本發(fā)明屬于煤化工及環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種柱狀中空形態(tài)的活性炭及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，活性炭被廣泛用于化學(xué)工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、國防事業(yè)及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，其需求量呈逐年上升趨勢(shì)。尤其是近年來國內(nèi)外對(duì)環(huán)境治理和保護(hù)越來越關(guān)注和重視，開始加強(qiáng)力度實(shí)施各種措施嚴(yán)格化環(huán)保規(guī)范，使得高性能活性炭的應(yīng)用也呈現(xiàn)快速的發(fā)展。高性能活性炭要求其綜合性能優(yōu)越，諸如孔結(jié)構(gòu)、碘值、比表面積等均需達(dá)到合理數(shù)值。

活性炭的吸附性能決定了其應(yīng)用領(lǐng)域，而吸附性能主要取決于其孔結(jié)構(gòu)特征。活性炭的孔結(jié)構(gòu)呈分散型，為大孔、中孔、微孔不均勻分布。然后活性炭這種孔徑分布結(jié)構(gòu)特征制約了其在特殊領(lǐng)域的應(yīng)用，隨著社會(huì)環(huán)保要求的嚴(yán)格，專業(yè)吸附劑應(yīng)用面越來越廣，如何對(duì)有效對(duì)活性炭的孔徑進(jìn)行控制成為研究者在活性炭材料制備工藝上追求的目標(biāo)。

大量研究表明，當(dāng)活性炭微孔比例較大時(shí)，在化工環(huán)保等領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異吸附性能。因此，如何通過工藝的調(diào)控，制備出具有發(fā)達(dá)微孔結(jié)構(gòu)的活性炭是提高活性炭性能的關(guān)鍵?；钚蕴恐苽涔に囍?，孔結(jié)構(gòu)形成在活化階段，其原理為炭化材料通過與活化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而形成孔結(jié)構(gòu)。目前，柱狀活性炭為應(yīng)用較廣的一種活性炭形態(tài)，并且已經(jīng)有較多成熟技術(shù)。例如，由山西新華化工有限責(zé)任公司公開的專利號(hào)為CN200810055493.3一種柱狀活性炭的制造方法、由寧夏華輝活性炭股份有限公司公開的專利號(hào)為CN201410422905.8一種柱狀竹質(zhì)活性炭的制備方法、由江西能欣生物科技有限公司公開的專利號(hào)為CN201510065083.7一種新型木質(zhì)柱狀活性炭生產(chǎn)工藝。柱狀活性炭在活化過程中，成孔順序均是由外而內(nèi)，逐漸形成，當(dāng)活化時(shí)間不足時(shí)，柱狀炭內(nèi)部容易出現(xiàn)活化不足，或者活化盲區(qū)，隨著活化時(shí)間延長，外表面已形成的孔結(jié)構(gòu)逐漸被過度活化，形成孔徑大的活化劑通道，不具備穩(wěn)定吸附能力。通常，通過延長活化時(shí)間制備具有較高比表面的柱狀活性炭，但是很多孔均是無效孔。

另外，柱狀活性炭在化工環(huán)保等領(lǐng)域的應(yīng)用存在一定局限性。例如，當(dāng)柱狀活性炭床層達(dá)到一定高度，系統(tǒng)阻力影響裝置正常運(yùn)行；其次，床層中氣流分布不均勻，與活性炭容接觸面低，反應(yīng)不充分；再者，活性炭再生是其持續(xù)循環(huán)利用關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而目前柱狀活性炭的再生不徹底，恢復(fù)效率低下。人們?cè)噲D以蜂窩形態(tài)的活性炭來解決此問題，蜂窩活性炭從理論上解決了氣流分布和床層阻力的問題，但是蜂窩活性由于強(qiáng)度差、壁薄、再生容易坍塌等問題，未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

盡管人們?cè)诨钚蕴靠捉Y(jié)構(gòu)調(diào)控、床層阻力和氣流分布方面做了大量研究，提出了很多方法，但是仍然不理想。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提出一種可以解決床層壓力高、反應(yīng)效率低、再生不徹底等問題的活性炭，同時(shí)得出一種活化均勻、微孔發(fā)達(dá)、強(qiáng)度高的活性炭的制備方法。

本發(fā)明目的之一是提供一種柱狀中空形態(tài)的活性炭，該產(chǎn)品為一種全新形態(tài)的活性炭，其外觀表現(xiàn)為圓柱，圓柱中心為具有一定直徑的空心結(jié)構(gòu)。本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先是適應(yīng)了活性炭制備工藝，使其活化更均勻，其次，該結(jié)構(gòu)考慮氣體流變力學(xué)，當(dāng)在進(jìn)行污染物處理時(shí)增大反應(yīng)接觸面積，降低反應(yīng)床層壓力。

