CN1528510A - 木质车用活性炭及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种木质车用活性炭及其制备方法，它解决了现有技术生产的活性炭存在着成型与吸附性能、吸附性能与强度、活化程度与孔径结构之间相互矛盾的问题，提供一种具有高吸附容量、高强度、低残存、中孔发达的木质车用活性炭，以及生产工艺简单、成本低的木质车用活性炭的生产方法。本发明方法为：将木料和催化剂混合，再经过造型(造粒)、定型(炭化)、活化、烘干工序，制成高性能木质成型活性炭的制备方法。本发明产品具有高吸附、高强度的特点，且工艺流程大为缩短，生产成本大幅下降，为一次活化法生产高吸附、高强度木质炭奠定了基础，本产品1－5nm的中孔容积比例达到大于60％的高指标，且利用的原料范围广，产品质量稳定。
Description
(一)技术领域：
本发明涉及一种木质车用活性炭及其制备方法。
(二)背景技术：
活性炭在食品工业、化学工业、医药工业等行业中的广泛应用已经具有相当悠久的历史，但在汽车工业中的大量使用则源于上一世纪80年代，其原因是汽车的排放污染已对环境造成重大影响，各国政府相继出台了汽车排放法规，对汽车污染物的排放限值作出强制性规定。在我国，国家环保局1993年11月发布的《汽车燃油污染物排放标准》(GB 14761.3-93)中规定自1995年7月1日起定型、生产的轻型汽车必须安装燃油蒸发控制装置，从而使国内汽车行业自九十年代中期开始对车用活性炭有了较大需求。近年来，随着各国政府对排放标准的逐渐升级，对车用活性炭的要求也愈来愈高，车用炭产品的丁烷有效吸附容量已从6-9g/100ml提升到9-11g/100ml，并还有着进一步提高的趋势。特别是在未来几年即将推出的对加油站实行封闭加油的规则，对汽车碳罐的吸附性能提出了更高的要求，因此如若不想增大碳罐的体积，那么则希望车用活性炭的单位体积吸附性能能够进一步提高；另一方面，从车用活性炭所处的工况条件来看，要求车用活性炭在获得高吸附性能时，同时还要有较高的强度、较低的残存和采用成型方式以降低空气通过碳罐内活性炭层的流动阻力。
目前，国内外的车用活性炭主要有煤基车用活性炭和木质车用活性炭二大系列。
1)煤基车用活性炭。主要采用物理活化法生产，煤经过研磨加工成200目左右的煤粉，加入粘合剂挤压成型，然后在一定温度下炭化、活化制得活性炭产品。用该法生产的活性炭因受煤的性质和工艺条件的限制，难以生产出吸附量大、残存低、中孔发达的高档产品，其丁烷活性有效吸附值一般局限于6-10g/100ml难以满足车用活性炭目前和未来的要求。
2)木质车用活性炭。木质车用活性炭的生产方法主要分为物理法和化学法两种。物理法通常用阔叶树种的木炭为原料，由水蒸气作活化剂，在(80-100)℃高温条件下使水蒸气与碳发生化学反应制成。化学法是采用氯化锌、磷酸等化学药剂为活化剂，采用锯木屑为原料，经过配料混合、炭化、活化、浸提除去活化剂的方式制成。
用木料生产车用活性炭，如用物理法制备，因受反应机理的限制，仅改变工艺条件难以大幅度调整活性炭的孔结构，使产品性能达不到车用炭的要求。而采用化学法制备，则面临着三大技术难题，一是成型与吸附性能的矛盾，即便于成型的配方，经成型、活化后难以达到预定的吸附指标，而能达到吸附指标的配方往往难以成型；二是吸附性能与强度的矛盾，由于车用炭所处的工况条件，要求车用炭必须要有良好的强度，因此在提高车用活性炭吸附性能的同时，不能使其强度低于允许值；三是活化程度与孔径结构的矛盾，活化程度较低时，生成孔径小的孔隙数量相对较多，但绝对量不足，活化程度变大，孔径大的孔隙数量增加，孔径小的相对孔隙体积减少，这样一来，也难以达到高的丁烷吸附指标。鉴于以上原因，欧洲专利(0423967A)认为：“利用木材生料直接生产硬质粒状炭，存在许多技术问题”；并声称：“生产高吸附、高硬度活性炭是不可能的”。而美国Westvaco公司1987年的专利(4,677,086)和2003年的专利(20030020198)，则采用将磷酸法制得颗粒活性炭，经粉碎、加粘合剂研磨、成型、干燥或萃取溶剂、热处理的二次重聚法来制造木质成型活性炭。其不足之处在于工艺路线长、生产周期长、成本高。
