CN1330567C - 制造具有构架的活性炭结构的方法 - Google Patents

Abstract

本文所披露的是关于制造具有强大吸附功能和强度的活性炭的制造方法。该方法的步骤包括：加入碳纤维作为活性炭的加强料，在架构模具中塑造活性炭混合物，其中该混合物由带有碳纤维的活性炭和用作粘合剂的沥青组成，将活性炭混合物碳化，使活性炭结构包容架构。该架构采用可防止炭化的金属制成。根据其用途不同，该架构外形可多样化。

Description

制造具有构架的活性炭结构的方法

技术领域

本发明涉及到一种制造活性炭结构的方法，这是一种可以出色完成吸附和强度功能的构架。

背景技术

活性炭具有一个庞大的比表面积(约1500平方米/克)，因含有许多微孔，它被广泛地用来祛除存在于空气、水等流动性物质当中的有机物质。

在使用活性炭时有许多弊端。首先，使用一个包裹或者滤筒，由网状物和类似的东西把活性炭固定在粒子状态。这种情况下会产生吸附力和反应设备所造成的压力下落，因为要控制活性炭在包裹或者滤筒内的某种包裹因素是很困难的。然后，活性炭应当被填装在一个滤筒内作为吸附材料或是催化剂，并能够轻易在风的作用下被吹散。其次，当被连续使用时，活性炭一般被填装在一个特殊的仪器里，以便进行钝化后的分离，但是，由于活性炭颗粒如此之小，一般会产生仪器的压力回落现象。

为了克服上述弊端，许多试验都进行过了，比如：使用粘合剂制成形似蜂巢的过滤性结构；增大活性炭颗粒的体积。当使用粘合剂来制造活性炭结构时，粘合剂可能会堵塞其微孔，减少该结构的比表面积，并且使吸附能力大打折扣。例如，把活性炭粉末和水溶淀粉混合在一起，组成活性炭结构，以及烘干活性炭组织，即使这些步骤在组成一个特殊结构时都会很有用处，但粘合剂堵塞了活性炭结构的微孔，致使某个较低表面面积缩小。而且，在有水的进程中，或在超过淀粉的燃烧温度时，使用淀粉来做粘合剂的方式是行不通的。

粘合剂(比如淀粉)和活性炭的粘合力很弱，当粘合剂容量偏低的时候，含有淀粉和活性炭的活性炭结构很容易被破坏。当粘合剂容量偏高的时候，活性炭某个具体表面会变低，从而破坏吸附力。

因此，在碳化过程中，可转碳的黏合剂与活性炭粉末或颗粒混合，从而把整个含有粘合剂和活性炭粉末或颗粒的物质转化成碳。这种方法可以在相对较高的温度下进行，所以活性炭比表面积的减少量则较低。也就是说，粘合剂在碳化过程中被碳化并保持其状态了，这样以来，结构的稳固性可以保持不变，结构的比表面积减少度也低，因为在高温蒸发过程中粘合剂的挥发性物质产生了一些微孔。总之，粘合剂在此的目的就是充当热塑树脂。

第303,239号韩国专利揭示了一种粘合剂，比如用来固定活性炭用于制造碳纤维过滤式吸附剂的沥青或热塑树脂。

当沥青被用做粘合剂时，与碳纤维混合后热处理一般在400摄氏度左右进行。在热处理过程中，沥青被变成meso-phase并附着于碳纤维上。然而，在热处理过程中，由于沥青可以被转变成一种抗热的聚合体，它没有微孔是意料之中的。因此，万一某块沥青的量过大或碳纤维的厚度过大，碳纤维原来的微孔可以堵塞，但更深一层的碳纤维微孔可能因此而失去活性。如此一来，增大比表面积是很困难的事情。如果填加了那小部分活性炭粉，拉力强度便增高，但比表面积的减少量很高。

此外，第302,472号韩国专利揭示了一种通过高温热处理把粘合剂转变成碳的方法，其中，热弹性或热塑性聚合物作为粘合剂，而活性炭粉通过该粘合剂附着在无机物过滤器或金属网上。在这种情况下，附着在金属网或无机物过滤器上的活性炭粉量是有限制的。此外，由于在对热塑性聚合物进行硬化后热塑性聚合物可稳定加热，因比对已稳定的热塑性聚合物进行碳化可能需要大量的能量和时间。而且，作为粘合剂的热弹性或热塑性聚合物的产量较低，因此在增加粘合剂用量时，比表面面积会减少。也就是说，尽管活性炭结构的强度随着粘合剂的增加而增加，但比表面面积会减小。

