專利名稱：制造具有構(gòu)架的活性碳結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種制造活性碳結(jié)構(gòu)的方法，這是一種可以出色完成吸附和強度功能的構(gòu)架。
背景技術(shù)：
活性碳具有一個龐大的精確表面積(約1500平方米/克)，因含有許多微孔，它被廣泛地用來祛除存在于空氣、水等流動性物質(zhì)當中的有機物質(zhì)。
在使用活性碳時有許多弊端。首先，使用一個包裹或者濾筒，由網(wǎng)狀物和類似的東西把活性碳固定在粒子狀態(tài)。這種情況下會產(chǎn)生吸附力和反應設(shè)備所造成的壓力下落，因為要控制活性碳在包裹或者濾筒內(nèi)的某種包裹因素是很困難的。然后，活性碳應當被填裝在一個濾筒內(nèi)作為吸附材料或是催化劑，并能夠輕易在風的作用下被吹散。其次，當被連續(xù)使用時，活性碳一般被填裝在一個特殊的儀器里，以便進行鈍化后的分離，但是，由于活性碳顆粒如此之小，一般會產(chǎn)生儀器的壓力回落現(xiàn)象。
為了克服上述弊端，許多試驗都進行過了，比如使用粘合劑制成形似蜂巢的過濾性結(jié)構(gòu)；增大活性碳顆粒的體積。當使用粘合劑來制造活性碳結(jié)構(gòu)時，粘合劑可能會堵塞其微孔，減少該結(jié)構(gòu)的某個表面積，并且使吸附能力大打折扣。例如，把活性碳能量和水溶淀粉混合在一起，組成活性碳結(jié)構(gòu)，以及烘干活性碳組織，即使這些步驟在組成一個特殊結(jié)構(gòu)時都會很有用處，但粘合劑堵塞了活性碳結(jié)構(gòu)的微孔，致使某個較低表面面積縮小。而且，在有水的進程中，或在超過淀粉的燃燒溫度時，使用淀粉來做粘合劑的方式是行不通的。
粘合劑(比如淀粉)和活性碳的粘合力很弱，當粘合劑容量偏低的時候，含有淀粉和活性碳的活性碳結(jié)構(gòu)很容易被破壞。當粘合劑容量偏高的時候，活性碳某個具體表面會變低，從而破壞吸附力。
因此，在碳酸鹽轉(zhuǎn)換過程中，可轉(zhuǎn)炭的黏合劑與活性碳能量或顆?；旌希瑥亩颜麄€含有粘合劑和活性碳能量或顆粒的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成碳。這種方法可以在相對較高的溫度下進行，所以活性碳具體表面積的減少量則較低。也就是說，粘合劑在碳酸鹽轉(zhuǎn)化過程中被碳酸化并保持其狀態(tài)了，這樣以來，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性可以保持不變，結(jié)構(gòu)的具體表面面積減少度也低，因為在高溫蒸發(fā)過程中粘合劑的揮發(fā)性物質(zhì)產(chǎn)生了一些微孔?？傊澈蟿┰诖说哪康木褪浅洚敓崴軜渲?。
第303,239號韓國專利揭示了一種粘合劑，比如用來固定活性碳用于制造碳光纖過濾式吸附劑的瀝青或熱塑樹脂。
當瀝青被用做粘合劑時，與碳光纖混合后熱處理一般在400攝氏度左右進行。在熱處理過程中，瀝青被變成meso-phase并附著于碳光纖上。然而，在熱處理過程中，由于瀝青可以被轉(zhuǎn)變成一種抗熱的聚合體，它沒有微孔是意料之中的。因此，萬一某塊瀝青的量過大或碳光纖的厚度過大，碳光纖原來的微孔可以堵塞，但更深一層的碳光纖微孔可能因此而失去活性。如此一來，增大某個具體表面面積是很困難的事情。如果填加了那小部分活性碳粉，拉力強度便增高，但具體表面面積的減少量很高。
此外，第302,472號韓國專利揭示了一種通過高溫熱處理把粘合劑轉(zhuǎn)變成碳的方法，其中，熱彈性或熱塑性聚合物作為粘合劑，而活性碳粉通過該粘合劑附著在無機物過濾器或金屬網(wǎng)上。在這種情況下，附著在金屬網(wǎng)或無機物過濾器上的活性碳粉量是有限制的。此外，由于在對熱塑性聚合物進行硬化后熱塑性聚合物可穩(wěn)定加熱，因此對已穩(wěn)定的熱塑性聚合物進行碳化可能需要大量的能量和時間。而且，作為粘合劑的熱彈性或熱塑性聚合物的產(chǎn)量較低，因此在增加粘合劑用量時，比表面面積會減少。也就是說，盡管活性碳結(jié)構(gòu)的強度隨著粘合劑的增加而增加，但比表面面積會減小。
