CN1285502C - 生产自支持活化炭结构体的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了生产自支持活化炭结构体的方法。该方法包括以下步骤：混合粒状活化炭，粘结剂材料，碳化试剂和液体，生产半塑性的混合物；使用约100磅/平方英寸或大于约100磅/平方英寸的压实压力来压实该混合物以形成三维结构体；和将该结构体加热到约300℃或大于约300的高温，生产自支持活化炭结构体。该粒状活化炭具有在大约4和325目美国筛序之间的任何粒度，和该粘结剂是研磨的谷物粒，谷物粒粉或块茎粉。所获得的结构体然后在基本上惰性气氛中被冷却到接近环境温度。此类结构体能够显示良好的机械强度，几乎与用于它们的制备中的活化炭的吸附容量相同的吸附容量，和相当大的导电性。此类结构体也显示化学惰性，在非氧化性环境中很高的温度容限(＞1000℃)，和在典型地与活化炭有关的温和氧化性环境中的高温容限。

Description

生产自支持活化炭结构体的方法
本发明的领域
本发明涉及生产自支持活化炭结构体的方法和，更具体地说，涉及使用便宜的、容易获取的起始原料如粒状碳生产自支持活化炭结构体的方法。
本发明的背景
自支持活化炭结构体具有高度的用途。例如，自支持活化炭结构体已经用作过滤剂，催化剂载体，吸附剂，和电极。在一些应用中，活化炭结构体的导电性是再生或电化学目的所需要的。活化炭结构体的形状或形式经过选择以符合预定的用途要求。这些形状或形式包括圆柱形，矩形或正方形块，蜂窝，板，薄片，和各种其它三维形式。
生产活化炭结构体的已知方法一般被分类为三个组：将有机材料成形和活化；用活化炭涂敷底物；或将活化炭颗粒与粘结剂混合以形成所需形状的结构体。
在第一组中，通过将所选择的有机材料成形为一种结构体，在此之后该成形的结构体被碳化和活化，来形成自支持活化炭结构体。一般，这些有机材料是当碳化时能够产生大量的碳质焦炭的固体物或半固体物。此类材料倾向于是合成的，如热固性树脂，和因此是相对昂贵的，当与用于生产商品微粒状和粉碎的活化炭的天然原料相比时。有限量的活化炭颗粒可以在成形之前被添加到有机材料以改进所形成的结构体的吸附性能(即“活性”)。各种其它填料也能够在成形之前被添加到有机材料中以便为所形成的结构体提供附加强度或孔隙度。
结构体的成形能够通过例如压制，模塑，或挤出来进行。该碳化和活化能够通过现有技术中已知的方法来实施。可以预期的是，此类结构体的碳化和活化必须以较缓慢的速率(即低温或温度的缓慢变化)下进行以防止所形成结构体的裂化和确保在整个结构体中形成均匀的活度(即，吸附孔隙容积或吸附容量)。缓慢的过程速率，由于该结构体的缓慢加热或缓慢活化，内在地是花费更高的，因为需要较长的炉停留时间。较长的炉停留时间内在地导致较高的产品成本。甚至使用缓慢的速率，可以预见的是非常难以产生在整个碳结构体中有均匀的活度(即，吸附孔隙容积或吸附容量)的结构体，因为贯穿整个结构体的所必需的均匀的传热和传质极其难以在足以提供其它非常缓慢的活化速率的温度下建立和/或维持。同时，所形成的活化炭的性能限于从起始有机材料产生的那些和限于由活化炭颗粒或其它填料的添加所赋予的改进程度。由这一方法生产活化炭结构体的经济性是非常不利的，即使这些结构体的导电性将是潜在的高。
在第二组中，活化炭结构体是从非碳材料底物形成，它随后用活化炭涂敷。典型地，活化炭涂层施涂于整个结构体上，其中包括界定较大孔隙和空隙体积的结构体内表面。几种类型的途径已经用于获得所需的活化炭涂层。
在一种途径中，粘结剂/活化炭混合物能够涂敷到支持结构体的表面上。有用的粘结剂是同时很好地粘附于支持材料和活化炭上的那些。例如，热塑性树脂和热熔粘合剂能够用于将活化炭涂层固定于支持材料上。然而，应该小心地选择粘结剂，以使粘结剂不填充活化炭吸附孔隙空间或防止进入它。另外地，在另一个途径中，当热解时能够产生大量的含碳的焦炭的有机材料能够涂敷到结构体的表面上。在这一涂敷之后，该有机材料被碳化和活化。一般希望使用这一途径在结构体的表面上形成均匀、连续的碳层。该碳层已经发现可以提供良好的导电性和结构完整性。在另一个途径中，前一途径的有机材料与典型具有非常小粒度的活化或未活化的碳颗粒相掺混。表面涂层然后碳化和活化。对于全部三个途径，涂层一般被施涂于能够耐受所选择的工艺条件的支持结构体上和涂敷材料上，而没有显著的降解。典型地，该支持结构体是陶瓷。
虽然这些途径可形成具有良好活性和用途的均匀的碳涂层，但是该结构体的质量和体积基吸附容量是有限的。也就是说，活化炭是仅仅作为表面涂层而存在和对于底下的支持材料不要求吸附容量。因此，该结构体的质量和体积基吸附容量都受到支持材料的限制，为结构体增加了相当大的体积和质量，但在结构体活性上却没有相应的提高。而且，热固性树脂，或该树脂的前体，是有利的有机涂敷材料。此类树脂可具有与它们的使用相关的毒理和/或经济问题，这些使得它们的应用变得困难和/或昂贵。另外，从这些材料形成的活化炭的性能范围是有限的，因为此类性能主要与起始原料有关。同时，这些材料的必需的活化典型地在非常温和的条件下最好地进行以确保在整个结构体中的均匀活化。也就是说，需要温和的活化条件来防止在结构体的外表面上高度活化炭的形成，而在结构体的内部的碳则仅仅边缘性地，即使有的话，活化。此类温和条件的使用增加了活化炉停留时间，降低了生产率和导致显著提高的生产成本。
此外，用于制备第二组的活化炭涂敷的结构体的支持材料一般不是导电性的。因此，与这些结构体有关的任何导电性取决于碳涂层的导电性。显然，如果需要高导电性，则必须注意该涂层在整个它的表面覆盖度上提供连续的碳接触。
在第三组中，活化炭结构体是通过粘结剂的使用将活化炭颗粒粘结成所需的形状来产生的。这一组的方法提供了与前面两组中所教导的方法相比的固有优点，其中包括显著改进的生产经济性，更大范围的可使用的和能实现的活化炭活性，更大容积的结构性吸附容量，更大结构体质量基吸附容量和，有时，改进的结构体导电性。
一般，这一方法采用粉状活化炭，但是纤维状活化炭也已经使用。偶尔，非常小目数(即，低于约80目U.S.筛序粒度)碳被形成为结构体。有很少的情况即较大筛目尺寸的活化炭也形成为活化炭结构体。该碳颗粒通过使用许多不同类型的粘结剂中的一种或多种来形成硬质结构体。所使用的实际粘结方法取决于所选择的粘结剂的性质。
例如，热塑性粘结剂能够加热或溶剂软化而变成粘合剂。以这一方式，相邻的碳颗粒被这些热塑性粘合剂所粘结，使得在形成和溶剂除去或冷却之后维持所需的结构。对于粘结剂如粘土或陶瓷前体的情况，水典型地被用作溶剂以使塑料与活化炭相结合。在形成和干燥之后，该碳颗粒保留在粘结剂的基质中。对于两种类型的粘结剂，该结构体通过使用诸如挤出，模塑，压制等之类的技术来形成。不常见的是在形成之前将各种试剂添加到活化炭-粘合剂混合物中以提高混合物的塑性，这有助于所需结构体的形成。
热固性树脂也用作粘结剂。这些粘结剂已经与活化炭颗粒混合，形成所需的结构体，和固化树脂。有时其它粘结剂与该热固性树脂联用。
已经用于形成活化炭结构体的其它粘结剂包括环氧树脂，聚乙烯醇，淀粉，化学改性纤维素，单糖，二糖，多糖，各种氟聚合物，等等，单独地或与其它粘结剂相结合。常常，这些和其它粘结剂与具有溶剂化性能的液体相结合使用，以便形成能够容易加工成所需结构的塑性或半塑性、可模塑的物料。尽管已经使用了各种的粘结剂，但是目前还不知道使用研磨的谷粒，谷粒粉或块茎粉。在形成后，该液体从结构体中除去，在此时结构体变硬。
为了有效地使用这些粘结剂，必须注意所粘结的活化炭的吸附容量(即，碳“活性”)没有被粘结剂显著地减少。由于活化炭颗粒的过多粘结剂涂层而引起减少。这一过多粘结剂涂层能够有效地密封活化炭颗粒的表面，因此由于输送限制而使吸附不能发生。粘结剂被活化炭的吸附也会导致减低的活性。例如，对于溶剂软化的粘结剂，过量溶剂的使用可溶解一些粘结剂。溶剂化的粘结剂被活化炭吸收，降低它的吸附容量。该容量降低预计是一个特殊问题，当高吸附容量活化炭被粘结时。
同样重要的是，粘结剂没有大大地增加活化炭结构的质量或体积。典型地，在结构体中粘结剂的比例越大，结构体的机械强度越大。不幸地，可归属于该粘结剂的结构体体积和质量的比例将随着增加粘结剂用量而提高。该提高通过有效地稀释活化炭的贡献而显著地降低结构体的表观质量或体积基吸附容量。过度粘结剂使用也会显著地减少活化炭结构的内空隙体积。这进而导致结构体显示了对流动的高阻力或差的吸附动力学。
典型地，这些类型的活化炭结构的适用性受到粘结剂的性能限制。例如，采用溶剂软化的粘结剂的活化炭结构不能在再软化或溶解该粘结剂的溶剂存在下使用。同样地，采用热塑性粘结剂的结构体不能在粘结剂的软化点或高于该软化点的温度下使用。固化的热固性树脂在某些方面会减轻这类问题。不幸地，这些类型的树脂是固有地高成本的，具有与它们有关的毒理问题，或处于难以使用或会导致粘结剂的吸附和后续的活化炭活性损失的物理形式。另外，使用这些类型的粘结剂所生产的结构体的导电性预计是非常低的，归因于在该结构体中的碳颗粒之间的有限接触和归因于所选择的粘结剂的绝缘性质。
这些类型的限制为大家所熟知和各种技术已经公开，试图拓宽通过使用此类粘结剂所生产的活化炭结构的适用性。例如，在一些教导中，所形成的活化炭结构接受高温以进一步硬化或固化该粘结剂或部分地或完全地碳化或锻烧该粘结剂。可碳化的粘结剂的诸如碳化和尤其煅烧之类的处理预计基本上提高所处理的活化炭结构体的导电性。
此类热处理能够使得所形成的活化炭结构更加耐各种溶剂和/或高温的影响。然而，典型地，热处理如碳化或煅烧会部分地挥发该粘结剂而导致降低机械强度。如果在为了获得较大的导电性所需要的高温下进行煅烧，则这是特别真实的。强度的这一损失能够通过在结构体中使用的粘结剂的量的增加来补偿。但是，附加量的粘结剂的使用会相应地提高与所选择的粘结剂的使用有关的成本，并使所形成的结构体变得十分昂贵。此外，附加量的粘结剂的使用也会降低所形成的结构体的质量和体积活性。同时，一些粘结剂，如一些热固性树脂，典型地没有形成多孔焦炭。因此，这些类型的粘结剂的增加使用，甚至当碳化或锻烧时，会严重地限制在活化炭结构内的传输。
似乎表明，如果活化炭颗粒的无粘合剂方式粘结的合适方法能够确定，则典型地与用于形成活化炭结构的粘结剂的使用有关的困难能够避免。由于活化炭的化学性质，这一无粘合剂方式的粘结预计是非常困难的，如果不是不可能的话。然而，一些教导在文献中有报道，它们描述了通过专门的烧结技术的使用从活化炭颗粒形成结构体。此类教导的用处不是确定的，但是可以合理地预计此类技术的能量需要是相当大的，使得它的实践在经济上不允许。
对于本说明书，某些术语具有对于碳基材料的热加工而言的下列意义。“碳化”是指含碳有机材料转化成较高碳含量材料，通常称为焦炭。碳化常常通过有机材料暴露于高温，典型地在相对惰性或温和氧化性气氛中来进行。这一暴露用于除去在有机材料中所含的高比例的杂原子如氧，氢，氮，和硫。此类杂原子典型地作为挥发性气体被除去，这些气体通常由诸如水，一氧化碳，二氧化碳，氮氧化物，和挥发性含硫化合物之类的化合物组成。非挥发性的碳物质形成焦炭的化学凝结过程将与这一挥发性材料的除去同时发生。碳化温度典型地是大于100℃和低于500℃。虽然，典型地，碳化在大约500到600℃的温度下基本上完成，但是，如果焦炭温度提高到更高的值，则附加量的挥发性材料会从焦炭中散发出来。
