
进一步的改进实施例为：所述的陶质骨架、沸石微粒、炭微粒和空穴各占空间的比例相对接近，但可根据使用要求作适当的调整。其余同上述实施例。
工作原理
由于本发明成品内含大量的沸石(又称分子筛)微粒和炭微粒(其形态为炭黑)，而且整体结构呈疏松结构(类似海绵结构)，因此具有良好的吸附性能和通透性，可以让气体或液体在低阻力的状态下通过并接触到沸石微粒和炭微粒表面，可吸附流经空气的VOCs成分、和污水中的氨氮成分和重金属等有害物质，有效降低污水的BOD值，对流体进行有效的过滤和净化，由于本发明成品中的内部结构大部分为烧结后的黏土矿物和沸石成分，可以承受最高300℃或以上的高温而保持结构的完好，适用于对吸附饱和后的产品进行高温脱附，对于沸点和热解气化温度高的被吸附物具有更彻底的脱附效果，具有较高的阻燃安全性，而且本产品的黏土矿物通过高温烧结后形成的陶质骨架具有很高的刚性而不容易破损，可以长期反复使用，而疏松的陶质骨架对大颗粒物有很好的过滤效果，可代替现有的活性炭等吸附材料以及节省初级的过滤装置。
本发明所涉及的制造方法，把合适配比的黏土矿物、有机物微粒、沸石微粒和水混合均匀后，使沸石微粒和炭微粒均匀分布，通过脱水的方式把湿胚料脱水后制成有一定强度而且相互之间不会粘结的干胚料，以适应后续的操作步骤。缺氧热解把剩余的水分蒸发和有机物微粒气化所腾出的空间形成空穴，水分蒸发和热解气外逸过程会把空穴冲破，使所有空穴形成对外连通的通道，保证外部流介质体可以轻易渗透并通过，符合复合型吸附材料的基本结构特征。缺氧热解(干馏)可以把部分有机物以固定碳的形式留下，这些留下来的炭微粒呈多空结构，这些炭微粒与沸石一样都具有良好的吸附性能。再通过缺氧高温烧结，使胚料最终形成陶质结构以提升其结构强度和理化稳定性。最后冷却后得到制成品，制成品可以是颗粒状、片状或块状，以适用于不同装填方式的使用场合。
沸石微粒根据不同的应用场合其细度采用50-200目之间。
步骤五的高温烧结时间控制在5-10分钟，只形成初步烧结，使陶质结构保持一定的气孔，如烧结时间过长会造成结构组织致密影响其通透性。
陶质骨架、沸石微粒和空穴三者之间的所占空间的比例相对接近，但可以根据不同的使用场合作适当的调整，如果用于空气净化，为减少空气流动的阻力，空穴所占的空间比例可适当增加，这样在实施步骤一的混料工段时有机物的投放比例可相应提高。
实施例2，如图1所示，一种复合型吸附材料，由陶质骨架1、沸石微粒2、炭微粒3和空穴4构成；所述的陶质骨架1为疏松结构；所述的沸石微粒2、炭微粒3和空穴4均匀分布于所述的陶质骨架1之中；所述的空穴4呈开放结构，相邻的空穴4之间相互连通，各空穴与外部连通；沸石微粒、炭微粒具有一部分表面外露于空穴中(即所述的陶质骨架1对于沸石微粒2和炭微粒3非完全密封包裹)，外露于空穴中的沸石微粒其表面的微孔和外露于空穴中的炭微粒其表面的微孔可通过对应的空穴4与外部连通。
一种复合型吸附材料的制造方法：步骤一：混料，将含黏土矿物、有机物和水分的调和泥和沸石微粒两者进行调配，调和泥和沸石微粒两者分别占总的质量比例为，调和泥的占比为75-82％，沸石微粒占比18-25％，将两者充分混合制成含水率40-55％的混合料；步骤二：成型，将混合料通过挤压成型设备制成颗粒状的湿胚料；步骤三：脱水，采用烘干脱水方式将湿胚料中的部分水分蒸发，制成含水率20-30％的干胚料；步骤四，热解气化，将干胚料进行缺氧高温热解，热解温度在500-750℃之间，热解过程把胚料中剩余的水分蒸发，把调和泥中的有机物微粒的其中一部分热解气化，另一部分成为固定碳成为炭微粒，水分蒸发和有机物微粒气化后胚料内形成大量的微小空穴；步骤五：烧结，对热解后的胚料进行800-950℃的缺氧高温烧结，形成疏松结构的陶质/沸石/炭的烧结体；步骤六：冷却，将炽热的陶质/沸石/炭疏松结构的烧结体冷却后可得到复合型吸附材料成品，以上所有步骤采用生产线连续进行。