如上所述，使用符合傳統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的粘合劑可輕松進行鑄模。如果將淀粉作為粘合劑，則此粘合劑可能會阻塞一些微孔，并且會降低活性碳結(jié)構(gòu)的吸附力。如果通過將熱塑性聚合物作為粘合劑而使活性碳粉附著在結(jié)構(gòu)上，則通過更低溫度的預熱處理，熱塑性聚合物會進行分解，而在溫度更高時會進行碳化。在前一種情況(使用淀粉)中，熱處理溫度可能因粘合劑的特性而異。而在后一種情況(使用熱塑樹脂)中，碳化會消耗大量時間和能量。
此外，由于該粘合劑的粘性較高，難以使活性碳與該粘合劑相混合，因此在使用傳統(tǒng)方法制造活性碳結(jié)構(gòu)時溫度較高。而且還使用了溶劑來稀釋使用傳統(tǒng)方法制作的粘合劑。當使用溶劑時，碳化步驟會較為復雜。此外，在熱處理過程中會產(chǎn)生氣泡，因此可能不會很好地形成活性碳結(jié)構(gòu)。隨著粘合劑的用量增加，活性碳結(jié)構(gòu)的強度也不斷提高。但粘合劑可能會阻塞活性碳的微孔，從而減小了比表面面積。
因此，強烈需要設(shè)計一種具有高抗張強度的活性碳結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠抵抗高溫，并且具有高吸附能力，可延長新結(jié)構(gòu)的交換期。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目標是提供具有以下構(gòu)架的活性碳結(jié)構(gòu)活性碳結(jié)構(gòu)在該構(gòu)架中具有出色的吸附力和強度。
因此，本發(fā)明的另一個目標是提供能夠制作諸如蜂窩型、圓盤型或錨鏈型等各種形狀的活性碳結(jié)構(gòu)。
為實現(xiàn)上述目標，制作了在結(jié)構(gòu)中具有增強構(gòu)架的活性碳結(jié)構(gòu)，以便能夠制作大型結(jié)構(gòu)，以及提高結(jié)構(gòu)的強度。此外，通過使用作為粘合劑的瀝青與活性碳粉的混合物會略微減小活性碳結(jié)構(gòu)的比表面面積。
本發(fā)明的實施方案中，介紹了帶構(gòu)架的活性碳結(jié)構(gòu)的制作方法，步驟如下首先，按約100重量(wt)的活性碳粉、約5～40wt的粘合劑、約5～30wt的加強材料這一比例制作活性碳混合物。其次，將預定形狀的構(gòu)架安裝在鑄模中。然后，將活性碳混合物填充在鑄模與構(gòu)架之間；再者，在50℃～300℃的溫度下，對活性碳混合物預熱10～30分鐘。然后，在惰性氣體下，將活性碳混合物放進熔爐中(溫度為400℃～1000℃)碳化1～15小時。最后，在惰性氣體下，輸入蒸汽或二氧化碳，將碳化混合物冷卻并活化。
根據(jù)本發(fā)明的首選實施方案，粘合劑是柏油、雜酚油、軟瀝青和硬瀝青中的一種。加強材料中含有長度給為1～20mm的碳化纖維。構(gòu)架是鐵、不銹鋼、鎳、鎳合金、鋁、銅及其混合物中的一種。構(gòu)架是由粗糙表面形成，有利于加強粘附強度，其表面由約0.1mm厚的瀝青構(gòu)成。活性碳混合物還包括一種前體物質(zhì)，可作為貴金屬或金屬氧化物催化劑使用在制作活性碳混合物步驟中?；钚蕴冀Y(jié)構(gòu)支持貴金屬或金屬氧化物催化劑。


通過參考附圖詳細說明首選實施方案，本發(fā)明的上述目標及其它優(yōu)點就很明顯了圖1是含有部分俯視圖的透視圖，顯示了采用金屬多孔板鑄模制造的蜂巢型活性碳的結(jié)構(gòu)；圖2是一透視圖，顯示了帶有金屬棒的蜂巢型活性碳的結(jié)構(gòu)；圖3是一透視圖，示例說明固定多數(shù)蜂巢型活性碳的結(jié)構(gòu)；圖4是一透視圖，顯示層疊堆積的棒型活性碳的結(jié)構(gòu)；圖5是一個分離透視圖，分別顯示了蜂巢型結(jié)構(gòu)的底端鑄模和頂端鑄模，以及金屬多孔板鑄模；圖6是一組合透視圖，顯示了蜂巢型結(jié)構(gòu)的底端鑄模和頂端鑄模以及金屬多孔板鑄模，其中，活性碳混合物與活性碳、碳化纖維相混合，而粘合劑填充在組合鑄模中；圖7是一制造棒型活性碳結(jié)構(gòu)的解釋透視圖。