“煅烧”是指材料暴露于高温。这些高温通常被假定为大于约600或700℃但能够低一些。对于可氧化材料，如碳，煅烧通常在惰性气氛下实施。材料的碳化必须在煅烧之前或与煅烧同时地发生。例如，考虑被放置于在800℃下操作的炉中的未碳化有机材料。随着该材料加热到800℃，它就碳化。在达到800℃的温度后，在该温度下煅烧。在其中碳化和煅烧作为基本上一个工艺步骤来实施和材料的碳化是该工艺步骤所固有的此类情形中，该术语煅烧能够被用于该总体操作(collective operation)。该术语热解也能够适用于这一类型的总体操作。在碳化的材料初始煅烧过程中，有限量的挥发性物质会作为气体散发出来以及会发生非挥发性的碳物质的增加的化学凝结。此类发生会随着煅烧温度提高而继续进行，并被认为是基本上不可逆的和完全的。也就是说，预先在该温度下煅烧过的碳的在给定温度下的后续煅烧不会导致挥发性物质的任何显著的附加排放或化学凝结。应该指出，给定的物质能够不仅一次碳化，而且能够根据需要被煅烧多次。
“活化”意指在典型地大于约700℃的温度下碳暴露于氧化性气体如水蒸汽或二氧化碳，以便有选择地使碳的一部分气化。对于微粒状和许多其它类型的活化炭，这一选择性的气化典型地同时在各碳微粒的表面上和其内部发生。此类选择性的气化会导致吸附孔隙容积的增大。这一吸附孔隙容积，和它的相关大小，常常称为“活性”。显著量的此类“活性”的发生是活化炭的明确特性。
从前面能够推测，还没有公开完全令人满意的生产自支持活化炭结构体(尤其从粒状活性炭)的方法。因此，本发明的目标是提供生产自支持活化炭结构体的改进方法，通过相对便宜的、容易获取的起始原料的使用和短的生产时间而提供成本和性能上的优势。本发明的目标是将便宜的粒状活性炭与具有较低毒性的新型、无毒的粘结剂和碳化试剂联用。本发明的再一个目标是，碳化试剂强调了所选择的粘结剂的使用。还有本发明的一个目标是提供一种方法，它不需要活化工艺步骤，因此减少了为一些现有技术所遇到的费用负担。
另外，本发明的目标是提供活化炭结构体，它具有均匀碳活性，和粘结活化炭微粒的填充密度，后者接近或等于未粘结的粒状活性炭的填充密度。本发明的再一个目标是提供自支持活化炭结构体，它能够经受住在非氧化性环境中暴露于高于300℃的温度，和它具有与活化炭有关的化学惰性和具有导电性，该导电性接近或超过在其制备中所使用的粒状活性炭的填充床的导电性。其它目标和优点将从本发明的叙述变得更加清楚。
本发明概述
一般，本发明包括通过使用粒状活性炭生产自支持活化炭结构体(也在这里称作“SSACS”)的方法。该方法包括(a)混合粒状活性炭，粘结剂材料，碳化试剂，和液体以生产半塑性混合物；(b)通过使用大约或大于约100磅/平方英寸的压实压力来压实该混合物而形成三维结构体；和(c)在基本上惰性的气氛中加热该结构体到大于或大约300℃的高温，生产SSACS。任选地，该结构体在压实之后和在高温下加热之前被干燥。在加热之后，优选的是在基本上惰性气氛中将SSACS冷却到低于约300℃。
在第一步骤中，该粒状活性炭优选具有穿过大约4网目筛并保留在大约325网目筛上的粒度，根据U.S.筛序(Sieve Series)，ASTM规格(Specification)E-11-61。此类测量也通常表示为4×325筛目。可以预期，微粒状未活化的碳，焦炭，和石墨也能够用于本发明的实施中。本发明的教导也预计有选择地适用于纤维，造粒的和粉碎的碳，焦炭，和石墨。
该粘结剂材料包括研磨的谷物颗粒，谷物颗粒粉或块茎面粉；或它们的混合物。另外地，多糖，如壳多糖，各种树胶，或化学改性纤维素能够有潜力用作粘结剂。优选地，该粘结剂包括谷物颗粒粉或块茎粉。更优选，该粘结剂是小麦粉或马铃薯粉。粘结剂与活化炭的质量基比率是大于1份粘结剂，相对于5份炭。在优选的实施方案中，相对于5份活化炭使用3-4份粘结剂的比率。该碳化试剂包括提高从进行碳化的含碳材料获得的碳的产率(量)的任何试剂，不包括氯化锌。优选的碳化试剂是显示低毒性的那些并包括氯化铵和磷酸氢二胺。两种或多种碳化试剂的混合物都可以使用。
有效量的液体用于同时润湿碳和粘结剂材料。优选，该液体还软化该粘结剂。在优选的实施方案中，该液体也能够溶剂化该碳化试剂。更优选地，碳化试剂在与活化炭和粘结剂混合之前溶于这一液体。合适的液体不应该与碳，粘结剂或碳化试剂反应，和应该有一定的挥发性使得它能够从湿法形成的活化炭结构体中蒸发但不会发生分解。水是优选的液体。
在第二步骤中，混合物通过使用大于或约100磅/平方英寸的压力来压实，以形成具有所需的三维结构体的构型。在另一个实施方案中，该结构体在压实之后干燥。在第三步骤中，结构体在基本上惰性气氛中被加热至高温以生产SSACS。高温是大于或约300℃。优选，该高温是大于约500℃；最优选，该温度是大于约900℃。在任选的第四个步骤中，该结构体在基本上惰性气氛中被冷却到低于约300℃。
所形成的自支持活化炭结构体能够以基本上任何三维形状生产。这些结构体能够是热和化学上稳定的和均匀的；和显示良好机械强度，较大的导电性，几乎等于在它们的制备中使用的活化炭的吸附容量的吸附容量，和接近或等于未粘结的粒状活化炭(它们从该活化炭构成)的填充密度的粘结活化炭填充密度。例如，在这些结构体中的活化炭能够保留它的最初的未粘结的吸附容量的多达90％或更高的吸附容量。如果在制备过程中被加热到足够高的温度，则此类结构体也能够显示出比在自支持活化炭结构体的制备中所使用的未粘结的粒状活化炭的填充床所显示出的导电性更优异的导电性。此类结构体也显示化学惰性，在非氧化性环境中很高的温度容限(＞1000℃)，和在典型地与活化炭有关的温和氧化性环境中的高温容限。
因为本发明的使用所生产的SSACS能够具有任何形式，包括但不限于圆柱形，正方形或矩形方块，蜂窝，板，薄片和各种其它三维形式。对这些各种形式的潜在限制包括最小结构厚度，它应该等于或超过在SSACS的制备中使用的粒状活性炭颗粒的最高直径。SSACS能够证明可用于各种应用中，如用于从气体，蒸气或液体中除去污染物或其它物质的吸附剂和/或过滤剂。这些自支持活化炭结构体在制备之后使得它们显示出相当大的导电性。因此，这些结构体能够用作电阻加热器，用作电再生性吸收剂，或用作在电化学处理和/或应用中使用的电极。此类电化学处理和/或应用能够包括，但不限于，电池，电容器，电化学金属回收/除去，电子电离作用，和电合成。
本发明的其它特征，方面和优点将从本发明的下面详细说明和所附权利要求的细读而变得更好理解或更清楚。
本发明的详细说明
在本发明的一个实施方案中，SSACS的生产方法包括(a)混合粒状活化炭，粘结剂材料，碳化试剂，和液体，生产具有基本上均匀的稠度的半塑性混合物；(b)通过使用约或大于约100磅/平方英寸的压实压力来压实该混合物，以形成三维结构体；和(c)在基本上惰性气氛中加热该结构体到大于或约300℃的高温以生产SSACS。任选地，该结构体在压实之后和在暴露于高温之前被干燥。任选，该加热步骤之后还有冷却步骤(d)，其中自支持活化炭结构体在基本上惰性气氛中被冷却到低于约300℃。
在本发明的实施方案的第一个步骤中，粒状活化炭和粘结剂材料以一定的量掺混，使得物料掺混物含有大于约1份粘结剂/每五份活化炭。优选，对于每3-4份的粘结剂使用5份炭。液体的添加量足以同时润湿该碳和粘结剂和，优选，还软化该粘结剂。碳化试剂然后被添加到混合物中。更优选地，碳化试剂在将液体加入到碳和粘结剂中之前已经溶于该液体中。液体，碳化试剂，碳和粘结剂进行混合，直到获得了具有均匀稠度的最低限度地半塑性的物料为止。
在第二步骤中，该半塑性物料通过使用已知的模塑、挤出或其它成形技术被压实，生产所需的结构构型。优选，在压实之后，湿法形成的材料进行干燥。在第三步骤中，所形成的材料被加热，优选在惰性气氛中，到大于或等于大约300℃的温度。所形成的活化炭自支持结构体随后在基本上惰性气氛中被冷却至低于约300℃。
有用的粒状活化炭是通常可商购的粒状活化炭并可以从任何合适的起始原料例如煤炭，木材，椰子壳，其它坚硬果壳，水果核或橄榄核形成。该粒状活化炭优选具有在约4目和约325目之间的粒度。一般，大于3目的颗粒尺寸是无法使用的。平均低于大约325目的颗粒尺寸一般被分类为粉状的碳。
在本发明的优选实施方案中，该粒状活化炭具有低于10目和大于325目的平均粒度。例如，具有标称筛目尺寸，如10×20，12×20，12×40，40×80，80×325，或10×325目的活化炭全部能够使用。具有4×40目的颗粒尺寸的活化炭是优选的，如果平均粒度低于约10目。具有大于10目(即4-10目)的平均粒度的活化炭都能够使用，虽然如果这些更大目数的碳与较小目数(即10-325目)粒状活化炭联用使用则可以改进所形成SSACS的机械性能和外观。对于所形成的SSACS的机械强度和外观，更小平均筛目尺寸是优选的。
一些粉状的活化炭可以由本发明使用，但会遇到一些困难。例如，所形成的SSACS在干燥或加热至高温时发生开裂。如果所形成的SSACS的尺寸(dimensions)中的一个或多个是最小化，则这一开裂能够在有些情况下得到避免。因此，薄片，粒料，丸等有时候通过使用这一方法从粉状的碳制备。也可以预计，纤维和/或粒状的活化炭也可使用。然而，典型与此类形式的活化炭有关的高成本很可能阻止它们的使用，为了有利于该粒状活化炭。也可以预计，微粒状未活化的碳，焦炭，和石墨可用于通过本发明的方法生产SSACS。
在本发明中可使用的粒状活化炭能够显示出任何的可利用的吸附容量(即“活性”)。具有极高或极低活性的粒状活化炭能够用于由该方法生产自支持结构体。本发明的方法应使得活化炭的活性显著地得到保留，甚至在引入到SSACS中之后。此外，一旦形成和热处理，可以预期该活化炭结构体能够通过使用在相关技术领域中众所周知的程序和条件来进一步活化。然而，为了恢复或提高所引入的活化炭的吸附容量而进行的进一步活化是不需要或甚至不想望的，因为典型地是费用大的和费时的。该进一步活化也会降低粘结剂派生焦炭的物理完整性，因此削弱SSACS。因此，在本发明中优选使用粒状活化炭，它显示出足够的活性，以使得所形成的SSACS显示所想望的吸附容量，但依赖于进一步活化。
这些粒状活化炭能够显示任何可利用的密度。对于适合用于本发明中的粒状活化炭的密度，没有优先的范围或限制。然而应该指出，较低密度碳典型地显示了降低水平的机械强度和导电性。在粒状活化炭中的这些降低水平会导致所形成的SSACS的相关性能的降低。
粘结剂材料包括研磨的谷粒，谷粒粉和块茎粉。优选该材料是粉碎的，通常称为“粉”和已知是相对便宜的。在本发明的一个实施方案中，粉被发现生产出自支持活化炭结构体，它优于用具有更大粒度的研磨粘结剂所产生的那些。谷粒包括，但不限于，小麦，玉米，黑麦，燕麦，米，和大麦。块茎粉包括马铃薯粉。优选，该粘结剂是小麦粉或马铃薯粉。几种这些材料在碳化过程中显示出有限的溶胀或发泡的倾向。这一溶胀或发泡能够通过合适量的碳化试剂的使用来抑制或消除。由于这些类型的材料通常用作食品，它们作为粘结剂的使用不应该出现任何重要的毒理问题。
尽管可以使用各种其它类型的粘结剂，但预计它们不象这里所公开的粘结剂材料那样有益，因为它们会导致更高的成本，出现毒理问题和/或缺乏被所选择的液体润湿的能力。这些其它类型的粘结剂能够包括一般被分类为多糖或化学改性多糖的那些材料。例子包括，但不限于，壳多糖，各种树胶，甲基纤维素，或羧甲基纤维素。任何粘结剂应该能够被所选择的液体润湿而形成混合物并在为碳和粘结剂的湿润所选择的液体中显示出有限的溶解度。有限的溶解度是有益的，因为该粘结剂定域地停留在粒状活化炭的表面上。因此，粘结剂穿透进入碳粒中基本上阻止和活化炭吸附位点的封闭或填充得到抑制。另外，当在所选择的碳化试剂存在下暴露于高温时，可使用的粘结剂应该很少或没有显示溶胀。已经发现，通常指淀粉的多糖是是本发明的实施的不合适粘结剂，因为过度溶胀趋势。
