CN116004147A - 复合粘结剂、柱状活性炭及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合粘结剂、柱状活性炭及其制备方法。该复合粘结剂包括淀粉、氢氧化钠和水。本发明的复合粘结剂成分简单，价格低廉，并且易于制备，因此解决了现有技术中粘结剂组成成分复杂、生产成本高的问题。

Description

复合粘结剂、柱状活性炭及其制备方法

技术领域

本发明涉及活性炭制备领域，具体而言，涉及复合粘结剂、柱状活性炭及其制备方法。

背景技术

在煤基压块活性炭生产过程中，氧炭化工序中由于物料之间的碰撞与摩擦，会产生大量炭化粉。炭化粉无粘结性，难以实现回收利用制备活性炭。加上炭化粉的售价低、容易自燃、处理难度大等缺点，一直是活性炭生产企业急需解决的难题。然而，由于炭化粉是压块料经过氧化和炭化处理后的产物，挥发分低，具有一定孔隙结构，通过加入粘结剂压条成型，能够制备出吸附性能更强的柱状活性炭。

截至目前，暂无专利文献对煤基活性炭制备过程中炭化粉的成型制备柱状活性炭的工艺进行研究，只有关于型煤成型粘结剂的配方研究。在现有的型煤成型粘结剂相关研究中，添加的粘结剂种类在3～8种，并且多以热加工的方式制备粘结剂，不仅增大了生产成本与工艺技术的难度，还会对生产设备及环境治理造成一定影响。

发明内容

本发明的主要目的在于提供复合粘结剂、柱状活性炭及其制备方法，以解决现有技术中复合粘结剂的组成成分复杂、生产成本高，以及炭化粉无法有效回收利用的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种复合粘结剂，其包括淀粉、氢氧化钠和水。

进一步地，复合粘结剂中，淀粉、氢氧化钠和水的重量比为(3～4)：(0.2～0.3)：(10～20)。

进一步地，淀粉选自土豆淀粉、玉米淀粉、红薯淀粉中的一种或多种。

根据本发明的另一方面，提供了一种炭化粉成型制备柱状活性炭的方法，其包括以下步骤：

步骤S1：将炭化粉与煤直接液化残渣混合，然后磨粉，得到混合干料；

步骤S2：将混合干料与上述的复合粘结剂混合，得到混合湿料；

步骤S3：将混合湿料挤压成型，干燥，得到成型炭柱；

步骤S4：将成型炭柱进行活化处理，得到柱状活性炭。

进一步地，炭化粉的灰分不高于3％，挥发分不高于23％。

进一步地，炭化粉与煤直接液化残渣的重量比为(80～90)：(10～20)。

进一步地，步骤S1中，混合干料的325目通过率为90～98％；优选地，混合干料的325目通过率为95％。

进一步地，步骤S2中，混合过程包括：将混合干料和复合粘合剂进行捏合处理，捏合处理的时间为15～25分钟，捏合处理的温度为室温。

进一步地，步骤S3中，挤压成型的压力为0.2～10MPa。

进一步地，步骤S4中，活化处理的过程包括：

将成型炭柱升温至880～900℃，然后通入活化剂进行活化反应，得到柱状活性炭；优选活化反应的反应温度为900～920℃，反应时间为2～3h；优选升温过程中的升温速率不大于20℃/min；

优选地，活化剂为水蒸气；更优选地，活化反应在活化炉中进行，活化炉中水蒸气的流速为115～125滴/分钟，中轴转速为40～50rmp。

根据本发明的另一方面，提供了一种柱状活性炭，其由上述的方法制备得到。

应用本发明的技术方案，以淀粉、氢氧化钠和水作为制备柱状活性炭的复合粘结剂，其成分简单，价格低廉，并且易于制备，因此解决了现有技术中粘结剂组成成分复杂、生产成本高的问题。与此同时，水中的氢氧化钠提供了碱性环境，能够促使淀粉变性，使其成为具有粘性的糊状溶液，从而令本发明所提供的复合粘结剂具有优秀的粘结性能。炭化粉因其为压块料经过氧化和炭化的产物，具有孔隙结构，因此具备应用于吸附领域的前景，但炭化粉又因无粘结性，难以实现回收利用并制备活性炭。而正是基于本发明所提供的复合粘结剂的优异性能，将其应用到炭化粉中压条成型，即可制备得到的柱状活性炭，同时还能够使其具有优秀的滚筒强度，达到了更有效回收利用炭化粉的目的。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。