具體實施例方式
在下文中，將參考附圖對實施發(fā)明的最佳方式以及本發(fā)明的首選實施方案進行詳細說明。值得注意的是，為了簡化圖形與解釋，會使用一些參考數(shù)字來對零件或相似產(chǎn)品進行標注。
本發(fā)明的實施方案中，介紹了帶構(gòu)架的活性碳結(jié)構(gòu)的制作方法，步驟如下首先，制作活性碳混合物，該混合物由活性碳粉中的約100重量(wt)部分、粘合劑中的5～40wt部分、加強材料中的5～30wt部分組成。其次，將預定形狀的構(gòu)架安裝在鑄模中。然后，將活性碳混合物填充在鑄模與構(gòu)架之間；再者，在50℃～300℃的溫度下，對活性碳混合物預熱10～30分鐘。然后，在惰性氣體下，將活性碳混合物放進熔爐中(溫度為400℃～1000℃)碳化1～15小時。最后，在惰性氣體下，輸入蒸汽或二氧化碳，將碳化混合物冷卻并活化。
預熱步驟是為了更好地將粘合劑放入加強材料當中。碳化步驟必須在惰性氣體下執(zhí)行，如氮氣、氬氣等，這有利于防止火災。如果在氧氣中執(zhí)行，碳化步驟中的熱處理會很危險。再者，通過活化碳化混合物，可擴大活性碳結(jié)構(gòu)的微孔，或清除活性碳結(jié)構(gòu)表面未發(fā)生反應的物質(zhì)，這樣就可增加具體的表面區(qū)域，從而省去了傳統(tǒng)方法中的通過升溫來活化的步驟。粘合劑是柏油、雜酚油、軟瀝青、硬瀝青及它們混合物的一種，可以是固狀或液狀，使用時可為固體與液體混合物，也可為單獨的固體或液體。
一般而言，最好采用軟化點高于室溫的粉末狀瀝青。如果采用液狀瀝青，粘度是一個重要的加工因素。通過升溫或?qū)r青與重油(液狀雜酚油等)混合，可控制瀝青的粘度，從而控制活性碳與粘合劑之間的流動性，也更易于混合活性碳與粘合劑。
根據(jù)本發(fā)明中的實施方案，當粘合劑均勻地放入活性碳粉中時，強度是恒定的，且具體表面面積的減少量會很低。粘合劑量較高的部分的強度高，具體表面面積的減少量也很高。粘合劑量較少的部分的強度低，具體表面面積的減少量也低。根據(jù)本發(fā)明的實施方案，當軟化溫度高于60℃的瀝青用作粘合劑時，瀝青易于與活性碳和加強材料混合，因為瀝青呈粉末狀；當均勻混合的活性碳混合物保存在高于軟化溫度的環(huán)境中時，均勻分配在活性碳混合物中的瀝青粉末會液化，液化后，并可涂于活性碳、構(gòu)架和加強材料的表面。因此與采用液體粘合劑形成的結(jié)構(gòu)相比，該種結(jié)構(gòu)質(zhì)量更好，主要是因為采用了均勻混合。
煤焦瀝青具有一個60到100℃的軟化點，在室溫下保持固體狀態(tài)，還有一種芳香的碳氫混合物。這和混合物具有高分子重量，所以沸點很高。而且，當煤焦瀝青發(fā)熱時，容易發(fā)生聚合反應。煤焦瀝青在三與一個碳一碳鏈上含有苯環(huán)，以使碳氫的比例變高，在1.6-1.9左右。因此，當它被熱處理分解時，會產(chǎn)生很大變化；結(jié)合劑對于活性碳結(jié)構(gòu)是合適的。當瀝青被用作結(jié)合劑時，揮發(fā)量很小，從而使瀝青幾乎變?yōu)樘?，碳轉(zhuǎn)化力就增高了。所以，哪怕只使用少量的瀝青，活性碳結(jié)構(gòu)的力也增加了，碳化就能在短時間內(nèi)發(fā)生。另外，在碳化的過程中，由于揮發(fā)成分的形成作用，特定表面區(qū)域的減少率很小，
根據(jù)本發(fā)明的一個運作方式，帶有構(gòu)架的活性碳結(jié)構(gòu)包括一個長度為1～20mm的碳纖維加強材料。由于把碳纖維用作加強材料，與只使用結(jié)合劑的情況相比，活性碳結(jié)構(gòu)具有更高的強度。