用于本发明的优选实施方案中的液体能够同时润湿该碳，并且润湿和软化该粘结剂。这一“润湿液体”不与该碳，粘结剂或碳化试剂反应并且多少有些挥发性，使得它能够从湿法形成的活化炭结构体中蒸发但不发生任何类型的分解。理想的是，润湿液体能够以一定的量使所选择的碳化试剂溶剂化，使得润湿液体能够用作媒介物，使碳化试剂均匀分布在活化炭-粘结剂混合物中。该润湿液体-碳化试剂溶液可以称作“润湿溶液”。此外希望该润湿液体是便宜的和具有很少或没有毒理问题或与它的使用有关的其它安全问题。优选，该润湿液体是水。
该碳化试剂包括提高从进行碳化的含碳材料获得的碳的产率的任何试剂，不包括氯化锌。优选地，本发明使用显示出低毒性的碳化试剂如氯化铵和磷酸氢二胺。在本发明的实施中此类碳化试剂的新型用途使得从给定量的粘结剂获得的SSACS的焦炭产率和强度有增加，但焦炭体积没有任何相应的明显提高。因此，在SSACS中焦炭粘结剂的量和效率会提高，但没有由现有技术中已知的其它方法所遇到的粘结剂体积的必不可少的增加。另外，该提高还提供高活化炭密度。另外，从碳化试剂对粘结剂材料的作用所形成的多孔粘结剂焦炭保护了进入SSACS的活化炭的吸附位点的通路。这一结果与现有技术相反，在现有技术中增加的SSACS粘结剂含量会严重地抑制被吸收物输送进入该活化炭。
一般，碳化试剂用于提高从用于活化炭的制备中的进行碳化的含碳物质获得的碳的产率。还有一些证据表明，由碳化试剂的使用所生产的焦炭的性能不同于不使用这些试剂所获得的那些。通常，碳化试剂被施加于高度氧化的含碳材料如低级煤，纤维素，糖，和多糖材料以改进焦炭化产率。特定的方法，利用这些它们该碳化试剂用于提高碳化产率，不是确定的。此类试剂能够增强化学脱水或降低含碳材料(它们施加于该材料上)的碳化温度。同时，一些试剂能够显著地促进在碳化过程中的分子交联而引入该试剂的阴离子部分和甚至导致形成具有改进强度的焦炭。此类交联碳化试剂包括例如磷酸，磷酸的铵盐，和硼酸。非交联的试剂包括无水氯化氢，无水溴化氢，无水碘化氢，氯化铵，溴化铵，碘化铵，硫酸，三氧化硫，和硫酸铵。这些碳化试剂能单独或联合使用。
可以预期，任何非气态碳化试剂，但氯化锌除外，可用于本发明的实施中。然而，许多这些碳化试剂是严重腐蚀性的或另外具有与它们的使用有关的突出的安全或毒理问题。同时，一些试剂会将残渣引入到所形成的碳中，这影响了它在一些应用中的使用。本发明的目标是提供一种方法，它具有与其有关的最小的毒理问题。因此，用于本发明中的优选的碳化试剂是磷酸的铵盐，氯化铵，溴化铵，碘化铵，和硫酸铵。磷酸不具有腐蚀性质的侵蚀性，也不具有在前面段落中列出的一些试剂所遇到的突出的毒理问题。因此，磷酸，在相稀释的溶液中，是在本发明中的优选的碳化试剂。气态碳化试剂也预计协助在本发明中使用的粘结剂的碳化，但是难以使用，因为需要对该方法作广泛改进。因此，气态碳化试剂的使用是不推荐的。
磷酸和磷酸的铵盐作为碳化试剂的使用会导致SSACS的强度的改进，与其它碳化试剂相比。然而，磷酸阴离子试剂会在所形成的SSACS中留下磷酸盐残留物。对于一些应用，此类残留物应该通过洗涤被除去，在SSACS的使用之前。另一方面，可以预期，铵卤化物盐作为碳化试剂的使用不会为产物SSACS带入较大量的残留物。以各种安全，毒理，效率和经济因素为基础，氯化铵是SSACS的最优选的碳化试剂，该SSACS必须具有最低的碳化试剂派生污染。尽管此类污染问题没有太大利害关系，磷酸氢二胺是最被优选的碳化试剂。在任何情况下，本发明提供了任何数量的碳化试剂的使用，使得对于在最终SSACS中的碳化试剂残留物而言的问题能够最大程度地减少。
在实践中，粒状活化炭，润湿液体，碳化试剂和粘结剂进行混合，直到获得了具有均匀的半塑性的物料为止。半塑性的物料是指混合物具有一些内聚性并由所施加的压力发生变形，同时保持这一内聚性。一般不希望该混合物是完全塑性的和容易由最低压力变形为任何形状。完全塑性的混合物能够使用，但是在干燥和/或碳化/煅烧之前难以维持所需的结构形状。组分混合可通过使用在相关领域中已知的任何相关方法来完成，然而下列方法是优选的。
在本发明的优选实施方案中，首先，该碳化试剂溶于润湿液体中形成润湿溶液。该润湿液体优选是水和碳化试剂在润湿溶液中的浓度典型地在10(wt)％范围内。更高和更低浓度的碳化试剂可以使用。碳化试剂的最佳量取决于所形成SSACS的所需性能并由在混合物中使用的粘结剂的量以及被粒状活化炭吸收的润湿溶液的体积所决定。这一最佳量能够最容易地通过在润湿溶液中使用不同浓度的碳化试剂并通过确定会优化所希望的SSACS特性的那些浓度，由SSACS的制备来确定。润湿溶液的使用，而不是将润湿液体和碳化试剂各个地添加到该碳中，一般导致了碳化试剂的更均匀分布。这一更均匀分布进而导致形成了具有更均匀组成和性能的SSACS。
一旦制备，该湿润溶液与粒状活化炭掺混。润湿溶液的用量取决于活化炭的孔隙度和湿润速率和随后被添加到混合物中的粘结剂的量。如果需要，润湿溶液-碳掺混物可以进行混合，以确保全部的碳粒被润湿溶液均匀地润湿。在该方法的这一阶段中常常观察到较少量的未结合的润湿溶液。接着，该粘结剂材料被添加到润湿溶液-粒状活化炭混合物中。人们观察到，该粘结剂立刻粘附于碳粒的表面。这一掺混物进行混合，直至各碳粒均匀地涂有粘结剂和该粘结剂均匀地分散在整个碳中。在相关技术中已知的任何类型的混合方法都可以使用，只要该混合方法没有严重地影响粒状活化炭颗粒的质量。混合时间典型地是几分钟或更少。在此时，混合物应该倾向于结块和是半塑性的。涂敷的碳粒可以呈现湿润状态。为结合的润湿溶液不应该是透明的。
对于大多数的粒状活化炭，对于每5份的粒状活化炭能够使用2-5份(重量)的粘结剂。低于约2份的粘结剂量一般导致形成缺少足够机械完整性的SSACS。大于5份的粘结剂量能够使用，但是该量通常是过高的和仅仅轻微地改进，即使有的话，SSACS性能。典型地，可接受的SSACS特性通常通过使用3-4份的粘结剂来获得。在所形成的SSACS中的最高活化炭密度，和从粘结剂的碳化/煅烧引起的最低SSACS收缩率，在当粘结剂的量最小化时获得的。
虽然各种其它混合程序都可以使用，但是这一混合方法被认为具有某些优点。例如，干燥粘结剂在润湿粒状活化炭上的施加容易地在各碳粒上提供相对均匀的粘结剂涂层。此外，认为会抑制从粘结剂溶解的可溶性材料被活化炭的吸附。同时，这一方法预计提供了润湿溶液的最有效利用。
一旦该润湿溶液-粒状活化炭-粘结剂混合物制备后，它通过压实到所需形状来形成。压实和形成能够通过使用为相关领域中的那些技术人员熟悉的技术和工业技术来进行。这些技术能够包括混合物压缩进入凹型模头或模具的空腔中。另外地，混合物可以通过使用各种已知的技术来挤出。在形成过程中，足够的压力应该施加于半塑性的混合物中以除去任何夹含的气阱或大的空隙空间，使得SSACS具有较均匀密度的结构。最佳地，认为在形成过程中应该施加足够的压力，以使得半塑性的湿粘结剂强迫该碳粒的交叉连接和这些微粒基本上触碰。过量的粘结剂或润湿液体的使用能够防止此类碳与碳颗粒接触。该过量的粘结剂或润湿液体的使用的结果是降低的SSACS强度，密度，或导电性。
如果需要更高密度的SSACS，则施加更高的压实压力，但是各碳粒的破碎会发生。一般希望所施加的压力不超过为破碎各碳粒所需要的压力。该破碎会导致形成具有降低内部运输特性的SSACS。典型地，200-600磅/平方英寸(psi)的压力已经被发现对于沥青煤基粒状活化炭是令人满意的。其它类型的粒状活化炭可在不同的压力下破碎。低于约200psi的压力能够导致形成具有有限机械强度的SSACS。高于600psi的压实压力能够使用，但是各碳粒的破碎会发生。尽管在形成过程中对混合物施加压力，尤其当使用形成模头时，未结合的润湿溶液的观察结果能够用作一种指示，在混合物中这一溶液的量太高和应该减少。类似地，为结合的湿粘结剂的观察结果表明最初混合物的粘结剂量太高和应该减少。
一旦混合物已经适当地形成为所需的结构体，该SSACS任选地干燥。这一干燥会除去润湿液体(典型地为水)和消除SSACS的半塑性的性质，它会变硬和典型地显示出较高的机械强度。SSACS的干燥能够由任何已知的方法来进行，只要SSACS在干燥过程中没有发生机械方式降解。合适的方法能够包括，但不限于，空气干燥，在高温下的烘箱干燥，真空干燥，或冷冻干燥。优选的干燥温度是大约100℃，当水用作润湿液体时。更高或更低的温度都能够使用。在大约100℃下，碳化试剂和粘结剂的一些结合物会导致粘结剂的局部碳化。在较高的干燥温度下，这一碳化可以变得更严重。但是，即使发生部分或完全的碳化，该碳化预计不会影响SSACS的最终性能。在干燥之后，SSACS在大于或等于约300℃的温度下在基本上惰性的或另外非氧化性的条件下加热。希望该加热能够在基本上惰性或另外非氧化性条件(包括接触气氛)下进行，以防止SSACS的氧化和相关的气化。此类氧化和气化能够导致所形成SSACS的差的外观和机械完整性的下降。
另外地，该干燥步骤能够被省去和润湿SSACS被直接加热至大于约300℃的温度。然而，如果干燥步骤被省去，则必须小心操作。湿SSACS含有较大量的挥发性润湿液体。同时，SSACS将散发显著量的其它物质，当加热到高温时。该气态物质能够包括来自碳化试剂的煅烧中的副产品和在碳化/煅烧过程中从粘结剂释放的挥发性物质。如果制备SSACS以使得它具有非常致密的结构和碳化/煅烧温度的提高是快速的，则SSACS的内部能够经历在压力上的较大提高，归因于气态物质的快速放出。该压力提高能够差不多地引起SSACS猛烈地爆炸。
SSACS所要加热到的在或高于约300℃的最高温度对于最终产品SSACS的所需性能来进行选择。一般认为，粘结剂的显著碳化主要地在高达大约500-600℃的温度下发生。因此必须假设暴露于低于500℃的最高温度的SSACS可含有部分碳化的粘结剂。也预计，在这些温度范围内制备的SSACS的SSACS内输运特性因为这一部分碳化的粘结剂而变差。照这样，即使该SSACS能够显示高机械强度，这些SSACS在一些应用中的使用是有限的。SSACS加热至在约500℃和低于约900℃之间的最高温度会消除与粘结剂的局部碳化有关的问题并与加热到更高温度相比具有一些经济优势。在这一温度范围内制备的SSACS典型地显示降低的机械强度，但是有改进的导电性，与在较低温度下制备的那些SSACS相比。SSACS加热至约900℃-约1000℃的温度会导致形成一种SSACS，它具有非常良好机械强度和它的导电性显著高于使用较低温度所制备的那些产品的导电性。另外，在被加热至这些较高温度的SSACS中所含有的粘结剂派生焦炭似乎是非常多孔的。因此使用这些较高的加热温度所制备的SSACS应该具有非常良好的颗粒内输运特性。基于这些趋势，可以预期，1000℃或更高的碳化/煅烧温度的使用仅仅进一步改进所形成SSACS的强度和导电性能。因此，SSACS所加热到的优选最高温度等于或大于约900℃。不管所选择的最高温度，在全部情况下推荐SSACS加热到大于约300℃的任何温度的过程是在就碳的氧化而言基本上惰性的气氛中进行。
SSACS加热至大于或等于约300℃的温度的过程能够通过使用以等温方式操作的热处理设备(炉)来完成。另外地，该SSACS能够通过使用该设备而被暴露于逐渐提高的温度范围。这一温度范围能够对于时间或距离/空间来逐渐升高(即缓坡)。在全部情况下，此类设备应该装有使加热室基本上惰性的设备和因此防止SSACS的氧化。