进一步的改进实施例为：所述的调和泥中的黏土矿物干基占比40-60％，有机物的干基占比40-60％；其余同上述实施例2。
进一步的改进实施例为：所述的调和泥其含水率为50-65％；其余同上述实施例。
进一步的改进实施例为：所述的调和泥中含有的有机物为固体微粒、油脂和微生物；其余同上述实施例。
进一步的改进实施例为：所述的陶质骨架由调和泥中的黏土矿物烧结而成；其余同上述实施例。
进一步的改进实施例为：所述的调和泥中的黏土矿物其烧结温度低于1000℃；其余同上述实施例。
进一步的改进实施例为：所述的有机物微粒其热解气化温度低于800℃；其余同上述实施例。
进一步的改进实施例为：所述的陶质骨架、沸石微粒和炭微粒三者所占空间的比例相对接近，空穴所占的空间比例稍大，其所占空间比例为30-40％。其余同上述实施例。
实施例2适用于黏土矿物中已经带有有机物并含微生物成分的情况，由于微生物发酵会产生异味，调和泥如果在有较好的通风和空气净化条件的场地单独预先调配处理和储存，将减少后续加工步骤的厂房空气净化成本。
实施例3，如图1所示，一种复合型吸附材料，由陶质骨架1、沸石微粒2、炭微粒3和空穴4构成；所述的陶质骨架1为疏松结构；所述的沸石微粒2、炭微粒3和空穴4均匀分布于所述的陶质骨架1之中；所述的空穴4呈开放结构，相邻的空穴4之间相互连通，各空穴与外部连通；沸石微粒、炭微粒具有一部分表面外露于空穴中(即所述的陶质骨架1对于沸石微粒2和炭微粒3完全密封包裹)，外露于空穴中的沸石微粒其表面的微孔和外露于空穴中的炭微粒其表面的微孔可通过对应的空穴4与外部连通。
一种复合型吸附材料的制造方法：步骤一：混料，将含黏土矿物、有机物和水分的调和泥和沸石微粒两者进行调配，调和泥和沸石微粒两者分别占总的质量比例为，调和泥的占比为75-82％，沸石微粒占比18-25％，将两者充分混合制成含水率40-55％的混合料；步骤二：成型，将混合料通过挤压成型设备制成颗粒状的湿胚料；步骤三：脱水，采用烘干脱水方式将湿胚料中的部分水分蒸发，制成含水率20-30％的干胚料；步骤四，热解气化，将干胚料进行缺氧高温热解，热解温度在500-750℃之间，热解过程把胚料中剩余的水分蒸发，把调和泥中的有机物微粒的其中一部分热解气化，另一部分成为固定碳成为炭微粒，水分蒸发和有机物微粒气化后胚料内形成大量的微小空穴；步骤五：烧结，对热解后的胚料进行800-950℃的有氧高温烧结，形成疏松结构的以陶质骨架和沸石微粒为主和微量炭微粒的陶质烧结体；步骤六：冷却，将炽热的烧结体冷却后可得到复合型吸附材料成品，以上所有步骤采用生产线连续进行。
进一步的改进实施例为：所述的调和泥中的黏土矿物干基占比40-60％，有机物的干基占比40-60％；其余同上述实施例2。
进一步的改进实施例为：所述的调和泥其含水率为50-65％；其余同上述实施例。
进一步的改进实施例为：所述的调和泥中含有的有机物为固体微粒、油脂和微生物；其余同上述实施例。
进一步的改进实施例为：所述的陶质骨架由调和泥中的黏土矿物烧结而成；其余同上述实施例。
进一步的改进实施例为：所述的调和泥中的黏土矿物其烧结温度低于1000℃；其余同上述实施例。
进一步的改进实施例为：所述的有机物微粒其热解气化温度低于800℃；其余同上述实施例。
进一步的改进实施例为：所述的复合型吸附材料其炭微粒含量极小，所占比例少于5％。其余同上述实施例。
