專利名稱：一種生產(chǎn)中孔活性炭的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)中孔活性炭的方法。屬于微波化學(xué)制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前活性炭已被廣泛應(yīng)用于國防、化工、石油、紡織、食品、醫(yī)藥、原子能工業(yè)、城市建設(shè)、環(huán)境保護(hù)以及人類生活的各個方面。公知的活性炭主要由微孔組成，含有少量的中孔和大孔，對吸附氣體和液體的中小分子是相當(dāng)有利的，然而對于一些聚合物、有機(jī)電解質(zhì)和無機(jī)大分子的吸附，催化劑載體和雙電層電容器電極材料的制備等領(lǐng)域效果很差，從而對活性炭的孔結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，即活性炭具有較高的中孔含量，尤其是用于水處理的活性炭要求中孔含量達(dá)到20％左右，以提高對水中酚類等大分子污染物的吸附能力，因此中孔活性炭的生產(chǎn)被人們越來越重視。
公知的中孔活性炭的生產(chǎn)方法有催化活化、界面活化、混合聚合物炭化、有機(jī)凝膠炭化、鑄型炭化等。其中催化活化法制備的中孔活性炭中不可避免地會殘留部分金屬元素，這種活性炭用于液相吸附時，金屬元素就可能以離子的形式進(jìn)入溶液，盡管其含量很低，但在某些情況下卻是非常有害的；然而界面活化、混合聚合物炭化和有機(jī)凝膠炭化三種方法并不適合以煙桿廢棄物為原料，大多采用聚合物和高分子凝膠；鑄型碳化法的最大的缺點就是要進(jìn)行去掉模板的處理，這是一個費用高且浪費的過程。因而開發(fā)出一種更經(jīng)濟(jì)有效的中孔活性炭制造方法顯得尤為重要。
本申請人在專利號為931146937.2的專利里，公開了一種“微波輻射法制造粉狀活性炭”的方法，這種方法是將木屑和磷酸或氯化鋅溶液混合浸漬，再用微波輻射后進(jìn)行酸洗、烘干、粉碎和篩分，得到活性炭。這種方法存在以下幾個問題(1)以木屑為原料，原料價格較高，加上該原料是以破壞森林資源為代價，來源不廣泛，量不大；這種方法無法進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，限制了該方法的推廣。在浸漬、酸洗、烘干等工藝過程，所用工藝條件，只適合于木屑。(2)微波輻射溫度在600～900℃，溫度較高；(3)活性炭中孔含量的控制尚未涉及；活化過程的氣氛是否對活性炭產(chǎn)品性能有影響也沒有涉及。
本申請人在專利號為02113270.4的專利里，公開了一種“微波輻射煙桿固體廢棄物制造活性炭的方法”，這種方法將煙桿粉碎后與氯化鋅溶液混合浸漬，使氯化鋅溶液侵蝕到煙桿內(nèi)部，后采用微波輻射加熱，促使煙桿中的水分蒸發(fā)，氯化鋅揮發(fā)，從而完成造孔過程，在活化過程中其氣氛必須保持真空缺氧氣氛，再經(jīng)酸洗和水洗去除物料中的殘留鋅和灰分，最后烘干、粉碎和篩分后得到活性炭產(chǎn)品。與本發(fā)明相比，一是對原料和浸漬過程的要求不同，本發(fā)明選用可以通過2mm篩網(wǎng)的煙桿粉末，并采用加溫浸漬；二是活化過程的所控制的氣氛不同，本發(fā)明為加快磷酸對炭的侵蝕，在活化過程中通入了尾氣和空氣的混合氣體，保持一定的氧化氣氛，來進(jìn)一步的控制活化過程，得到不同中孔含量的活性炭。氯化鋅法制造活性炭，其控制孔結(jié)構(gòu)的方法是采用不同的煙桿和氯化鋅溶液的質(zhì)量比，一旦質(zhì)量比確定，所生產(chǎn)活性炭的孔結(jié)構(gòu)就確定，在活化過程中調(diào)節(jié)的可能性不大；三是本發(fā)明在活化過程中可準(zhǔn)確控制活化溫度為500～650℃，已授權(quán)專利中只涉及輻射時間，溫度一般要在780～950℃，才能使煙桿中的氯化鋅揮發(fā)，本發(fā)明活化溫度降低了280～450℃，可進(jìn)一步降低能耗；四是本發(fā)明可以通過磷酸浸漬、通入尾氣和空氣混合氣體來進(jìn)一步強(qiáng)化活化過程，得到的活性炭是中孔含量發(fā)達(dá)的活性炭，而已授權(quán)專利