在最高温度下SSACS的停留时间不必是过度的。虽然是非强迫性的，但是通常优选的是，SSACS的内部和外部体积具有均匀性能。该均匀性是通过在最高温度下具有足够的停留时间，以使得全部部分的SSACS达到这一温度来实现。因此最低停留时间典型地取决于SSACS粒度和构型。由于热量主要通过传导被转移通过SSACS，必须提供在最高的升高温度下的足够停留时间以确保SSACS的内部和外部体积处于相同的温度下。
已经发现，在暴露于所需的最高温度之后SSACS的粒度会低于在该暴露之前所显示出的粒度。典型地，这一“收缩率”是至多几个百分数。该收缩能够通过减少在SSACS的制备中使用的粘结剂和/或润湿溶液体积来潜在地消除。另外地，湿润压实SSACS的粒度能够为这一收缩率进行调节，如果具有高度精确的尺寸的SSACS是所想望的。该调节可以通过模头，模具，挤出机，或用于压实和形成该SSACS的其它设备来进行。
在SSACS加热至所需的最高温度之后，SSACS应该在基本上惰性的条件下从高温冷却至约环境温度。如果该冷却不是在该加热装置中进行，则前提条件是在两个设备之间的任何转移过程中和/或每当SSACS的温度大于约300℃和更优选环境温度时防止该SSACS暴露于空气(氧)。一旦冷却，该SSACS可以任选被洗涤以除去任何碳化试剂残留物，如果想望的话。
在本发明的优选实施方案中10(重量)份的粒状活化炭用氯化铵的10％水溶液润湿。氯化铵溶液的量应使得该碳是看得见地湿润和少量的溶液被看得见在该碳粒之外。接着，将六份的小麦粉加入到该湿润碳中。该结合物被混合，以使得该碳粒均匀地涂有湿小麦粉和没有未结合的溶液在视觉上是透明的。这一混合物然后被加入到成形模头中并在300psi的压力下压实。所成形的SSACS从模头中取出，放置于烘箱中，和随后在100℃下干燥。在干燥之后，该SSACS被加入到具有惰性(基本上无氧)气氛的炉中并在1000℃下加热20分钟。在20分钟的时间结束时，SSACS在基本上惰性的气氛中从炉中转移到冷却室。在惰性(基本上无氧)的气氛中冷却至低于约300℃之后，该SSACS从冷却室中取出。
实施例的叙述
实施例1说明了该淀粉粘结剂不适合用于本发明中。实施例2说明了本发明的粘结剂材料用于自支持活化炭结构体的生产中的用途。实施例3说明了具有在4和325目之间的粒度和在该范围中粒度的各种分布的粒状活化炭可用于本发明中。实施例4说明了各种碳化试剂可用于本发明中。实施例5说明了在本发明的实施中使用所选择量的碳化试剂的效果。实施例6说明了在本发明的实施中使用所选择量的粘结剂的效果。实施例7说明了压缩力(即压力)对所获得SSACS性能的典型效果。实施例8说明了在SSACS所要加热到的最高温度和所获得SSACS性能之间的典型关系。实施例9说明了粒状活化炭的活性没有严重地被本发明的方法所影响。实施例10说明了大的SSACS能够由本发明的使用来制备。实施例11说明了蜂窝状SSACS能够由本发明的使用来制备。对于全部的实施例，除非另作说明，全部溶液是水溶液和全部的百分组成是以重量计。
实施例
实施例1：除非另作说明，否则下列程序用于生产活化炭SSACS。
程序：六份的粒状活化炭，各是大约5.00克，各自与大约6.1ml的润湿液体或润湿溶液混合。向这些活化炭-润湿液体/溶液混合物中的每一种添加大约4.00克的粘结剂。所获得的混合物独立地混合，直至各自显示均匀的组成为止。该活化炭-粘结剂-润湿溶液混合物典型地是稍微发粘的和在此时显示出半塑性质。在这一混合之后，各部分独自地被放置于圆柱形的成形模头中和在500磅的力下通过使用液压机来压实3分钟。圆柱形模头是由三个部分即模头体和上下冲压活塞组成。模头体是由超高分子量聚乙烯组成的空心圆柱体。模头体具有大约1和1/8英寸的内径，大约3和1/8英寸的外径，和大约2和3/4英寸的高度。上下冲压活塞是由钢构成并具有大约1和1/8英寸的外径。这些冲压活塞(ram)的外径被施胶，以使它们提供对模头体内壁的密配合，当插入模头体中时。下冲压活塞的高度是大约3/4英寸和上冲压活塞的高度是大约3和1/4英寸。在压实和从模头中取出之后，所形成的润湿SSACS然后放置于处于大约100℃下的烘箱中以便进行一夜干燥。在干燥之后，干燥SSACS被放置于盖上盖子的坩锅中并在马弗炉中在基本上惰性气氛中于大约950℃下煅烧大约20分钟的炉停留时间。在煅烧之后，SSACS被转移到冷却室中并在冷却室中在基本上惰性气氛中冷却至大约环境温度。对于煅烧和冷却，基本上惰性气氛是通过让氮气流流过马弗炉或冷却室来提供。盖上盖子的坩锅的使用进一步抑制在加热过程中任何空气(氧)暴露，SSACS的转移或冷却。典型地，所形成的SSACS是大约1和1/8英寸的直径和大约0.7英寸的高度。
通常，在煅烧和冷却之后，对于具有为相关的最小限度处置(handling)所需要的足够强度(即机械完整性)的那些SSACS测量各SSACS的质量、直径和高度。SSACS密度通过使用这一数据来计算。对于因为裂化、起泡或溶胀而没有显示出良好成形的圆柱形状的SSACS通常不收集高度和直径数据。压碎强度通常也对于具有轮廊分明的形状的那些SSACS进行测定。通过在Spring Dial CompressionGauge(RIMAC Spring Tester，Model T4-0070，0-1000lbs范围，Rinck-McIlwaine，Inc.，69Armour Place，P.O.98，Dumont，NewJersey 07628)上居中放置各SSACS，以使圆柱形SSACS的主轴与外加力矢量同轴，来测定压碎强度。Spring Dial Compression Gauge的柄(handle)然后稳定地压低，直到SSACS破裂为止。为破裂SSACS所需要的施加压力然后从压力表“最大值-读数指针”读出。对于六种SSACS的给定的样品组(即以相同方式制得的那些)，所收集的数据被平均化和测定相关的标准偏差。
通过使用如上所述的程序，通过使用可溶性淀粉，木薯淀粉或麦芽糖-糊精淀粉作为粘结剂，来制备活化炭SSACS。该润湿液体或润湿溶液是水，10.0％NH4Cl，5.00％(NH4)2HPO4，10.0％(NH4)2HPO4或15.0％(NH4)2HPO4。该活化炭是粒状材料。这一粒状活化炭已经表征为具有12×20目的标称筛目尺寸(指该碳的粒度低于12目和大于20目，两筛目尺寸都按照the U.S.Sieve Series)，0.507g/cc的表观密度(Calgon Carbon Test Number 7，Calgon Carbon Corp.，Pittsburgh，PA)，1.29mm的平均粒径(Calgon Carbon Test Number 9，CalgonCarbon Corp.，Pittsburgh，PA)，和1196mg/g的碘值(Calgon CarbonTest Number 4，Calgon Carbon Corp.，Pittsburgh，PA)。所获得的SSACS的性能示于表1中。
如表1中所示，所列出的粘结剂和润湿液体或润湿溶液的结合物都没有获得保持了它们的预定的和刚刚形成的轮廊分明的圆柱形外观的SSACS。对于全部三种粘结剂，使用水作为润湿液体的制备方法会形成如此弱(缺乏机械完整性)以致于以最小限度的处置(handling)也基本上瓦解的SSACS。使用三种不同粘结剂和10.0％NH4Cl所制备的那些显示了多少更好的机械强度以及对于粘结剂和润湿液体的一些结合物能够收集到大量数据。对于这些SSACS，平均质量值和相关的标准偏差示于表1中。但是，应该指出，全部这些SSACS显示出扭曲的物理形状。一些在干燥和/或煅烧过程中发生溶胀，使得SSACS的最初的圆柱形状发生扭曲。类似地，其它则起泡到这样的程度，即圆柱形状完全地扭曲和所获得的聚集材料似乎是在形状上多少有些球形。这些制剂中的几种，其中一些是作为其它样品组的复制品而制得，被判断在烘箱干燥之后是如此的弱以致于阻止后续的煅烧。因此，由表1中给出的数据证实，由现有技术教导的淀粉，甚至与所选择的碳化试剂相结合，没有提供粒状活化炭的可接受的或足够的煅烧后粘结。
                                           表1
                       使用所选择的淀粉作为粘结剂制备的SSACS的性能
  样本组参考编号   粘结剂   润湿液体或溶液   锻烧SSACS外观   平均锻烧SSACS质量(g)   平均锻烧SSACS密度(g/cc)   平均锻烧压碎强度(lbs)
  3285-23   可溶性淀粉   H2O   崩解   -   -   -
  3285-23   ″   10.0％NH4Cl   起泡   5.94+/-0.03   -   -
  3285-22   ″   10.0％NH4Cl   太弱无法煅烧   -   -   -
  3285-34   ″   5.00％(NH4)2HPO4   溶胀   5.82+/-0.02   -   -
  3285-66   ″   10.0％(NH4)2HPO4   严重溶胀   5.95+/-0.02   -   -
  3285-44   ″   10.0％(NH4)2HPO4   太软无法煅烧   -   -   -
  3285-56   ″   15.0％(NH4)2HPO4   太软无法煅烧   -   -   -
  3285-62   木薯淀粉   H2O   崩解   -   -   -
  3285-29   ″   10.0％NH4Cl   溶胀   5.34+/-0.32   -   -
  3285-28   ″   10.0％NH4Cl   太弱无法煅烧   -   -   -
  3285-52   ″   10.0％NH4Cl   太弱无法煅烧   -  -   -
  3285-53   ″   5.00％(NH4)2HPO4   轻微溶胀   5.69+/-0.04   -   -
  3285-89   ″   10.0％(NH4)2HPO4   溶胀   5.86+/-0.02   -   -
  3285-45   ″   15.0％(NH4)2HPO4   溶胀   6.03+/-0.02   -   -
  3287-10   麦芽糖-糊精淀粉   H2O   崩解   -   -   -
  3285-13   ″   10.0％NH4Cl   严重起泡   5.95+/-0.12   -   -
  3285-12   ″   5.00％(NH4)2HPO4   溶胀   5.77+/-0.02   -   -
  3287-8   ″   10.0％(NH4)2HPO4   严重溶胀   5.90+/-0.03   -   -
  3285-43   ″   15.0％(NH4)2HPO4   溶胀，裂解   6.05+/0.05   -   -
实施例2：使用实施例1中给出的粒状活化炭，润湿液体或溶液和程序来制备SSACS并进行表征。这些SSACS的制备在粘结剂的选择上不同于实施例1的那些。用于制备该实施例的SSACS的粘结剂是这些材料的各种例子。被选择用作粘结剂的这些材料的例子是小麦粉，燕麦粉，裂壳小麦粉，玉米粉(轻度炒焙)，米粉，大麦粉，荞麦粉，黑麦粉，和马铃薯粉。用这些粘结剂制备的各组的SSACS的性能，和相关的标准偏差，示于表2中。