(三)发明内容：
本发明解决了现有技术生产的活性炭存在着：成型与吸附性能、吸附性能与强度、活化程度与孔径结构之间相互矛盾的问题，提供一种具有高吸附容量、高强度、低残存、中孔发达的木质车用活性炭。
本发明还解决了现有木质车用活性炭的生产方法存在着工序复杂、成本高的缺陷，提供一种生产工艺简单、成本低的木质车用活性炭的生产方法。
本发明活性炭的性能如下：外观为黑色球状或柱状。柱状直径为φ1.8-2.3mm；球状粒度：4～8目；8～20目；20～40目；活性为11.0-18.0g/100ml、有效吸附值WC为9.5-15.5g/100ml、表观密度为0.28-0.35g/ml、柱状炭强度≥85％，球状炭强度≥60％的木质车用活性炭。
本发明的制备方法如下：包括：将木料和催化剂混合、活化、漂洗、烘干工序，其特征在于：在木料与催化剂混合的工序后、活化工序前，还包括造型和定型工序。
本发明的优点：
1、采用本发明方法，可使软质原料只需经过一次活化法即可制造高吸附、高强度的木质车用活性炭。
2、与美国Wesvaco公司1987年专利(4,677,086)和2003年专利(20030020198)的重聚法相比：工艺流程大为缩短，生产成本大幅下降。
3、在国内外普遍采用添加剂生产成型活性炭的工艺情况下，本发明木质成型炭的无粘结剂成型工艺，为一次活化法生产高吸附、高强度木质炭奠定了基础。
4、采用本发明方法生产的产品的质量不受原料品种差异的影响，在保证产品质量稳定、均一的情况下，可使用各种混合锯屑作为原料，扩大了原料使用范围，降低了原料成本。
5、解决了制造条件和微孔结构变化之间关系的技术难题，有针对性地对产品的孔径结构进行有效的调整。从原材料处理到产品产出全过程设定孔径调整工艺参数，使产品达到在总孔容积保持不变的情况下，1-5nm的中孔容积比例大于60％的高指标。
(四)附图说明：
图1为本发明的一种较佳的工艺流程图。
(五)具体实施方式：
发明的实施方案如图1所示：
1、原料：本发明使用的原料——木料没有特别的限制，只要经过活化能形成活性炭者都行。例如：椰子壳、杏壳、棕榈壳、木粉、锯屑、木片、刨花等。木料的形状也没有特别的限制，粒状、片状、粉状、纤维状等各种形状都可以使用，从便于提高效率考虑，以40-100目的粒度优选。
2、催化剂：在化学法活化工艺中历来采用的有磷酸、氯化锌、硫酸、氯化钙、氢氧化钠、重铬酸钾、高锰酸钾等具有氧化性的药剂，从要达到高丁烷吸附值这点考虑，以采用磷酸、氯化锌为优选。磷酸、氯化锌的用量以相对于木料(按干基计)0.3-2.0重量比为优选。
3、混合(投料)：将木料和催化剂在可加热的混合机中进行混合，加热温度控制在30-140℃，其中以80-140℃为优选，混合时间1～4小时为优选。
4、造型：为了增加粘度，将混合料置于捏合机进行搅拌，并加热90～150℃为优选，加热时间2～3小时。然后将捏合后的炭料置于造型机中进行造型(粒)。根据具体规格要求，决定球状或柱状成型。
5、定型(炭化)：定型过程也就是炭化过程，为提高颗粒强度，保持颗粒外形以便使之定型(即炭化)，定型(炭化)采用外热式不锈钢转炉，定型(炭化)终温为60～140℃为优选，定型时间2～6小时为优选。
6、活化：为了使产品获得丰富的表面积和丁烷活性，采用外热式不锈钢转炉。在温度400～700℃进行活化，活化时间以2～12小时为优选。
7、再经过检验、加水加热漂洗、回收磷酸、检验、烘干、筛选、检验等已有的工序后即可包装入库。
实施例一：
将氯化锌配制成波美度60的水溶液与锯屑(水份10％以下)按重量比3∶1的比例混合，然后经过混合、造型、定型、炭化、活化、漂洗、烘干制成产品。其工艺条件如表1所示，制备的活性炭产品性能如表2所示：
表1：
| 项目 | 参数 | ||
| 混合工艺条件 | 温度 | 140℃ | |
| 时间 | 2小时 | ||