为了解决如前所述的现有技术中的问题，根据一方面，本发明提供了一种复合粘结剂，该复合粘结剂包括淀粉、氢氧化钠和水。以淀粉、氢氧化钠和水作为制备柱状活性炭的复合粘结剂，其成分简单，价格低廉，并且易于制备，因此解决了现有技术中粘结剂组成成分复杂、生产成本高的问题。与此同时，水中的氢氧化钠提供了碱性环境，能够促使淀粉变性，使其成为具有粘性的糊状溶液，从而令本发明所提供的复合粘结剂具有优秀的粘结性能。炭化粉因其为压块料经过氧化和炭化的产物，具有孔隙结构，因此具备应用于吸附领域的前景，但炭化粉又因无粘结性，难以实现回收利用并制备活性炭。而正是基于本发明所提供的复合粘结剂的优异性能，将其应用到炭化粉中压条成型，即可制备得到的柱状活性炭，同时还能够使其具有优秀的滚筒强度，达到了更有效回收利用炭化粉的目的。

为了进一步提高复合粘结剂的粘结性能，在一种优选的实施例中，在该复合粘结剂中，淀粉、氢氧化钠和水的重量比为(3～4)：(0.2.～0.3)：(10～20)。优选上述比例，能够更好地促进淀粉的糊化，使复合粘结剂在更宽的温度范围内即可以具有良好的粘性，进一步简化复合粘结剂的制备工艺、降低其生产成本。

淀粉的种类可以为本领域常规，但出于进一步降低生产成本、并提高复合粘结剂的粘结性能的目的，优选地，淀粉选自土豆淀粉、玉米淀粉、红薯淀粉中的一种或多种。

优选地，上述水为蒸馏水。

在实际的操作中，优选地，上述复合粘结剂可以由以下方法制备得到：步骤a、将第一部分水和淀粉进行混合，搅拌至无分层现象，得到淀粉溶液；步骤b、将第二部分水和氢氧化钠进行混合，搅拌至所述氢氧化钠溶解，得到氢氧化钠溶液；步骤c、将所述淀粉溶液和所述氢氧化钠溶液在室温下搅拌1～3分钟，得到所述复合粘结剂。

根据本发明的另一方面，还提供了一种炭化粉成型制备柱状活性炭的方法，该方法包括以下步骤：步骤S1：将炭化粉与煤直接液化残渣混合，然后磨粉，得到混合干料；步骤S2：将混合干料与上述复合粘结剂混合，得到混合湿料；步骤S3：将混合湿料挤压成型，干燥，得到成型炭柱；步骤S4：将成型炭柱进行活化处理，得到柱状活性炭。本方法采用以淀粉、氢氧化钠和水作为制备柱状活性炭的复合粘结剂，其成分简单，价格低廉，并且易于制备，因此解决了现有技术中粘结剂组成成分复杂、生产成本高的问题。与此同时，水中的氢氧化钠提供了碱性环境，能够促使淀粉变性，使其成为具有粘性的糊状溶液，从而令本发明所提供的复合粘结剂具有优秀的粘结性能。炭化粉因其为压块料经过氧化和炭化的产物，具有孔隙结构，因此具备应用于吸附领域的前景，但炭化粉又因无粘结性，难以实现回收利用并制备活性炭。将本发明所提供的复合粘结剂应用到炭化粉中，然后压条成型，制备得到的柱状活性炭，可以使其具有优秀的滚筒强度。而煤直接液化残渣是一种碳含量极高的物质，其中含有液化原料中未转化的煤有机质、转化中间产物、无机矿物质和外加的液化催化剂等。在与本发明中的炭化粉配合使用时，煤直接液化残渣中所含有的大量碳原子较多的正构烷烃类支链能够与炭化粉中的碳原子形成稳定的碳骨架，有利于发生聚合或交联反应，从而不仅能够增加产品的热态强度，还能够增加活性炭产品的微孔数量，提高其吸附性能。根据本发明生产的柱状活性炭，其碘值＞1100mg/g、四氯化碳吸附率＞60％，同时可保证强度＞92％、灰分＜13％。