如表2中所示，小麦粉(属于通常用于烘烤目的的类型)生产出具有良好外观(轮廊分明的边缘，均匀的表面，没有可见的显著裂化，几乎没有活化炭微粒从SSACS表面上的剥落)和40lbs压碎强度的SSACS，当水用作润湿液体时。当10.0％氯化铵取代该配方中的水时，SSACS质量、密度和压碎强度全部显著地提高，与使用水制备的那些SSACS相比。当磷酸氢二铵溶液用作润湿溶液时观察到类似的提高。也能够指出，SSACS质量、密度和压碎强度全部随着用作润湿溶液的磷酸氢二铵的浓度的提高而提高。裂壳小麦粉(裂壳小麦是特定类型的硬粒小麦)，正如所预期的，生产出具有与使用普通小麦粉所生产的那些性能类似的性能的SSACS。
表2也表明，使用燕麦粉和黑麦粉作为粘结剂所制备的SSACS的所列性能一般显示了就润湿液体组成而言的与从小麦粉制备的那些相同的趋势。具体地说，这些趋势不同于使用小麦粉所观察的那些，就更高SSACS质量和更低SSACS密度和压碎强度而言。
用于这一实施例中的全部其它粘结剂(玉米粉，米粉，大麦粉，荞麦粉，和马铃薯粉)显示了被所选择的润湿液体或润湿溶液中的至少一种发生至少一些溶胀。然而这些结果表明，润湿液体或润湿溶液组成的明智选择能够阻止，对于这些粘结剂，SSACS被煅烧所溶胀。表2的考察也显示，一般来说，磷酸氢二铵被证明在减少SSACS溶胀方面比氯化铵更加有效。也明显的是，SSACS压碎强度随着在润湿液体中碳化试剂的浓度提高而提高。此外，显而易见是含有润湿液体的碳化试剂的使用会显著提高SSACS质量，密度，和压碎强度。这一提高说明了碳化试剂在润湿液体中的使用会导致在煅烧之后更高的焦炭产率。也应该指出的是，使用含有润湿溶液的10％磷酸氢二铵所制备的那些SSACS显示了比使用含有润湿溶液的10％氯化铵所制备的那些更高的平均锻烧SSACS压碎强度。这甚至更突出表现为通过使用这两种不同碳化试剂所制备的样品组的“平均锻烧SSACS质量”没有太多的不同。这些结果预示了磷酸氢二铵碳化试剂在润湿液体中的使用会导致形成更强淀粉状材料(starchy-material)衍生焦炭，或该焦炭对粒状活化炭的更强粘结，与在润湿溶液中使用氯化铵作为碳化试剂所获得的结果相比。
因此，在表2中给出的数据说明，本发明的粘结剂材料能够用于生产SSACS，与由现有技术所教导的淀粉不同。
                                                   表2
                          使用谷物和块茎粉作为粘结剂所制备的SSACS的性能
  样本组参考编号   粘结剂   润湿液体或溶液 锻烧SSACS外观   平均锻烧SSACS质量(g)   平均锻烧SSACS密度(g/cc)   平均锻烧SSACS压碎强度(lbs)
  3285-3   小麦粉   H2O 良好   5.53+/-0.02   0.526+/-0.003   40+/-2
  3285-2   小麦粉   10.0％NH4Cl 非常好   5.97+/-0.03   0.556+/-0.005   178+/-3
  3285-85   小麦粉   5.00％(NH4)2HPO4 非常好   5.86+/-0.02   0.574+/-0.004   206+/-9
  3285-90   小麦粉   10.0％(NH4)2HPO4 非常好   5.94+/-0.03   0.580+/-0.006   263+/-12
  3285-94   小麦粉   15.0％(NH4)2HPO4 非常好   6.05+/-0.04   0.594+/-0.006   355+/-9
  3285-5   燕麦粉   H2O 良好   5.59+/-0.02   0.508+/-0.007   26+/-3
  3285-4   燕麦粉   10.0％NH4Cl 良好   6.14+/-0.02   0.532+/-0.003   80+/-6
  3285-84   燕麦粉   5.00％(NH4)2HPO4 良好   6.17+/-0.01   0.552+/-0.004   102+/-4
  3285-91   燕麦粉   10.0％(NH4)2HPO4 非常好   6.29+/-0.04   0.552+/-0.004   137+/-3
  3285-95   燕麦粉   15.0％(NH4)2HPO4 良好   6.39+/-0.04   0.556+/-0.005   157+/-9
  3285-7   玉米粉   H2O 溶胀，裂化   -   -   -
  3285-6   玉米粉   10.0％NH4Cl   溶胀   6.10+/-0.02   -   -
  玉米粉   5.00％(NH4)2HPO4   非常好   6.10+/-0.01   0.500+/-0.005   87+/-5
  3285-39   玉米粉   10.0％(NH4)2HPO4   良好   6.16+/-0.01   0.511+/-0.008   97+/-7
  3287-2   玉米粉   15.0％(NH4)2HPO4   非常轻微溶胀   6.37+/-0.03   0.514+/-0.010   93+/-14
  3285-9   大米粉   H2O   非常轻微溶胀   5.58+/-0.03   -   -
  3285-8   大米粉   10.0％NH4Cl   溶胀   6.15+/-0.00   -   -
  3285-63   大米粉   5.00％(NH4)2HPO4   非常好   6.08+/-0.01   0.532+/-0.006   181+/-10
  3285-40   大米粉   10.0％(NH4)2HPO4   良好   6.23+/-0.02   0.540+/-0.004   169+/-3
  3285-59   大米粉   15.0％(NH4)2HPO4   非常好   6.40+/-0.02   0.554+/-0.007   185+/-9
  3285-25   大麦粉   H2O   良好   5.64+/-0.01   0.502+/-0.001   23+/-1
  3285-24   大麦粉   10.0％NH4Cl   非常轻微溶胀   6.01+/-0.03   -   -
  3285-65   大麦粉   5.00％(NH4)2HPO4   非常好   6.05+/-0.03   0.535+/-0.006   111+/-6
  3285-42   大麦粉   10.0％(NH4)2HPO4   非常好   6.18+/-0.03   0.540+/-0.007   145+/-6
  3285-61   大麦粉   15.0％(NH4)2HPO4   非常轻微溶胀   6.32+/-0.04   0.530+/-0.007   155+/-14
  3285-15   荞麦粉   H2O   溶胀，软   5.49+/-0.02   -   -
  3285-14   荞麦粉   10.0％NH4Cl   溶胀   6.11+/-0.02   -   -
  3285-64   荞麦粉   5.00％(NH4)2HPO4   非常好   5.98+/-0.03   0.517+/-0.009   174+/-25
  3285-41   荞麦粉   10.0％(NH4)2HPO4   良好   6.09+/-0.03   0.516+/-0.007   195+/-9
  3285-60   荞麦粉   15.0％(NH4)2HPO4   轻微溶胀   6.24+/-0.02   -   -
  3285-21   黑麦粉   H2O   良好   5.58+/-0.02   0.489+/-0.003   14+/-2
  3285-20   黑麦粉   10.0％NH4Cl   良好   6.24+/-0.01   0.522+/-0.005   49+/-5
  3285-87   黑麦粉   5.00％(NH4)2HPO4   非常好   6.18+/-0.01   0.520+/-0.005   48+/-1
  3285-92   黑麦粉   10.0％(NH4)2HPO4   良好   6.38+/-0.03   0.542+/-0.004   87+/-5
  3287-3   黑麦粉   15.0％(NH4)2HPO4   非常好   6.51+/-0.03   0.550+/-0.003   115+/-3
  3285-27   裂壳小麦粉   H2O 良好   5.76+/-0.03   0.532+/-0.006   74+/-6
  3285-26   裂壳小麦粉   10.0％NH4Cl 良好   6.05+/-0.01   0.548+/-0.007   94+/-4
  3285-88   裂壳小麦粉   5.00％(NH4)2HPO4 非常好   6.00+/-0.03   0.561+/-0.008   160+/-4
  3285-93   裂壳小麦粉   10.0％(NH4)2HPO4 非常好   6.13+/-0.03   0.586+/-0.007   267+/-11
  3287-4   裂壳小麦粉   15.0％(NH4)2HPO4 非常好   6.32+/-0.02   0.591+/-0.004   334+/-7
  3285-11   马铃薯粉   H2O 溶胀，裂化   5.74+/-0.02   -   -
  3285-10   马铃著粉   10.0％NH4Cl 非常好   6.22+/-0.02   0.542+/-0.005   173+/-10
  3287-7   马铃薯粉   5.00％(NH4)2HPO4 非常好   6.07+/-0.02   0.527+/-0.010   140+/-10
  3287-9   马铃薯粉   10.0％(NH4)2HPO4 非常好   6.32+/-0.03   0.545+/-0.004   204+/-5
  3287-5   马铃薯粉   15.0％(NH4)2HPO4 非常好   6.42+/-0.03   0.549+/-0.003   239+/-11
实施例3：具有3.18mm的平均粒径，958mg/g的碘值，和0.518g/cc的表观密度的标称4×6目粒状活化炭被破碎和/或筛选以生产具有4×6，6×10，10×20，20×80，和80×325筛目尺寸的粒状活化炭。同时，相同质量份的这些筛孔尺寸级分中的每一种被掺混以生产具有已知的平均粒径的4×325筛目尺寸活化炭。具有这些筛孔尺寸级分中的每一种的六份的粒状活化炭通过采用在实施例1中给出的程序，但有三个例外，用于生产SSACS。第一个例外是该压实压力是300lbs。第二个例外是用于形成SSACS的润湿溶液的体积是：对于4×6筛目尺寸碳级分而言大约4.5ml，对于6×10筛目尺寸碳级分而言4.7ml，对于10×20筛目尺寸级分而言4.9ml，对于20×80筛目尺寸级分而言5.1ml，对于80×325筛目尺寸级分而言5.5ml，和对于4×325筛目尺寸级分而言5.1ml。和第三个例外是大约3.00克的粘结剂用于制备各SSACS。所获得的SSACS也通过使用在实施例1中描述的方法来表征。
具体地说，水或10.0％氯化铵溶液用作粒状活化炭的各筛目尺寸级分的润湿液体或溶液。该粘结剂是小麦粉。