本發(fā)明目的之二在于提供一種柱狀中空活性炭的制備方法，以生產(chǎn)出微孔發(fā)達(dá)、活化均勻、強(qiáng)度高的中空活性炭，應(yīng)用于化工環(huán)保領(lǐng)域。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明活性炭采用了以下技術(shù)方案：一種具有中空形態(tài)的活性炭，其特征在于：所述活性炭為帶軸向圓柱形通孔的圓柱形規(guī)整顆粒狀；活性炭是將包括無煙煤55~75%、煤焦油28~40%、稀釋劑1~5%和水1~10%的原材料，先壓制成柱狀中空形態(tài)，再制成炭化料，緊后經(jīng)活化制成的中空形態(tài)活性炭。

本發(fā)明活性炭采用的技術(shù)方案中所述的活性炭直徑為1~10mm、壁厚為1~4mm、高度為4~20mm。

本發(fā)明活性炭采用的技術(shù)方案中所述的無煙煤研磨成200~400目后與在60~90℃下加入稀釋劑的煤焦油、水捏合均勻制成煤膏，將煤膏壓制成柱狀中空形態(tài)；壓制成柱狀中空形態(tài)的煤膏在室溫下晾干、120℃下烘干2.0小時(shí)后進(jìn)行炭化制成炭化料；將制成的炭化料加入到活化爐中，以5℃/min速率升溫至800~1000℃，在800~1000℃的條件下持續(xù)通入水蒸氣活化3.0~20.0小時(shí)，冷卻后得中空形態(tài)活性炭。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明制備活性炭采用了以下技術(shù)方案：一種制備具有中空形態(tài)的活性炭的方法，其特征在于包括以下步驟：

⑴首先將55~75%的無煙煤破碎后再研磨成200~400目的煤粉；

⑵將1~5%的稀釋劑加入煤焦油中，而后在60~90℃下與28~40%的煤焦油攪拌均勻，完成稀釋；

⑶將煤粉與完成稀釋的煤焦油和1~10%的水加入捏合機(jī)捏合均勻制成煤膏；

⑷將制備好的煤膏在5~30Mpa的液壓成型機(jī)中壓制成柱狀中空形態(tài)的顆粒；

⑸將壓制成型的煤膏顆粒在室溫下晾干后，在120℃下烘干2.0小時(shí)；

⑹將烘干后的煤膏顆粒加入炭化爐中，在炭化爐中以5℃/min速率升溫至400~700℃進(jìn)行炭化1.0~3.0小時(shí)，制成炭化料；

⑺將制成的炭化料加入到活化爐中，然后將活化爐以5℃/min速率升溫至800~1000℃，在800~1100℃的條件下持續(xù)通入水蒸氣活化3.0~20.0小時(shí)；

⑻將經(jīng)步驟⑺活化的活化料冷卻后，篩掉其中粉末得柱形空心顆粒狀中空活性炭。

本發(fā)明制備活性炭采用的技術(shù)方案中所述的稀釋劑是聚乙烯醇溶液、聚乙二醇和木質(zhì)素磺酸鈉等有機(jī)溶劑。

本發(fā)明制備活性炭采用的技術(shù)方案中所述的無煙煤灰分小于5%。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：首先，本發(fā)明提出的柱狀中空結(jié)構(gòu)增大了活化劑與活性炭的接觸面積，可以有效避免出現(xiàn)活化過度而造成制備的活性炭比表面積大、有效吸附孔減少、強(qiáng)度低等問題；其次，該活性炭應(yīng)用于化工環(huán)保領(lǐng)域時(shí)，可有效增加反應(yīng)面積、提高反應(yīng)效率和降低運(yùn)行阻力，另外，當(dāng)活性炭吸附能力達(dá)到飽和后需對(duì)其再生，本發(fā)明提出的該形態(tài)的活性炭再生后性能恢復(fù)方面更為徹底；最后，為了實(shí)現(xiàn)該活性炭的制備，本發(fā)明采用低灰分的無煙煤為主要原材料，以此可以有效降低因活化過程中雜質(zhì)損失而影響活性炭的孔結(jié)構(gòu)分布和吸附性能，同時(shí)為了降低煤焦油的不確定性影響，向煤焦油中加入焦油稀釋劑，以此增加制備煤膏的純度，從而性能良好的柱狀中空活性炭。

因此，本發(fā)明通過提出一種全新形態(tài)活性炭和確定一種適合制備該形態(tài)活性炭的制備工藝，最終達(dá)到制備出微孔發(fā)達(dá)、活化均勻、強(qiáng)度高的柱狀中空活性炭的目的，以此來解決目前一般柱狀活性炭應(yīng)用中面臨的反應(yīng)床層壓力高、反應(yīng)接觸面積低、脫除效率低和再生不徹底等問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明柱狀中空活性炭的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，柱狀中空活性炭具體形態(tài)是：中心為直徑c是1~4mm的空心結(jié)構(gòu)，空心結(jié)構(gòu)被具有1~4mm壁厚b圓柱外殼包圍，外部圓柱直徑d為1~10mm，該活性炭為規(guī)整顆粒狀，高度a為4~20mm。其中空心直徑c、外部圓柱壁厚b和直徑d、顆粒高度a均可根據(jù)相關(guān)需求調(diào)整。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例采用的原材料按質(zhì)量百分比包括70%的無煙煤、28%的煤焦油、2%的稀釋劑和10%的水，制備方法包括下列步驟：