为了进一步提升柱状活性炭的吸附性能，优选地，炭化粉的灰分不高于3％，挥发分不高于23％。灰分和挥发分含量较低的炭化粉更有利于制备得到具有高吸附性能的活性炭。

为了进一步提升柱状活性炭的综合性能，在一种优选的实施例中，炭化粉与煤直接液化残渣的重量比为(80～90)：(10～20)，例如85:15。优选上述重量比，有利于使煤直接液化残渣在活化反应的过程中进一步促进成型炭柱中微孔的发育，从而提高产品的碘吸附值和吸附率；与此同时，优选上述重量比也更有利于提升成型炭柱的冷态强度，使其更加适应工业化生产需求。

出于使活化反应的效率进一步提高、以及使后续步骤中混合干料与复合粘结剂混合更加充分，在一种优选的实施例中，上述步骤S1中，混合干料的325目通过率为90～98％；优选地，混合干料的325目通过率为95％。在实际的操作中，优选地，混合干料通过325目泰勒标准筛进行筛选。

为了使混合干料和复合粘结剂的混合更加均匀，在一种优选的实施例中，步骤S2中，混合过程包括：将混合干料和复合粘合剂进行捏合处理，捏合处理的时间为15～25分钟，捏合处理的温度为室温。优选地，上述捏合处理在捏合机中进行。

为了保证柱状活性炭同时具有较高的机械性能和吸附性能，在一种优选的实施例中，步骤S3中，挤压成型的压力为0.2～10MPa。在该压力下挤压成型，所制备得到的柱状活性炭可以兼顾良好的滚筒强度、堆比重以及吸附性能。

优选地，在步骤S3中，干燥的条件为室温、1～3天。

出于进一步提升柱状活性炭吸附性能的目的，在一种优选的实施例中，步骤S4中，活化处理的过程包括：将成型炭柱升温至880～900℃，然后通入活化剂进行活化反应，得到柱状活性炭；优选活化反应的反应温度为900～920℃，反应时间为2～3h；优选升温过程中的升温速率不大于20℃/min；优选地，活化剂为水蒸气；更优选地，活化反应在活化炉中进行，活化炉中水蒸气的流速为115～125滴/分钟，中轴转速为40～50rmp。

优选地，成型炭柱在进行活化处理前，先被切割成1～2cm的炭条；更优选地，在实际的操作中，切割方法可以为手工掰断。

根据本发明的又一方面，提供了一种柱状活性炭，该柱状活性炭由上述的方法制备得到。该柱状活性炭采用以淀粉、氢氧化钠和水作为制备柱状活性炭的复合粘结剂，其成分简单，价格低廉，并且易于制备，因此解决了现有技术中粘结剂组成成分复杂、生产成本高的问题。与此同时，水中的氢氧化钠提供了碱性环境，能够促使淀粉变性，使其成为具有粘性的糊状溶液，从而令本发明所提供的复合粘结剂具有优秀的粘结性能。炭化粉因其为压块料经过氧化和炭化的产物，具有孔隙结构，因此具备应用于吸附领域的前景，但炭化粉又因无粘结性，难以实现回收利用并制备活性炭。将本发明所提供的复合粘结剂应用到炭化粉中，然后压条成型，制备得到的柱状活性炭，可以使其具有优秀的滚筒强度。而煤直接液化残渣是一种碳含量极高的物质，其中含有液化原料中未转化的煤有机质、转化中间产物、无机矿物质和外加的液化催化剂。在与本发明中的炭化粉配合使用时，煤直接液化残渣中所含有的大量碳原子较多的正构烷烃类支链能够与炭化粉中的碳原子形成稳定的碳骨架，有利于发生聚合或交联反应，从而不仅能够增加产品的热态强度，还能够增加活性炭产品的微孔数量，提高其吸附性能。根据本发明生产的柱状活性炭，其碘值＞1100mg/g、四氯化碳吸附率＞60％，同时可保证强度＞92％、灰分＜13％。