根據(jù)本發(fā)明的一個運作方式，構(gòu)架主要是鋼、不銹鋼、鎳、鎳合金、鋁、銅及其混合物。此外，構(gòu)架由一個粗糙的表面構(gòu)成，以增強粘合力；還包含一個厚度在0.1mm以上的瀝青表面層。粗糙的表面因此增加了表面面積，也增加了構(gòu)架與活性碳之間的粘合力。表面層是通過構(gòu)架上的液化瀝青形成的，并在碳化過程中變?yōu)樘急砻鎸樱瑥亩S持與活性碳混合物12之間的粘合力。
如果構(gòu)架為桿式31，那么桿的直徑大約為1～20mm。如果構(gòu)架為網(wǎng)式，那么網(wǎng)的厚度為0.1mm左右，圓形或矩形孔為10mm左右。
此外，在制造活性碳混合物的過程中，用作貴金屬或金氧催化劑的先質(zhì)可以為活性碳結(jié)構(gòu)所支持。先質(zhì)的用量可以根據(jù)反應的目的進行控制，而帶有先質(zhì)的活性碳的溫度在碳化的過程中會增加。然后，先質(zhì)被分解，活性碳結(jié)構(gòu)也就包含了也就包含了催化劑。就是說，支持催化劑的活性成分的步驟可以消除，以增加產(chǎn)量并節(jié)省能量與成本。
此后，本發(fā)明的示范通過圖1至圖7進行詳述。
示范1桿式活性碳結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供了一種使用桿式構(gòu)架31制造活性碳結(jié)構(gòu)的方法。根據(jù)本發(fā)明的這種示范，構(gòu)架是一個直徑為1至20毫米的矩形或圓形。首先，構(gòu)架安裝在32或33的模子上。第二，在32或33的模子上填入活性碳混合物，混合物由大約100分重的活性碳、15至20分重的結(jié)合劑與10至15分重的加強材料混合而成。第三，移去32或33模子并以100℃左右的溫度對活性碳混合物預先加熱10分鐘。然后，以400℃左右的溫度對預先加熱的活性碳混合物進行碳化并激活達1小時，桿式活性碳結(jié)構(gòu)就制成了。
根據(jù)本發(fā)明的一個運行示范，須提供一個吸附儀器。如圖4所示，桿式活性碳結(jié)構(gòu)在吸附器里互相交叉，從而減小吸附器的壓降并增加吸附量。
示例2蜂窩型活性碳結(jié)構(gòu)。蜂窩型活性碳結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的具體實例中提供了制作帶孔的蜂窩型活性碳結(jié)構(gòu)10或20的方法。
首先，提供了金屬網(wǎng)或帶孔13b(如圖5所示)的金屬板13。
根據(jù)本發(fā)明的一個運作方式，每個孔13b的大小與活性碳結(jié)構(gòu)的孔眼或氣孔11(如圖1、2、3所示)大小基本相同或較大。其次，在其中具有多個桿的蜂窩型鑄模61、63中，填充了按照100wt活性碳、約15～20wt粘合劑以及10～15wt加強材料這一比例混合的活性碳混合物。每個桿將作為該結(jié)構(gòu)的氣孔。第三，移除了鑄模61、63，并以100C的溫度對活性碳混合物進行了10分鐘預熱。然后，以400C的溫度對預熱的活性碳混合物進行了1小時的碳化和活化，以便制造至少具有1個氣孔11的蜂窩型活性碳結(jié)構(gòu)(圖1中的10和圖2中的20)。
根據(jù)本發(fā)明的一個運作方式，可在蜂窩型活性碳結(jié)構(gòu)10、20中形成氣孔的蜂窩型鑄模61、63中的多個桿62可附著在包含多個孔(63a)的底部鑄模(61)和頂部鑄模(63)上。多個桿62可刺透頂部鑄模(63)并穿過多個孔(63a)，從而固定在底部鑄模(61)上。根據(jù)本發(fā)明的一個首選運作方式，多個桿(62)和多個孔(63a)均為矩形。
由于可根據(jù)金屬網(wǎng)或金屬板13的大小制造結(jié)構(gòu)10，因此可制造大型蜂窩型活性碳結(jié)構(gòu)10。
如圖5所示，通過固定金屬板13上的孔(圖5中的13a)可固定結(jié)構(gòu)10，因此可輕松將該結(jié)構(gòu)固定在吸附設(shè)備的導管中、墻壁上等等。