实施例3在步骤五高温烧结时有空气助燃燃烧，使剩余的大部分有机物氧化成二氧化碳气体析出，本实施例的制成品由于固定碳存量极少，只剩下大部分耐高温的陶质体和沸石微粒，可适应600℃或更高的脱附温度，包括可以脱附(气化)较大分子量的有机粘附物，如油脂和油漆等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合型吸附材料结构，其特征是：包括陶质骨架、沸石微粒、炭微粒和空穴；所述的陶质骨架为疏松结构；所述的沸石微粒、炭微粒和空穴分布于所述的陶质骨架之中；相邻的空穴之间相互连通，所述的空穴与外部连通；沸石微粒、炭微粒具有一部分表面外露于相应空穴中，外露于空穴中的沸石微粒其表面的微孔和外露于空穴中的炭微粒其表面的微孔可通过对应的空穴与外部连通。
2.根据权利要求1所述的复合型吸附材料结构，其特征是：所述的沸石微粒、炭微粒和空穴均匀分布于所述的陶质骨架之中。
3.根据权利要求1所述的复合型吸附材料结构，其特征是：所述的陶质骨架由黏土矿物高温烧结而成。
4.根据权利要求3所述的复合型吸附材料结构的制造方法，其特征是：
步骤一：用黏土矿物、有机物微粒、沸石微粒和水充分混合，黏土矿物、有机物微粒、沸石微粒三者中，其干基质量比例是，黏土矿物占30-40％，有机物微粒30-40％，沸石微粒30-40％；制成含水率40-55％的混合料；
步骤二：混合料通过挤压成型设备制成块状的湿胚料；
步骤三：采用自然通风干燥方式将胚料中的部分水分蒸发，制成含水率20-30％的干胚料；
步骤四：将干胚料进行缺氧高温热解，热解温度在500-750℃之间，热解过程把胚料中剩余的水分蒸发，把有机物微粒的其中一部分热解气化，另一部分成为固定碳成为炭微粒，水分蒸发和有机物微粒气化后胚料内形成大量的微小空穴；
步骤五：对热解后的干胚料进行800-950℃的缺氧高温烧结，形成疏松结构的含有陶质、沸石、炭的烧结体；
步骤六：烧结体冷却后可得到复合型吸附材料成品。
5.根据权利要求4所述的复合型吸附材料结构，其特征是：所述的黏土矿物为可烧结的黏土，其烧结温度低于1000℃。
6.根据权利要求4所述的复合型吸附材料结构，其特征是：所述的有机物微粒可热解气化，其热解气化温度低于800℃。
7.根据权利要求4所述的复合型吸附材料结构，其特征是：所述的有机物微粒是固体微粒状、油脂、微生物、微生物残骸、淀粉或木质粉末。
8.根据权利要求1所述的复合型吸附材料结构，其特征是：所述的复合型吸附材料是颗粒状、片状或块状。
9.根据权利要求3所述的复合型吸附材料结构的制造方法，其特征是：
步骤一：将含黏土矿物、有机物和水分的调和泥和沸石微粒两者进行调配；调和泥和沸石微粒两者分别占总的质量比例为，调和泥的占比为75-82％，沸石微粒占比18-25％，将两者充分混合制成含水率40-55％的混合料；
步骤二：将混合料通过挤压成型设备制成颗粒状的湿胚料；
步骤三：采用烘干脱水方式将湿胚料中的部分水分蒸发，制成含水率20-30％的干胚料；
步骤四：将干胚料进行缺氧高温热解，热解温度在500-750℃之间，热解过程把胚料中剩余的水分蒸发，把调和泥中的有机物微粒的其中一部分热解气化，另一部分成为固定碳成为炭微粒，水分蒸发和有机物微粒气化后胚料内形成大量的微小空穴；
步骤五：对热解后的胚料进行800-950℃的缺氧高温烧结或有氧高温烧结，形成疏松结构的含有陶质、沸石、炭的烧结体；
步骤六：将烧结体冷却后可得到复合型吸附材料成品。
10.根据权利要求3所述的复合型吸附材料结构的制造方法，其特征是：所述的调和泥中的黏土矿物干基占比40-60％，有机物的干基占比40-60％；
所述的调和泥其含水率为50-65％；
所述的调和泥中的有机物为固体微粒、油脂和微生物；
所述的陶质骨架由调和泥中的黏土矿物烧结而成；
所述的调和泥中的黏土矿物其烧结温度低于1000℃；
所述的有机物微粒其热解气化温度低于800℃。
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