以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。

实施例1：

1、采用生产活性炭的过程中所产生的炭化粉1000g，与煤直接液化残渣165g，混合后磨粉得到混合干料，磨粉细度达到325目通过率大于95％；其中，炭化粉的灰分为2.1％，挥发分为19％；

2、称取100g玉米淀粉，加入300g的蒸馏水，充分搅拌直至淀粉与水无分层现象，得到淀粉溶液；

3、称取8g氢氧化钠固体，加入250g蒸馏水，充分搅拌直至完全溶解，得到氢氧化钠溶液；

4、将步骤3得到的氢氧化钠溶液加入至步骤2得到的淀粉溶液中，室温下搅拌3分钟，得到复合型粘结剂；

5、将混合干料和复合型粘结剂加入至捏合机中充分搅拌混合，在室温下搅拌15分钟，得到混合湿料；

6、将混合湿料装入至压条机中，在10Mpa的压力下挤压成型，然后在室温下自然干燥3天，得到成型炭柱；

7、将成型炭柱掰成1cm左右的炭条，放入小型试验活化炉中，在温度920℃，蒸馏水120滴/分钟的实验条件下进行活化170min，得到柱状活性炭。

活性炭检测指标：滚筒强度92％，堆比重328g/L，碘吸附值1141mg/g，亚甲蓝吸附值250mg/g，四氯化碳吸附率69％。

实施例2：

与实施例1的区别在于，煤直接液化残渣的用量为116g，并添加50g煤沥青，活化150min。

活性炭检测指标：滚筒强度93％，堆比重328g/L，碘吸附值1129mg/g，亚甲蓝吸附值235mg/g，四氯化碳吸附率62％。

对比例1：

1、采用生产活性炭的过程中所产生的炭化粉1000g，与煤沥青165g，混合后磨粉得到混合干料，磨粉细度达到325目通过率大于90％；其中，炭化粉的灰分为2.1％，挥发分为19％；其中，煤沥青的灰分为0.32％，挥发分50.35％，粘结指数91。