如上所述，使用符合传统相关技术的粘合剂可轻松进行铸模。如果将淀粉作为粘合剂，则此粘合剂可能会阻塞一些微孔，并且会降低活性炭结构的吸附力。如果通过将热塑性聚合物作为粘合剂而使活性炭粉附着在结构上，则通过更低温度的预热处理，热塑性聚合物会进行分解，而在温度更高时会进行碳化。在前一种情况(使用淀粉)中，热处理温度可能因粘合剂的特性而异。而在后一种情况(使用热塑树脂)中，碳化会消耗大量时间和能量。

此外，由于该粘合剂的粘性较高，难以使活性炭与该粘合剂相混合，因此在使用传统方法制造活性炭结构时温度较高。而且还使用了溶剂来稀释使用传统方法制作的粘合剂。当使用溶剂时，碳化步骤会较为复杂。此外，在热处理过程中会产生气泡，因此可能不会很好地形成活性炭结构。随着粘合剂的用量增加，活性炭结构的强度也不断提高。但粘合剂可能会阻塞活性炭的微孔，从而减小了比表面面积。

因此，强烈需要设计一种具有高抗张强度的活性炭结构，该结构能够抵抗高温，并且具有高吸附能力，可延长新结构的交换期。

发明内容

因此，本发明的目标是提供具有以下构架的活性炭结构：活性炭结构在该构架中具有出色的吸附力和强度。

因此，本发明的另一个目标是提供能够制作诸如蜂窝型、圆盘型或锚链型等各种形状的活性炭结构。

为实现上述目标，制作了在结构中具有增强构架的活性炭结构，以便能够制作大型结构，以及提高结构的强度。此外，通过使用作为粘合剂的沥青与活性炭粉的混合物会略微减小活性炭结构的比表面面积。

本发明的实施方案中，介绍了带构架的活性炭结构的制作方法，步骤如下：首先，按约100重量份的活性炭粉、约5～40重量份的粘合剂、约5～30重量份的加强材料这一比例制作活性炭混合物。其次，将预定形状的构架安装在铸模中。然后，将活性炭混合物填充在铸模与构架之间；再者，在50℃～300℃的温度下，对活性炭混合物预热10～30分钟。然后，在惰性气体下，将活性炭混合物放进熔炉中在温度为400℃～1000℃下碳化1～15小时。最后，在惰性气体下，输入蒸汽或二氧化碳，将碳化混合物冷却并活化。

根据本发明的首选实施方案，粘合剂是柏油、杂酚油、软沥青和硬沥青中的一种。加强材料中含有长度约为1～20mm的碳化纤维。构架是铁、不锈钢、镍、镍合金、铝、铜及其混合物中的一种。构架是由粗糙表面形成，有利于加强粘附强度，其表面由约0.1mm厚的沥青构成。在制作活性炭混合物步骤中，活性炭混合物还包括贵金属催化剂或金属氧化物催化剂。该贵金属催化剂或金属氧化物催化剂可被活性炭结构吸收。

附图说明

通过参考附图详细说明首选实施方案，本发明的上述目标及其它优点就很明显了：图1是含有部分俯视图的透视图，显示了采用金属多孔板铸模制造的蜂巢型活性炭的结构；图2是一透视图，显示了带有金属棒的蜂巢型活性炭的结构；图3是一透视图，示例说明固定多数蜂巢型活性炭的结构；图4是一透视图，显示层叠堆积的棒型活性炭的结构；图5是一个分离透视图，分别显示了蜂巢型结构的底端铸模和顶端铸模，以及金属多孔板铸模；图6是一组合透视图，显示了蜂巢型结构的底端铸模和顶端铸模以及金属多孔板铸模，其中，活性炭混合物与活性炭、碳化纤维相混合，而粘合剂填充在组合铸模中；图7是一制造棒型活性炭结构的解释透视图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对实施发明的最佳方式以及本发明的首选实施方案进行详细说明。值得注意的是，为了简化图形与解释，会使用一些参考数字来对零件或相似产品进行标注。

本发明的实施方案中，介绍了带构架的活性炭结构的制作方法，步骤如下：首先，制作活性炭混合物，该混合物由约100重量份的活性炭粉、5～40重量份的粘合剂中、5～30重量份的加强材料组成。其次，将预定形状的构架安装在铸模中。然后，将活性炭混合物填充在铸模与构架之间；再者，在50℃～300℃的温度下，对活性炭混合物预热10～30分钟。然后，在惰性气体环境下，将活性炭混合物放进熔炉中在温度为400℃～1000℃下碳化1～15小时。最后，在惰性气体下，输入蒸汽或二氧化碳，将碳化混合物冷却并活化。