表3显示了以这种方式制备的SSACS的样品组的平均性质和相关的标准偏差。如表中所示，通过使用4×6和6×10筛目尺寸碳制备的SSACS的外观被判断是中等的。这些SSACS显示非常粗糙表面织构和似乎不具有太大的机械完整性。由于较大筛目碳的相对大的平均粒径，这些SSACS的粗糙表面织构多少是可以预期的。从4×6和6×10筛目尺寸碳制备的SSACS的压碎强度无法可靠地测量，因为它不能清楚地测定到当随着提高外加力而发生结构破坏时。但是，如这一实施例中所示，有可能使用这些较大筛目尺寸/平均粒径活化炭来制造活化炭SSACS。另一方面，较小的活化炭筛目尺寸/平均粒径会生产出具有良好到优异外观的SSACS。也需要指出的是，随着平均粒径下降，相关的SSACS的压碎强度显著地提高。
与前面的实施例一样，碳化试剂(在这种情况下为氯化铵)的使用会导致形成更高的粘结剂焦炭产率和可能是更强的焦炭。较高的粘结剂焦炭产率是由在仅仅用水制备的那些样品组与使用氯化铵水溶液作为润湿溶液制备的那些样品组之间的在SSACS质量上的差异来证明。可能更高的粘结剂焦炭强度是由使用水作为润湿液体制备的样品组所显示的相对恒定压碎强度-对(versus)-由在润湿溶液中使用碳化试剂(氯化铵)制备的那些SSACS所显示的碳筛目尺寸/平均粒径依赖性压碎强度来指示。也应该指出，使用4×325筛目尺寸活化炭制备的SSACS的压碎强度高于从主题活化炭的平均粒径与窄筛目尺寸活化炭的那些平均粒径和压碎强度对比所预计的结果。该结果被认为与活化炭填充效果(由在4×325筛目材料和其它尺寸级分之间的显著表观密度差异所显示)和与各活化炭微粒的累积外表面积的大小有关。
                                                表3
                     使用粒状活化炭的所选择的筛目尺寸所制备的SSACS的性能
  样本组参考编号  粒状碳筛目尺寸   粒状碳表观密变(g/cc)   粒状碳平均粒径(mm)   润湿液体或溶液   锻烧SSACS外观   平均锻烧SSACS质量(g)   平均锻烧SSACS密度(g/cc)   平均煅烧SSACS压碎强度(lbs)
  3285-74  4×6   0.51   3.71  H2O   中等   5.67+/-0.00   0.535+/-0.005   -
  3285-67  ″   ″   ″  10％NH4Cl   中等   6.16+/-0.03   0.547+/-0.010   -
  3285-75  6×10   0.505   2.88  H2O   中等   5.60+/-0.02   0.510+/-0.008   -
  3285-68  ″   ″   ″  10％NH4Cl   中等   6.17+/-0.01   0.538+/-0.009   -
  3285-76  10×20   0.509   1.22  H2O   良好   5.67+/-0.01   0.522+/-0.003   50+/-3
  3285-69  ″   ″   ″  10％NH4Cl   良好   6.21+/-0.02   0.569+/-0.007   140+/-2
  3285-77  20×80   0.519   0.56  H2O   优异   5.67+/-0.00   0.514+//-0.008   103+/-8
  3285-72  ″   ″   ″  10％NH4Cl   优异   6.20+/-0.01   0.593+/-0.005   293+/-13
  3285-78  80×325   0.474   0.22  H2O   优异   5.68+/-0.02   0.500+/-0.003   63+/-4
  3285-73  ″   ″   ″  10％NH4Cl   优异   6.19+/-0.01   0.580+/-0.004   442+/-37
  3287-16  4×325   0.616   1.72  H2O   良好   5.54+/-0.01   0.535+/-0.011   73+/-9
  3287-11  4×325   ″   ″  10％NH4Cl   良好   6.10+/-0.03   0.604+/-0.008   281+/-45
实施例4：通过使用具有0.394g/cc的表观密度，1.11mm的平均粒径和1312mg/g的碘值的12×40筛目粒状活化炭来制备SSACS。用于这些SSACS的制备中的润湿液体或溶液是H2O和所选择的碳化试剂的10.0％溶液。选择用的碳化试剂是氯化铵，碘化铵，溴化铵，硫酸铵，磷酸，磷酸二氢铵，磷酸氢二铵和氯化锌。用于制备这些SSACS的程序是在实施例1中给出的，只是下面的改进除外。第一，用于制备各SSACS的润湿液体或溶液的量是大约6.7克。其次，该碳-粘结剂-润湿液体/溶液混合物通过使用300lbs的力，而不是500lbs的力，来压实。第三，各SSACS的粘结剂质量是大约3.00克。和第四，装有0-500lbs负荷计的Carver Model“C”实验室用压机(Fred S.Carver Inc.，P.O.Box 428，MenomoneeFalls，WI 53051-0428)代替用于压碎强度的测定的Spring DialC0mpression Gauge。小麦粉用作该粘结剂。
以这种方式制备的各组SSACS的所选择的平均性能，和相关的标准偏差，在表4中给出。这一数据的调查表明，10％氯化锌熔剂用作润湿溶液会导致形成SSACS，后者的密度等于使用H2O作为润湿液体所获得的那些和压碎强度大大低于使用H2O作为润湿液体所获得的压碎强度。因此显而易见是，氯化锌不适合用作本发明中的碳化试剂。采用其它所选择的碳化试剂的润湿溶液会获得活化炭SSACS，后者所具有的密度和压碎强度优于由仅仅水用作润湿液体所获得的那些。因此说明了所选择的碳化试剂用作润湿液体的添加剂，形成润湿溶液的益处。也需要指出的是，各种磷酸盐基碳化试剂作为润湿溶液中的溶质的使用会形成具有在这一实施例中观察到的最高压碎强度的SSACS。这一结果表明，此类试剂的“交联”作用可以为在SSACS强度中这一观察到的进一步改进负责。
                                         表4
                       使用所选择的碳化试剂制备的SSACS的性能
  样本组编号   润湿液体或溶液   平均锻烧SSACS质量(g)   平均锻烧SSACS密度(g/cc)   平均锻烧SSACS压碎强度(lbs)
  3165-96   H2O   5.60+/-0.01   0.441+/-0.004   62+/-5
  3256-03   10.0％ZnCl2   5.88+/-0.02   0.441+/-0.003   25*
  3165-95   10.0％NH4Cl   5.92+/-0.01   0.461+/-0.005   140+/-5
  3256-05/6   10.0％NH4Br   5.91+/-0.02   0.447+/-0.005   101+/-8
  3287-22   10.0％NH4I   5.87+/-0.00   0.440+/-0.006   130+/-8
  3287-17   10.0％(NH4)2SO4   5.84+/-0.01   0.433+/-0.003   106+/-8
  3256-04/5   10.0％H3PO4   5.98+/-0.01   0.453+/-0.007   215+/-11
  3256-03/4   10.0％NH4H2PO4   6.06+/-0.02   0.459+/-0.005   213+/-14
  3256-02   10.0％(NH4)2HPO4   6.04+/-0.01   0.467+/-0.006   275+/-14
*一个数据点
实施例5：使用在实施例1中描述的程序来制备各组的SSACS和进行表征。对于全部这些组的SSACS，小麦粉用作该粘结剂。制备七组的SSACS。这些组的制备对于所使用的润湿液体/溶液的类型而言是不同的。所使用的七种润湿液体/溶液列在表5中。
以这种方式制备的各组SSACS的平均性质也在表5中给出。如在这一表中所示，“平均锻烧SSACS质量”随着在润湿溶液中碳化试剂(磷酸氢二铵)的浓度提高而提高。该“平均锻烧SSACS密度”和压碎强度也随着润湿溶液磷酸氢二铵浓度高达20.0％的值而提高。在25.0％磷酸氢二铵润湿溶液浓度下，“平均锻烧SSACS密度”显示了非常轻微的下降和“平均锻烧SSACS压碎强度”从使用20.0％磷酸氢二铵润湿溶液浓度所观察的那些值大大地下降。这些结果说明，能够预期一些量的碳化试剂导致获得了就所获得的SSACS的所列性能的改进而言的最大值。
                                        表5
                   使用所选择量的给定碳化试剂制备的SSACS的性能
  样本组参考编号   润湿液体或溶液   平均锻烧SSACS质量(g)   平均锻烧SSACS密度(g/cc)   平均锻烧SSACS压碎强度(lbs)
  3285-03   H2O   5.53+/-0.02   0.526+/-0.003   40+/-2
  3287-19   2.50％(NH4)2HPO4   5.76+/-0.02   0.566+/-0.006   141+/-4
  3285-85   5.00％(NH4)2HPO4   5.86+/-0.02   0.574+/-0.004   206+/-9
  3285-90   10.0％(NH4)2HPO4   5.94+/-0.03   0.580+/-0.006   263+/-12
  3285-94   15.0％(NH4)2HPO4   6.05+/-0.04   0.594+/-0.006   355+/-9
  3287-18   20.0％(NH4)2HPO4   6.33+/-0.03   0.589+/-0.005   368+/-15
  3287-20   25.0％(NH4)2HPO4   6.43+/-0.03   0.582+/-0.005   303+/-13
实施例6：通过使用具有0.411g/cc的表观密度，1.08mm的平均粒径和1286mg/g的碘值的12×40筛目粒状活化炭来制备SSACS。用于这些SSACS的制备中的润湿溶液是磷酸氢二铵的10.0％溶液。该粘结剂是小麦粉。用于制备这些SSACS的程序是在实施例1中给出的，只是下面的改进除外。第一，用于制备各SSACS的润湿溶液的量在表6中给出。如该表中所示，润湿溶液的平均质量随着粘结剂质量的提高而提高。润湿溶液的这一提高是确保在掺混和混合时粘结剂-碳形成半塑性物料所需要的。其次，该碳-粘结剂-润湿溶液混合物通过使用300lbs的力，而不是500lbs的力，来压实。第三，各SSACS的粘结剂质量在表6中给出。和第四，装有0-500lbs负荷计的Carver Model“C”实验室用压机(Fred S.Carver Inc.，P.O.Box 428，Menomonee Falls，WI 53051-0428)代替用于压碎强度的测定的Spring Dial Compression Gauge。