2、称取100g玉米淀粉，加入300g的蒸馏水，充分搅拌直至淀粉与水无分层现象，得到淀粉溶液；

3、称取8g氢氧化钠固体，加入250g蒸馏水，充分搅拌直至完全溶解，得到氢氧化钠溶液；

4、将步骤3得到的氢氧化钠溶液加入至步骤2得到的淀粉溶液中，室温下搅拌1分钟，得到复合型粘结剂；

5、将混合干料和复合型粘结剂加入至捏合机中充分搅拌混合，在室温下搅拌25分钟，得到混合湿料；

6、将混合湿料装入至压条机中，在10Mpa的压力下挤压成型，然后在室温下自然干燥1天，得到成型炭柱；

7、将成型炭柱掰成1cm左右的炭条，放入小型试验活化炉中，在温度920℃，蒸馏水120滴/分钟的实验条件下进行活化120min，得到柱状活性炭。

活性炭检测指标：滚筒强度94％，堆比重365g/L，碘吸附值990mg/g，亚甲蓝吸附值140mg/g，四氯化碳吸附率47％。

对比例2：

与对比例1的区别在于，煤沥青的用量为50g。

活性炭检测指标：滚筒强度68％，堆比重305g/L，碘吸附值1291mg/g，亚甲蓝吸附值270mg/g。

对比例3：

与对比例2的区别在于，使用煤直接液化残渣代替煤沥青。

活性炭检测指标：滚筒强度83％，堆比重358g/L，碘吸附值786mg/g，亚甲蓝吸附值100mg/g，四氯化碳吸附率30％。

对比例4：

与对比例2的区别在于，使用另一种煤沥青，且用量为15％，其所用煤沥青的灰分为2.64％，挥发分为37.31％，粘结指数为98。

活性炭检测指标：滚筒强度97％，堆比重393g/L，碘吸附值1090mg/g，亚甲蓝吸附值217mg/g，四氯化碳吸附率62％。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明采用以淀粉、氢氧化钠和水作为制备柱状活性炭的复合粘结剂，其成分简单，价格低廉，并且易于制备，因此解决了现有技术中粘结剂组成成分复杂、生产成本高的问题。与此同时，水中的氢氧化钠提供了碱性环境，能够促使淀粉变性，使其成为具有粘性的糊状溶液，从而令本发明所提供的复合粘结剂具有优秀的粘结性能。炭化粉因其为压块料经过氧化和炭化的产物，具有孔隙结构，因此具备应用于吸附领域的前景，但炭化粉又因无粘结性，难以实现回收利用并制备活性炭。将本发明所提供的复合粘结剂应用到炭化粉中，然后压条成型，制备得到的柱状活性炭，可以使其具有优秀的滚筒强度。而煤直接液化残渣是一种碳含量极高的物质，其中含有液化原料中未转化的煤有机质、转化中间产物、无机矿物质和外加的液化催化剂。在与本发明中的炭化粉配合使用时，煤直接液化残渣中所含有的大量碳原子较多的正构烷烃类支链能够与炭化粉中的碳原子形成稳定的碳骨架，有利于发生聚合或交联反应，从而不仅能够增加产品的热态强度，还能够增加活性炭产品的微孔数量，提高其吸附性能。

相对地，对比例1和对比例2中不使用、或使用煤直接液化残渣的量不足，其生产得到的活性炭性能制备差于本发明。

根据本发明生产的柱状活性炭，其碘值＞1100mg/g、四氯化碳吸附率＞60％，同时可保证强度＞92％、灰分＜13％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种复合粘结剂，其特征在于，所述复合粘结剂包括淀粉、氢氧化钠和水。

2.根据权利要求1所述的复合粘结剂，其特征在于，所述复合粘结剂中，所述淀粉、所述氢氧化钠和所述水的重量比为(3～4)：(0.2～0.3)：(10～20)。

3.根据权利要求1或2所述的复合粘结剂，其特征在于，所述淀粉选自土豆淀粉、玉米淀粉、红薯淀粉中的一种或多种。

4.一种炭化粉成型制备柱状活性炭的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：将炭化粉与煤直接液化残渣混合，然后磨粉，得到混合干料；

步骤S2：将所述混合干料与权利要求1至3中任一项所述的复合粘结剂混合，得到混合湿料；

步骤S3：将所述混合湿料挤压成型，干燥，得到成型炭柱；

步骤S4：将所述成型炭柱进行活化处理，得到柱状活性炭。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述炭化粉的灰分不高于3％，挥发分不高于23％。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述炭化粉与所述煤直接液化残渣的重量比为(80～90)：(10～20)。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述混合干料的325目通过率为90～98％；优选地，所述混合干料的325目通过率为95％。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述混合过程包括：将所述混合干料和所述复合粘合剂进行捏合处理，所述捏合处理的时间为15～25分钟，所述捏合处理的温度为室温。

9.根据权利要求4至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述挤压成型的压力为0.2～10MPa。

10.根据权利要求4至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述活化处理的过程包括：

将所述成型炭柱升温至880～900℃，然后通入活化剂进行活化反应，得到所述柱状活性炭；优选所述活化反应的反应温度为900～920℃，反应时间为2～3h；优选所述升温过程中的升温速率不大于20℃/min；

优选地，所述活化剂为水蒸气；更优选地，所述活化反应在活化炉中进行，所述活化炉中水蒸气的流速为115～125滴/分钟，中轴转速为40～50rmp。

11.一种柱状活性炭，其特征在于，所述柱状活性炭由权利要求4至10中任一项所述的方法制备得到。