盡管在本文中已參照附帶的草圖對本發(fā)明的圖例進行了描述，但應理解，本發(fā)明并不局限于這些精確的實例，熟練掌握該技術(shù)的人員在不偏離本發(fā)明的范圍或精神的情況下可進行其他各種更改或修改。
根據(jù)本發(fā)明的一個運作方式，活性碳混合物包含活性碳粉或碳粒、作為加強材料的碳化纖維、作為將活性碳粉或碳粒粘附到金屬構(gòu)架上的粘合劑的瀝青?；钚蕴蓟旌衔锔街诮饘贅?gòu)架并進行碳化，從而使具有混合物和構(gòu)架的活性碳結(jié)構(gòu)硬化。此外還可根據(jù)構(gòu)架的形狀制造大型活性碳結(jié)構(gòu)。
而且，這不需要固定活性碳結(jié)構(gòu)的機架，因此節(jié)約了制造成本并防止了由機架造成的壓力下降?；钚蕴冀Y(jié)構(gòu)可具有各種形狀，可輕松附加到吸附設(shè)備上或從吸附設(shè)備上分開，并且具有出色的強度，因此通過減小吸附設(shè)備的重量以及簡化吸附設(shè)備而節(jié)省了制造成本。
權(quán)利要求
1.一種制造具有構(gòu)架的活性碳結(jié)構(gòu)的方法，其包含以下步驟首先，按約100重量(wt)的活性碳粉、約5～40wt的粘合劑、約5～30wt的加強材料這一比例制作活性碳混合物；其次，將預定形狀的構(gòu)架安裝在鑄模中；然后，將活性碳混合物填充在鑄模與構(gòu)架之間；再者，在50℃～300℃的溫度下，對活性碳混合物預熱10～30分鐘；然后，在惰性氣體下，將活性碳混合物放進熔爐中(溫度為400℃～1000℃)碳化1～15小時；最后，在惰性氣體下，輸入蒸汽或二氧化碳，將碳化混合物冷卻并活化。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為粘合劑為焦油、柏油、雜酚油、軟瀝青和硬瀝青中的一種。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為加強材料中含有長度給為1～20mm的碳化纖維。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為構(gòu)架為鐵、不銹鋼、鎳、鎳合金、鋁、銅及其混合物中的一種。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為構(gòu)架是由粗糙表面形成，有利于加強粘附強度，其表面由約0.1mm厚的瀝青構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征為活性碳混合物還包括一種前體物質(zhì)，可作為貴金屬或金屬氧化物催化劑使用在制作活性碳混合物步驟中，活性碳結(jié)構(gòu)支持貴金屬或金屬氧化物催化劑。
7.如權(quán)利要求1或2或3或4或5或6所述的方法，其特征為活性碳混合物包含100wt的活性碳粉、約5～40wt的粘合劑以及約5～30wt的增強材料，其中，粘合劑為焦油、柏油、雜酚油、軟瀝青和硬瀝青中的一種，而加強材料包含長度約為1～20mm的碳化纖維。
全文摘要
本文所披露的是關(guān)于制造具有強大吸附功能和強度的活性炭的制造方法。該方法的步驟包括加入碳纖維作為活性炭的加強料，在架構(gòu)模具中塑造活性炭混合物(該混合物由帶有碳纖維的活性炭和用作黏合劑的瀝青組成)，將活性炭混合物轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}，使活性炭結(jié)構(gòu)包容架構(gòu)。該架構(gòu)采用金屬制成，可抵抗將活性炭混合物轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}流程中的腐蝕。根據(jù)其用途不同，該架構(gòu)外形可多樣化。
文檔編號C04B38/06GK1747897SQ200480003977
公開日2006年3月15日 申請日期2004年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月17日
發(fā)明者沈鐘燮 申請人:沈鐘燮