所获得的圆柱形活化炭SSACS的电阻率是以下面方式测定的。铝板被放置靠着圆柱形SSACS的一面和另一个铝板靠着它的对立面。该铝板测量尺寸为大约1和1/2英寸乘以2和1/2英寸并且是1/8英寸厚度。这一布置的取向应使得由铝板确定的平面垂直于圆柱形SSACS的主轴和各铝板完全地覆盖它的各自SSACS正面。与接触该碳SSACS的那些相对的铝板的侧面用非导电性塑料绝缘。前提条件是各铝板的边缘用于电引线的附装。这些电引线以一种方式连接于Keithley Model 580Micro-ohmmeter(KeithleyInstruments，Inc.，Cleveland，Ohio)，该方式使得可以利用“4-金属丝法(Wire Method)”来进行电阻测量。一旦该活化炭SSACS和铝板按照所述的那样进行取向，将50磅的力施加于组合件上以使得该力的方向与圆柱形SSACS的主轴保持同轴。在该力的施加过程中，通过使用Keithley Model 580Micro-ohmmeter测定该组合件的电阻。因为铝板和相关的点引线的电阻由于“4-金属丝法”的使用而可以忽略，所以所测量的电阻取作该活化炭SSACS的电阻值。因为预期该活化炭SSACS是电性质各向同性的，碳SSACS的电阻率将是SSACS电阻乘以圆柱形SSACS横截面积的乘积再除以SSACS高度。通过这一关系和所测量的SSACS电阻，直径和高度的使用，测定包括各SSACS的粘结材料的电阻率。对于以同等方式制备的那些SSACS，在这种情况下总共六种，由这一方法测定的各电阻率被计算平均值并测定这一平均值的相关的标准偏差。
用于这些SSACS的制备中的粒状活化炭的电阻率是通过将大约5.0g的上述碳放置于已形成为一片非导电性塑料的圆柱形空腔中来测定的。这一圆柱形空腔的底部填装实心铝圆柱形体。在碳样品插入到圆柱形空腔中之后，将另一个实心铝圆柱形体插入到圆柱形空腔中，使得碳位于两个铝圆柱形体的内面之间。铝圆柱形体具有1.125英寸的直径，它与圆柱形空腔的直径紧密地匹配，和平滑的端面经过机加工后与各圆柱形体的主轴垂直。前提条件是要求电引线连接于各铝圆柱形体的外端。这些电引线以一种方式将该圆柱形连接于Keithley Model 580 Micro-ohmmeter(KeithleyInstruments，Inc.，Cleveland，Ohio)，该方式使得可以利用“4-金属丝法(Wire Method)”来进行电阻测量。然后将50磅的力施加于铝圆柱形体的外面。这一力的矢量平行于铝圆柱形体的主轴的矢量。该力的施加会导致在铝圆柱形体的内面之间碳的压实。在该力的施加过程中，测量横穿该压实碳样品的电阻。压实碳样品的电阻率通过使用这一电阻值，铝圆柱形体直径，和在压实该碳样品的同时在铝圆柱形体的内面之间的距离来计算。在压实碳样品的同时在铝圆柱形体的内面之间的距离是作为在压实碳样品的存在下和不存在下在铝圆柱形体的外面之间的距离的差异来计算。照这样，碳样品的电阻率是所测量的电阻乘以铝圆柱形体内面的横截面积的乘积除以在压实过程中在铝圆柱形体的内面之间的距离。用于在本实施例中所考虑的SSACS的制备中的粒状活化炭的电阻率是1.70ohm-cm。
以这种方式制备的SSACS的所选择的平均性能，和相关的标准偏差，在表6中给出。如该表中所示，“平均锻烧SSACS质量”，密度，和压碎强度全部随着粘结剂质量的提高而提高，虽然不一定按比例。“平均锻烧SSACS电阻率”在达到3.00g粘结剂为止一直下降和然后保持相对恒定(如果考虑“平均锻烧SSACS电阻率”数据的标准偏差)。因此，显然粘结剂的增加量的使用会导致提高的SSACS密度和压碎强度。也明显的是，需要最低量的粘结剂以获得SSACS材料的最低电阻率，当使用给定的程序来制备时。大于这一最低量的粘结剂量的使用不会导致电阻率的进一步降低。也明显的是，SSACS的电阻率低于未粘结的粒状活化炭的电阻率。因此，SSACS的导电性能够优越于粒状活化炭的未粘结的填充床的导电性。
                                                      表6
                          使用所选择量的小麦粉作为粘结剂制备的SSACS的性能
  样本组参考编号   平均质量粘结剂(g)   平均质量润湿溶液(g)   平均锻烧SSACS质量(g)   平均锻烧SSACS密度(g/cc)   平均锻烧SSACS电阻率(mohm-cm)   平均锻烧SSACS压碎强度(lbs)
  3256-62   1.00+/-0.01   6.37+/-0.01   5.27+/-0.03   0.405+/-0.003   -   31+/-3*
  3256-63   2.00+/-0.01   6.75+/-0.02   5.73+/-0.02   0.445+/-0.006   351+/-10   120+/-13*
  3256-64   3.00+/-0.01   6.92+/-0.02   6.12+/-0.01   0.470+/-0.004   266+/-20   226+/-9
  3256-65   4.01+/-0.00   7.46+/-0.03   6.50+/-0.01   0.491+/-0.007   284+/-14   235+/-13
  3256-66   5.01+/-0.00   8.01+/-0.01   6.83+/-0.02   0.502+/-0.005   288+/-2   313+/-15
*五个样品的平均值
实施例7：通过使用具有0.394g/cc的表观密度，1.11mm的平均粒径和1312mg/g的碘值的12×40筛目粒状活化炭来制备SSACS。用于这些SSACS的制备中的润湿溶液是磷酸氢二铵的10.0％溶液。该粘结剂是小麦粉。用于制备这些SSACS的程序是在实施例1中给出的，只是下面的改进除外。第一，用于制备各SSACS的润湿溶液的质量是大约7.2g。其次，该碳-粘结剂-润湿溶液混合物通过使用在表7中列出的力，而不是500lbs的力，来压实。第三，各SSACS的粘结剂质量是大约3.00g。和第四，装有0-500lbs负荷计的Carver Model“C”实验室用压机(Fred S.Carver Inc.，P.O.Box 428，Menomonee Falls，WI 53051-0428)代替用于压碎强度的测定的Spring Dial Compression Gauge。
如上所述的粒状活化炭的电阻率是1.49ohm-cm，通过使用在实施例6中给出的方法来测定。同时，平均锻烧SSACS电阻率通过使用在实施例6中给出的方法来测定。
以上述方式制备和表征的各组SSACS的平均性质在表7中给出。如该表中所示，压实力的大小对于“平均锻烧SSACS质量”几乎没有影响。因此表明，压实力没有显著地影响在碳化和/或煅烧过程中由粘结剂所经历的各种变化/反应。然而，观察到压实力对于在该表中所示的其它SSACS性能具有一些影响。例如，可以观察到，“平均锻烧SSACS密度”一般随着压实压力的提高而提高。这预示着，增加的压实力会逐渐地强迫半塑性粘结剂进入在粒状活化炭之中和周围的空隙中。平均锻烧SSACS电阻率，在相关的标准偏差的范围内，显示了随着增大压实力而有小的变化，一直到这些力达到800和1000磅为止。这一结果提示粒状活化炭的破碎会在这些较高的力下发生。也应该指出，对于这些SSACS所示的全部所测量的电阻率显著低于粒状活化炭(从它制备SSACS)的电阻率。“平均锻烧SSACS压碎强度”也随着压实压力的提高而提高。这再次表明了前面提到的空隙的填充会发生。也可能的是，该空隙填充会提高粘结剂-粒状活化炭接触的程度，和因此导致更强的粘结。最后，“计算的锻烧SSACS活化炭密度”表示在SSACS中粒状活化炭的密度(即SSACS的密度，如果没有粘结剂相关焦炭存在)。应该指出的是，“计算的锻烧SSACS活化炭密度”是通过将平均锻烧SSACS密度乘以所存在的活化炭的质量(5.00g)和在将结果除以“平均锻烧SSACS质量”来计算。显然，这一计算的正确性是基于以下假设：在SSACS的制备过程中粒状活化炭的机械损失是可忽略的。也假设，活化炭对于煅烧温度的暴露没有导致显著的质量改变。在表7中观察到，计算的锻烧SSACS活化炭密度显著地提高，直到该压实力达到约400磅为止，在此之后密度增加的速率显著地下降。用于制备这些SSACS的碳的表观密度是0.394g/cc。在约400磅和高于约400磅的压实力下，在SSACS内的粒状活化炭密度基本上是最初的粒状活化炭的表观密度。在800和1000磅的压实力下，在SSACS内的碳密度可以超过最初的粒状活化炭的表观密度。这一结果表明，用于SSACS中的粒状活化炭的一些破碎会发生。应该指出，即使在SSACS的制备过程中发生了粒状活化炭的破碎，该破碎对于吸附容量没有影响，随后可以观察到SSACS密度和导电性的增加。在任何情况下，由这些结果明显地显示，通过这一方法的使用有可能制造具有与起始、未粘结、粒状的活化炭的密度同样高的粒状活化炭密度的碳SSACS。
                                           表7
                         使用所选择的压实力制备的SSACS的性能
  样本组参考编号   压实力(lbs)   平均锻烧SSACS质量(g)   平均锻烧SSACS密度(g/cc)   平均锻烧SSACS电阻率(mohm-cm)   平均锻烧SSACS压碎强度(lbs)   计算的锻烧SSACS活化炭密度(g/cc)
  3256-47   50   6.03+/-0.03   0.402+/-0.006   301+/-16   68+/-10   0.333
  3256-46   100   6.05+/-0.03   0.422+/-0.007   305+/-11   98+/-15   0.349
  325645   200   6.04+/-0.03   0.451+/-0.006   291+/-12   195+/-7   0.373
  3256-44   300   6.03+/-0.00   0.462+/-0.006   296+/-11   235+/-13   0.385
  3256-48   400   6.10+/-0.01   0.480+/-0.006   309+/-23   280+/-23   0.403
  3256-49   600   6.10+/-0.01   0.492+/-0.011   298+/-22   316+/-33   0.403
  3256-50   800   6.04+/-0.02   0.495+/-0.007   284+/-9   327+/-16   0.410
  3256-51   1000   6.04+/-0.02   0.503+/-0.004   263+/-21   360+/-14   0.416
实施例8：通过使用具有0.394g/cc的表观密度，1.11mm的平均粒径和1312mg/g的碘值的12×40筛目粒状活化炭来制备SSACS。用于这些SSACS的制备中的润湿溶液是磷酸氢二铵的10.0％溶液。该粘结剂是小麦粉。用于制备这些SSACS的程序是在实施例1中给出的，只是下面的改进除外。第一，用于制备各SSACS的润湿溶液的质量是大约7.2g。其次，该碳-粘结剂-润湿溶液混合物通过使用300lbs的力来压实。第三，各SSACS的粘结剂质量是大约3.00g。和第四，装有0-500lbs负荷计的Carver Model“C”实验室用压机(Fred S.Carver Inc.，P.O.Box 428，MenomoneeFalls，WI 53051-0428)代替用于压碎强度的测定的Spring DialCompression Gauge。和第五，各SSACS所接触到的最高的高温，称为煅烧温度，是在表8中列出的数值中的一种。同样地，在各最高温度下的暴露时间，称为煅烧时间，在表8中给出。也指出，为了简化起见，全部SSACS，在暴露于所选择的高温(不管该温度的高低)后，被认为已经锻烧和该暴露被认为是煅烧。