| 造型工艺条件 | 成型压力(MPa) | 球状炭 | 25 |
| 柱状炭 | 25 | ||
| 定型(炭化)工艺条件 | 升温速度 | 5℃/分钟 | |
| 定型终温 | 140℃6小时 | ||
| 活化工艺条件 | 温度 | 500℃ | |
| 时间 | 3小时 | ||
表2
| 项目 | 指标 |
| 外观 | 黑色柱状 |
| 直径(mm) | φ(1.8-2.3)mm |
| 丁烷活性(g/100ml) | 18.5g/100ml |
| 丁烷有效吸附值WC(g/100ml) | 15.5g/100ml |
| 表观密度(g/ml) | 0.285g/ml |
| 强度(％) | ≥85％ |
实施例二：
将80％磷酸与锯屑(水份10％以下)按重量比2∶1的比例混合，然后经过混合、造型、定型、炭化、活化、漂洗、烘干制成产品。其工艺条件如表3所示，制备的活性炭产品性能如表4所示：
表3：
| 项目 | 参数 | |
| 混合工艺条件 | 温度 | 140℃ |
| 时间 | 2小时 | ||
| 造型工艺条件 | 成型压力(MPa) | 球状炭 | 25 |
| 柱状炭 | 25 | ||
| 定型(炭化)工艺条件 | 升温速度 | 5℃/分钟 | |
| 定型终温 | 140℃/6小时 | ||
| 活化工艺条件 | 温度 | 480℃ | |
| 时间 | 4小时 | ||
表4
| 项目 | 指标 |
| 外观 | 黑色球状 |
| 直径(mm) | (8-20)目 |
| 丁烷活性(g/100ml) | 18.2g/100ml |
| 丁烷有效吸附值WC(g/100ml) | 15.3g/100ml |
| 表观密度(g/ml) | 0.29g/ml |
| 强度(％) | ≥60％ |
本发明应用于汽车燃油挥发回收装置(俗称炭罐)的一种新型高吸附性能的活性炭，有效减少汽车污染的排放。
Claims (9)
1.一种木质车用活性炭，其特征在于：它的外观为黑色球状或柱状，柱状直径为φ1.8-2.3mm、球状粒度4～8目、8～20目、20～40目，活性为11.0-18.0g/100ml、有效吸附值WC为9.5-15.5g/100ml、表观密度为0.28-0.35g/ml、柱状炭强度≥85％、球状炭≥60％的木质车用活性炭。
2.一种木质车用活性炭的制备方法，包括：将木料和催化剂混合、活化、漂洗、烘干工序，其特征在于：在木料与催化剂混合的工序后、活化工序前，还包括造型和定型工序。
3.根据权利要求2所述的木质车用活性炭的制备方法，其特征在于：木料为经过活化能形成活性炭的物质。
4.根据权利要求3所述的木质车用活性炭的制备方法，其特征在于：木料为椰子壳、杏壳、棕榈壳、木粉、锯屑、木片、刨花，40-100目的粒度优选。
5.根据权利要求4所述的木质车用活性炭的制备方法，其特征在于：所述的催化剂有磷酸、氯化锌、硫酸、氯化钙、氢氧化钠、重铬酸钾、高锰酸钾药剂；其中以磷酸、氯化锌为优选，磷酸、氯化锌的用量以相对于木料(按干基计)0.3-2.0重量比为优选。
6.根据权利要求5所述的木质车用活性炭的制备方法，其特征在于：混合应在可加热的混合机中进行，加热温度控制在30-140℃，其中以80-140℃为优选，混合时间1～4小时为优选。
7.根据权利要求6所述的木质车用活性炭的制备方法，其特征在于：造型是将混合料置于捏合机内进行搅拌，并加热90～150℃为优选，加热时间2～3小时，然后将捏合后的炭料置于造型机中进行造型。
8.根据权利要求7所述的木质车用活性炭的制备方法，其特征在于：采用外热式不锈钢转炉，对上述造型颗粒进行定型，定型终温以60～140℃为优选，时间以2～6小时为优选。
9.根据权利要求8所述的木质车用活性炭的制备方法，其特征在于：将定型后的颗粒采用外热式不锈钢转炉，在温度400～700℃进行活化，活化时间以2～12小时为优选。
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