⑴煤粉的制備：首先將無煙煤破碎后再研磨成200目的煤粉；

⑵煤焦油的調(diào)制：將聚乙烯醇溶液加入煤焦油中，而后在80℃下與煤焦油攪拌均勻，完成稀釋；

⑶煤膏的制備：將煤粉與完成稀釋的煤焦油和水加入捏合機(jī)捏合均勻制煤膏；

⑷活性炭的成型：將制備好的煤膏在11Mpa的液壓成型機(jī)中壓制成柱狀中空形態(tài)的顆粒；顆粒高度a為10mm 、空心結(jié)構(gòu)直徑c為2mm、外部圓柱直徑d為8mm 、壁厚b為3mm；

⑸干燥：將壓制成型的煤膏顆粒在室溫下晾干后，在120℃下烘干2.0小時(shí)；

⑹炭化：將烘干后成型的煤膏顆粒加入炭化爐中，在炭化爐中以5℃/min速率升溫至600℃進(jìn)行炭化2.0小時(shí)，制成炭化料；

⑺、活化：將制成的炭化料加入到活化爐中，然后將活化爐以5℃/min速率升溫至900℃，采用900℃的水蒸氣活化5.0小時(shí)，制活化料；

⑻成樣：將活化料冷卻后，篩掉其中粉末所得柱形空心顆粒即為中空形態(tài)活性炭。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例采用的原材料按質(zhì)量百分比包括60%的無煙煤、31%的煤焦油、1%的聚乙二醇溶液和8%的水，制備方法包括下列步驟：

⑴煤粉的制備：首先將無煙煤破碎后再研磨成300目的煤粉；

⑵煤焦油的調(diào)制：將稀釋劑加入煤焦油中，而后在90℃下與煤焦油攪拌均勻，完成稀釋；

⑵煤膏的制備：將煤粉與完成稀釋的煤焦油和水加入捏合機(jī)捏合均勻制成煤膏；

⑷活性炭的成型：將制備好的煤膏在8Mpa的液壓成型機(jī)中壓制成柱狀中空形態(tài)的顆粒；顆粒高度a為6mm 、空心結(jié)構(gòu)直徑c為1mm、外部圓柱直徑d為5mm 、壁厚b為2mm；

⑸干燥：將壓制成型的煤膏顆粒在室溫下晾干后，在120℃下烘干2.0小時(shí)；

⑹炭化：將烘干后成型的煤膏顆粒加入炭化爐中，在炭化爐中緩慢升溫至700℃進(jìn)行炭化1.5小時(shí)，制成炭化料；

⑺、活化：將制成的炭化料加入到活化爐中，然后將活化爐緩慢升溫至800℃，采用800℃的水蒸氣活化6.0小時(shí)，制活化料；

⑻成樣：將活化料冷卻后，篩掉其中粉末所得柱形空心顆粒即為脫硫脫硝活性炭。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例采用的原材料按質(zhì)量百分比包括65%的無煙煤、30%的煤焦油、2%的纖維素磺酸鈉和3%的水，制備方法包括下列步驟：

⑵煤粉的制備：首先將無煙煤破碎后再研磨成400目的煤粉；

⑵煤焦油的調(diào)制：將纖維素磺酸鈉加入煤焦油中，而后在60℃下與煤焦油攪拌均勻，完成稀釋；

⑶煤膏的制備：將煤粉與完成稀釋的煤焦油和水加入捏合機(jī)捏合均勻制成煤膏；

⑷活性炭的成型：將制備好的煤膏在12Mpa的液壓成型機(jī)中壓制成柱狀中空形態(tài)的顆粒；顆粒高度a為15mm 、空心結(jié)構(gòu)直徑c為4mm、外部圓柱直徑d為10mm 、壁厚b為3mm；

⑸干燥：將壓制成型的煤膏顆粒在室溫下晾干后，在120℃下烘干2.0小時(shí)；

⑹炭化：將烘干后成型的煤膏顆粒加入炭化爐中，在炭化爐中以緩慢升溫（5℃/min速率升溫）至400℃進(jìn)行炭化3.0小時(shí)，制成炭化料；

⑺、活化：將制成的炭化料加入到活化爐中，然后將活化爐緩慢升溫（5℃/min速率升溫）至1000℃，采用1000℃的水蒸氣活化3.0小時(shí)，制活化料；

⑻成樣：將活化料冷卻后，篩掉其中粉末所得柱形空心顆粒即為中空形態(tài)活性炭。