如上所述的粒状活化炭的电阻率是1.49ohm-cm，通过使用在实施例6中给出的方法来测定。同时，平均锻烧SSACS电阻率通过使用在实施例6中给出的方法来测定。
以上述方式制备和表征的各组SSACS的平均性质在表8中给出。如在该表中所示，“平均锻烧SSACS质量”和“平均锻烧SSACS密度”随着提高“煅烧温度”而下降。这些结果最可能归因于从粘结剂在逐渐升高的温度下的碳化/煅烧中所产生的挥发性物质的增加散发。也观察到，“平均锻烧SSACS体积”似乎随着提高煅烧温度而经历了非常轻微的下降。贯穿所使用的整个煅烧温度范围(800℃)的总体下降是低于6％。这一小的下降表明，粘结剂没有主要处于在粒状活化炭的接触点之间和因此不阻止该接触点彼此接触。
表6也显示“平均锻烧SSACS电阻率”，属于一个例外，随着提高煅烧温度而下降。显然，在最高的煅烧温度下制备最具导电性的SSACS。也指出，通过使用大约700℃或大于约700℃的煅烧温度所制备的SSACS的电阻率低于在这些SSACS的制备中使用的未粘结的粒状活化炭的填充床的电阻率。
最后，“平均锻烧SSACS压碎强度”就“煅烧温度”显示了相反的复杂关系。这一复杂关系有可能是所产生的几个互相影响作用。此类作用包括下列这些。对于200℃-300℃的煅烧温度提高所观察到的压碎强度的提高可能是碳化赋予粘结剂以附加强度的第一阶段的结果。当煅烧温度从300℃提高到600℃时所观察到的压碎强度的下降可能是因为粘结剂派生挥发性物质的散发所引起的粘结剂质量的损失的结果。在600℃-800℃的温度范围中观察到的相对一致的压碎强度则指示该粘结剂在这一温度范围中基本上完全地碳化。最后，在800℃-1000℃的温度范围中观察到的增加了的压碎强度，如果真实和不是偶然事件发生，表明粘结剂派生的焦炭发生热诱导重排而形成更强的焦炭。
                                                   表8
                                在不同的煅烧温度下制备的活化炭SSACS的性能
  样本组编号   煅烧温度(℃)   煅烧时间(min)   平均锻烧SSACS质量(g)   平均锻烧SSACS体积(立方英寸)   平均锻烧SSACS密度(g/cc)   平均锻烧SSACS电阻率(ohm-cm)  平均锻烧SSACS压碎强度(lbs)
  3256-07   200   40   8.08+/-0.03   0.837   0.589+/-0.009   12.8+/-0.8  141+/-27
  3256-08   300   40   6.99+/-0.02   0.823   0.518+/-0.014   3.45+/-0.37  371+/-49
  3256-09   400   40   6.70+/-0.01   0.818   0.500+/-0.014   5.27+/-0.93  324+/-54
  3256-10   500   40   6.51+/-0.02   0.822   0.484+/-0.005   4.56+/-0.29  229+/-21
  3256-11   600   40   6.41+/-0.01   0.811   0.482+/-0.006   2.38+/-0.12  211+/-21
  256-12   700   40   6.32+/-0.02   0.807   0.478+/-0.007   1.12+/-0.05  216+/-9
  3256-13   800   40   6.22+/-0.02   0.800   0.474+/-0.002   0.568+/-0.018  216+/-7
  3256-14   900   20   6.06+/-0.02   0.806   0.460+/-0.010   0.361+/-0.013  231+/-19
  3256-15   1000   20   6.01+/-0.02   0.790   0.464+/-0.004   0.253+/-0.010  241+/-13
实施例9：通过使用具有0.394g/cc的表观密度，1.11mm的平均粒径和1312mg/g的碘值的12×40筛目粒状活化炭来制备SSACS。用于这些SSACS的制备中的润湿溶液是氯化铵的10.0％溶液。该粘结剂是小麦粉。用于制备这些SSACS的程序是在实施例1中给出的，只是下面的改进除外。第一，用于制备各SSACS的润湿液体的质量是大约6.7g。其次，该碳-粘结剂-润湿溶液混合物通过使用300lbs的力来压实。和第三，各SSACS的粘结剂质量是大约3.00g。
以这一方式制备的六个SSACS的平均锻烧质量是5.87+/-0.01g。这些锻烧SSACS也显示了93+/-9磅的平均压碎强度，和0.437+/-0.004g/cc的平均密度。这六种SSACS的平均碘值是1086+/-3mg/g。
根据所给出的程序，这些SSACS中的每一种通过使用5.00g的粒状活化炭来制备。假设该粒状活化炭在制备中没有任何损失，大于5.00g的锻烧SSACS质量归因于碳化/锻烧粘结剂和可能的一些碳化试剂残留物。可以假设，该碳化/锻烧粘结剂最低限度地，即使有的话，对活化炭SSACS的总活性作出贡献。所以，在各SSACS中粒状活化炭的平均碘值是平均锻烧SSACS碘值乘以平均锻烧SSACS质量的乘积再除以5.00g。该值(1086mg/g*5.87g/5.00g)然后等于1275+/-6mg/g。当该值与粒状活化炭的碘值(1312mg/g)对比时，很明显粒状活化炭在形成为SSACS之后保持了它的最初活性的大约97％。
实施例10：通过首先将118.10g的粒状活化炭与153.55g的磷酸氢二铵的10.0溶液混合来制备较大的SSACS。该粒状活化炭是标称12×20筛目材料，它显示了0.507g/cc的表观密度和1196mg/g的碘值。在水溶液很好地分散在活化炭中和之上后，94.48g的小麦粉被添加到该活化炭-水溶液混合物中。该活化炭-润湿溶液-小麦粉混合物进一步被混合，直到小麦粉和润湿溶液均匀地分散在碳中和碳之上为止。将所获得的半塑性的物料放置于金属成形模头的矩形空腔中。这一模头体的矩形空腔被测定是大约2.3英寸宽和大约5.3英寸长。通过使用这一模头，半塑性的材料通过使用被施加了约三分钟的时间的3550磅的力来压实。该力的方向垂直于矩形模头体的平面。在压实和模头的拆卸之后，所获得的SSACS然后被放置于在大约100℃下操作的烘箱中以便进行一夜干燥。在干燥之后，干燥未煅烧SSACS被放置于不锈钢热处理袋(“Sen/pak”，The Sentry Company，Foxboro MA)中并在马弗炉中在大约950℃下在基本上惰性气氛中煅烧，达到大约1小时的马弗炉停留时间。需要指出，不锈钢袋的目的是减少在高温下SSACS对空气(氧)的偶然暴露的可能性。在煅烧之后，装袋的SSACS从马弗炉中取出和放入冷却室中。SSACS然后在基本上惰性气氛中被冷却到大约环境温度。对于煅烧和冷却，基本上惰性气氛是通过让氮气流流过马弗炉或冷却室来提供。所获得的SSACS具有144.10g的质量。该SSACS的尺寸是2.27英寸宽，5.17英寸长，和1.36英寸高。干燥、未煅烧的SSACS的尺寸分别是2.28，5.27，和1.38。因此，矩形活化炭SSACS在煅烧过程中发生一些轻微的收缩(～2％)。该SSACS具有非常好的、均匀的外观和经过反复的处置(handling)没有显著地变劣。这一结果说明通过使用本发明的教导有可能产生较大的SSACS。
实施例11：通过15.00g的80×325筛目粒状活化炭，12.00g的小麦粉，和21.15g的10.0％磷酸氢二铵溶液来制备蜂窝状SSACS。该混合物进行搅拌，直到获得均匀的半塑性混合物为止。该半塑性的混合物然后被加入到具有21个1/4英寸棒条体和大约2.05英寸的内径的圆柱形模头中，这些棒条体在圆柱形模头空腔周围并与它的主轴保持同轴地间隔分布。这些棒条体的这些位置通过在模头冲压活塞中的适当机加工的凹槽来固定。在将混合物放置于模头体中之后，混合物通过使用600-700磅的力来压实。该力被施加于混合物上达到约3分钟。所成形的结构体从模头中取出并在大约100℃下烘箱干燥一夜。所获得的干燥结构体然后被投入盖上盖子的坩锅中，以抑制对于空气的偶然暴露，并在950℃下在基本上惰性条件下加热30分钟。在这一加热之后，含有SSACS的坩锅被放入到冷却室中并在基本惰性气氛中冷却到接近环境温度。所获得的SSACS具有圆柱形的形状，18.8g的质量，和具有1.9英寸的外径和1.13英寸的高度。二十一个1/4英寸直径圆柱形孔存在于该SSACS中。这些孔沿着圆柱形SSACS并与圆柱形SSACS的主轴保持同轴地间隔分布。所获得的SSACS的强度足以承受反复的处置(handling)。SSACS的外观被判断是非常好，其中SSACS显示了不具有可见裂纹的均匀外表面。这一结果说明通过使用本发明的教导有可能产生蜂窝状的SSACS。
尽管前面已经详细地进行了描述，但是实施例和方法是为了阐明的目的而给出并没有限制意义。从说明书中可以认识到，本发明的各种改进以及其中的要素，变化，等同物，或改进的结合可由本领域中的那些技术人员来进行，并且仍然是在如在所附权利要求中定义的本发明范围内。

Claims (14)

1.生产自支持活化炭结构体的方法，该方法包括下列步骤：
a)混合粒状活化炭，粘结剂材料，碳化试剂和液体以制备半塑性的混合物，其中该粘结剂材料包括研磨的谷物粒，谷物粒粉或块茎粉，该碳化试剂不包括氯化锌；
b)通过使用大于或100磅/平方英寸的压实压力来压实该混合物以形成三维结构体；和
c)在非氧化性气氛中将该结构体加热到大于或300℃的高温，生产自支持活化炭结构体。
2.权利要求1的方法，进一步包括步骤d)将自支持活化炭结构体在非氧化性气氛中冷却至低于300℃的温度。
3.权利要求1的方法，包括在压实之后和在加热之前干燥该结构体。
4.权利要求1的方法，其中该活化炭具有低于No.4美国筛序筛目尺寸和大于No.325美国筛序筛目尺寸的粒度。
5.权利要求1的方法，其中该粒状活化炭是粒料或纤维状。
6.权利要求1的方法，其中碳化试剂在该液体中溶剂化，之后与该粒状活化炭和该粘结剂材料混合。
7.权利要求1的方法，其中该谷物粒是选自小麦，玉米，黑麦，燕麦，大米，大麦和它们的混合物。
8.权利要求1的方法，其中该谷物粒粉是小麦粉。
9.权利要求1的方法，其中块茎粉是马铃薯粉。
10.权利要求1的方法，其中步骤a)的半塑性混合物具有均匀的稠度。
11.权利要求1的方法，其中该液体是水。
12.权利要求1的方法，其中该碳化试剂选自氯化铵，磷酸氢二铵，碘化铵，溴化铵，硫酸铵，磷酸二氢铵，硫酸和磷酸，和它们的混合物。
13.权利要求1的方法，其中步骤a)含有五份的活化炭，对于每2-5份的该粘结剂材料。
14.权利要求1的方法，其中步骤a)含有一定量的液体，该量足以润湿该活化炭和该粘结剂材料。
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