预热步骤是为了更好地将粘合剂放入加强材料当中。碳化步骤必须在惰性气体下执行，如氮气、氩气等，这有利于防止火灾。如果在氧气中执行，碳化步骤中的热处理会很危险。再者，通过活化碳化混合物，可扩大活性炭结构的微孔，或清除活性炭结构表面未发生反应的物质，这样就可增加比表面积，从而省去了传统方法中的通过升温来活化的步骤。粘合剂是柏油、杂酚油、软沥青、硬沥青及它们混合物的一种，可以是固状或液状，使用时可为固体与液体混合物，也可为单独的固体或液体。

一般而言，最好采用软化点高于室温的粉末状沥青。如果采用液状沥青，粘度是一个重要的加工因素。通过升温或将沥青与重油(液状杂酚油等)混合，可控制沥青的粘度，从而控制活性炭与粘合剂之间的流动性，也更易于混合活性炭与粘合剂。

根据本发明中的实施方案，当粘合剂均匀地放入活性炭粉中时，强度是恒定的，且比表面积的减少量会很低。粘合剂量较高的部分的强度高，比表面积的减少量也很高。粘合剂量较少的部分的强度低，比表面积的减少量也低。根据本发明的实施方案，当软化温度高于60℃的沥青用作粘合剂时，沥青易于与活性炭和加强材料混合，因为沥青呈粉末状；当均匀混合的活性炭混合物保存在高于软化温度的环境中时，均匀分配在活性炭混合物中的沥青粉末会液化，液化后，并可涂于活性炭、构架和加强材料的表面。因此与采用液体粘合剂形成的结构相比，该种结构质量更好，主要是因为采用了均匀混合。

煤焦沥青具有一个60到100℃的软化点，在室温下保持固体状态，还有一种芳香的碳氢混合物。这和混合物具有高分子重量，所以沸点很高。而且，当煤焦沥青发热时，容易发生聚合反应。煤焦沥青在三与一个碳一碳链上含有苯环，以使碳氢的比例变高，在1.6-1.9左右。因此，当它被热处理分解时，会产生很大变化；结合剂对于活性炭结构是合适的。当沥青被用作结合剂时，挥发量很小，从而使沥青几乎变为碳，碳转化力就增高了。所以，哪怕只使用少量的沥青，活性炭结构的力也增加了，碳化就能在短时间内发生。另外，在碳化的过程中，由于挥发成分的形成作用，比表面积的减少率很小，

根据本发明的一个运作方式，带有构架的活性炭结构包括一个长度为1～20mm的碳纤维加强材料。由于把碳纤维用作加强材料，与只使用结合剂的情况相比，活性炭结构具有更高的强度。

根据本发明的一个运作方式，构架主要是钢、不锈钢、镍、镍合金、铝、铜及其混合物。此外，构架由一个粗糙的表面构成，以增强粘合力；还包含一个厚度在0.1mm以上的沥青表面层。粗糙的表面因此增加了表面面积，也增加了构架与活性炭之间的粘合力。表面层是通过构架上的液化沥青形成的，并在碳化过程中变为碳表面层，从而维持与活性炭混合物12之间的粘合力。

如果构架为杆式31，那么杆的直径大约为1～20mm。如果构架为网式，那么网的厚度为0.1mm左右，圆形或矩形孔为10mm左右。

此外，在制造活性炭混合物的过程中，贵金属催化剂或金属氧化物催化剂可以为活性炭结构所吸收。贵金属催化剂或金属氧化物催化剂的用量可以根据反应的目的来添加，添加有贵金属催化剂或金属氧化物催化剂的活性炭的温度在碳化的过程中会增加。然后，贵金属催化剂或金属氧化物催化剂被分解，活性炭结构也就包含了催化剂。就是说，吸收催化剂活性成分的步骤可以减去，这样可以增加产量并节省能量与成本。

此后，本发明的示范通过图1至图7进行详述。

示范1：杆式活性炭结构。本发明提供了一种使用杆式构架31制造活性炭结构的方法。根据本发明的这种示范，构架是一个直径为1至20毫米的矩形或圆形。首先，构架安装在32或33的模子上。第二，在32或33的模子上填入活性炭混合物，混合物由大约100重量份的活性炭、15至20重量份的结合剂与10至15重量份的加强材料混合而成。第三，移去32或33模子并以100℃左右的温度对活性炭混合物预先加热10分钟。然后，以400℃左右的温度对预先加热的活性炭混合物进行碳化并激活达1小时，杆式活性炭结构就制成了。

根据本发明的一个运行示范，须提供一个吸附仪器。如图4所示，杆式活性炭结构在吸附器里互相交叉，从而减小吸附器的压降并增加吸附量。

示例2：蜂窝型活性炭结构。蜂窝型活性炭结构。在本发明的具体实例中提供了制作带孔的蜂窝型活性炭结构10或20的方法。

首先，提供了金属网或带孔13b(如图5所示)的金属板13。

根据本发明的一个运作方式，每个孔13b的大小与活性炭结构的孔眼或气孔11(如图1、2、3所示)大小基本相同或较大。其次，在其中具有多个杆的蜂窝型铸模61、63中，填充了按照100重量份活性炭、约15～20重量份粘合剂以及10～15重量份加强材料这一比例混合的活性炭混合物。每个杆将作为该结构的气孔。第三，移除了铸模61、63，并以100C的温度对活性炭混合物进行了10分钟预热。然后，以400C的温度对预热的活性炭混合物进行了1小时的碳化和活化，以便制造至少具有1个气孔11的蜂窝型活性炭结构(图1中的10和图2中的20)。

根据本发明的一个运作方式，可在蜂窝型活性炭结构10、20中形成气孔的蜂窝型铸模61、63中的多个杆62可附着在包含多个孔(63a)的底部铸模(61)和顶部铸模(63)上。多个杆62可刺透顶部铸模(63)并穿过多个孔(63a)，从而固定在底部铸模(61)上。根据本发明的一个首选运作方式，多个杆(62)和多个孔(63a)均为矩形。

由于可根据金属网或金属板13的大小制造结构10，因此可制造大型蜂窝型活性炭结构10。

如图5所示，通过固定金属板13上的孔(图5中的13a)可固定结构10，因此可轻松将该结构固定在吸附设备的导管中、墙壁上等等。

尽管在本文中已参照附带的草图对本发明的图例进行了描述，但应理解，本发明并不局限于这些精确的实例，熟练掌握该技术的人员在不偏离本发明的范围或精神的情况下可进行其他各种更改或修改。

根据本发明的一个运作方式，活性炭混合物包含活性炭粉或碳粒、作为加强材料的碳化纤维、作为将活性炭粉或碳粒粘附到金属构架上的粘合剂的沥青。活性炭混合物附着在金属构架并进行碳化，从而使具有混合物和构架的活性炭结构硬化。此外还可根据构架的形状制造大型活性炭结构。

而且，这不需要固定活性炭结构的机架，因此节约了制造成本并防止了由机架造成的压力下降。活性炭结构可具有各种形状，可轻松附加到吸附设备上或从吸附设备上分开，并且具有出色的强度，因此通过减小吸附设备的重量以及简化吸附设备而节省了制造成本。

Claims (4)

1.一种制造具有构架的活性炭结构的方法，其包含以下步骤：

首先，按100重量份的活性炭粉、5～40重量份的粘合剂、约5～30重量份的加强材料这一比例制作活性炭混合物；其中，所述粘合剂为焦油、柏油、杂酚油、软沥青和硬沥青中的一种，所述加强材料中含有长度为1～20mm的碳化纤维；

其次，将预定形状的构架安装在铸模中；

然后，将活性炭混合物填充在铸模与构架之间；

再者，在50℃～300℃的温度下，对活性炭混合物预热10～30分钟；

然后，在惰性气体环境下，将活性炭混合物放进熔炉中在温度为400℃～1000℃的条件下碳化1～15小时；

最后，在惰性气体下，输入蒸汽或二氧化碳，将碳化混合物冷却并活化。

2.如权利要求1所述的方法，其特征为：构架为铁、不锈钢、镍、镍合金、铝、铜及其混合物中的一种。

3.如权利要求1所述的方法，其特征为：构架是由粗糙表面形成，有利于加强粘附强度，其表面由0.1mm厚的沥青构成。

4.如权利要求1所述的方法，其特征为：在制作活性炭混合物步骤中，活性炭混合物还包括贵金属催化剂或金属氧化物催化剂，该贵金属催化剂或金属氧化物催化剂可被活性炭结构吸收。

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