所得到的活性炭為市場上常見的微孔含量較高的活性炭，中孔含量較低；五是本發(fā)明產(chǎn)生的氣體腐蝕性較小，在生產(chǎn)過程中所涉及的管道可以采用鋼鐵件，而已授權(quán)專利產(chǎn)生的氣體為氯、鋅和氯化鋅的混合氣體，腐蝕性較大，故要在鋼鐵件中添加陶瓷材料，所需的成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專利的目的是將煙桿固體廢棄物粉碎后，采用磷酸加溫浸漬，其后用微波輻射來完成加熱和活化，通過調(diào)節(jié)活化氣氛來控制中孔的分布，從而制造出可控中孔的活性炭。
本發(fā)明是通過下面的技術(shù)方案實現(xiàn)的。
本發(fā)明的工藝流程圖如圖1所示。煙桿固體廢棄物經(jīng)粉碎機(jī)粉碎后，經(jīng)磷酸加溫浸漬，送入微波輻射裝置中進(jìn)行微波輻射，達(dá)到500～650℃后通入尾氣和空氣的混合氣體來改變活化氣氛，活化后的物料熱水洗，烘干后得到活性炭產(chǎn)品。
發(fā)明按以下步驟完成①將原料煙桿固體廢棄物粉碎為2mm以下；②用體積濃度為5～50％磷酸浸漬4～18小時，磷酸溶液與煙桿廢棄物的質(zhì)量之比為1.5∶1～9∶1；浸漬時溶液的溫度在40～60℃；③入微波輻射裝置中加熱到500～650℃時，時間為4～10分鐘；微波功率為2～60kW當(dāng)物料溫度達(dá)到650℃，通入自身產(chǎn)出尾氣和空氣的混合氣體來改變活化氣氛，空氣與尾氣的體積比例為1∶2～1∶8，混合氣體的流量為100～800mL/min，通氣活化時間3～9分鐘出爐。尾氣與空氣混合氣體的比例、流量可控，微波輻射裝置內(nèi)可進(jìn)行氣氛調(diào)節(jié)；④用溫度在80～85℃熱水洗滌，洗滌后物料的pH值為6.5～7，烘干得到活性炭產(chǎn)品。
本發(fā)明專利的原理如下煙桿廢棄物在粉碎后用磷酸溶液浸漬，并使其溫度保持在40～60℃，實際上是在降溶解的條件下浸漬，物料被磷酸降溶解后就變得更加疏松，磷酸將更容易滲入，這樣就會使煙桿粉碎料飽和磷酸，使物料逐漸膨脹直至呈松散狀態(tài)。加溫浸漬使煙桿粉碎料在磷酸的作用下在較短時間內(nèi)就軟化并膨脹。為后續(xù)的活化過程中提供優(yōu)質(zhì)的原料。
煙桿廢棄物在加溫浸漬磷酸溶液后，從根本上改變了煙桿廢棄物的熱分解歷程。在120℃左右，基本上就完成了干燥過程，在185～400℃，形成穩(wěn)定的凝聚炭結(jié)構(gòu)和磷酸-炭結(jié)構(gòu)；在400～650℃，磷酸有選擇性地緩慢氧化浸蝕炭體，形成微孔和中孔，這個溫度區(qū)域是活化作用的主要溫度區(qū)；在650℃以后，具有一定抗氧能力的磷酸-炭結(jié)構(gòu)逐步分解成氣體產(chǎn)物逸出，炭體失去磷酸的保護(hù)而氧化燒失，同時凝聚炭結(jié)構(gòu)也會氧化燒失，導(dǎo)致活性炭的得率降低。因此本發(fā)明專利采用的溫度是500～650℃，避免磷酸-炭結(jié)構(gòu)和凝聚炭結(jié)構(gòu)燒失，提高活性炭產(chǎn)品的得率。
本發(fā)明在活化過程中，將排出的尾氣和空氣混合再通入爐內(nèi)，通過調(diào)節(jié)氣體的流量和空氣的含量來調(diào)節(jié)活化氣氛，一方面來加速磷酸對炭體的浸蝕，加快形成微孔和中孔的速度，從而縮短整個工藝流程的時間；另一方面可以選擇性的促使物料中磷元素氧化燒失，釋放空間以形成中孔。在加溫浸漬時，通過改變磷酸的濃度和固液比，來調(diào)節(jié)磷酸對炭體的浸蝕程度，達(dá)到控制中孔含量的目的。熱水洗滌可有效去除物料中的磷，從而使微孔進(jìn)一步擴(kuò)大為中孔，提高活性炭產(chǎn)品中孔的含量。
本發(fā)明專利同傳統(tǒng)工藝相比較，具有以下優(yōu)點①由于采用加溫浸漬，有效提高了磷酸對煙桿廢棄物的浸漬率，為下一步活化時有效控制中孔孔容奠定基礎(chǔ)；②微波輻射裝置可實現(xiàn)氣氛控制，微波輸入功率可調(diào)節(jié)，使物料的溫度穩(wěn)定。
③活性炭產(chǎn)品的中孔容積占總孔容積的20～85％，質(zhì)量高，吸附能力強(qiáng)，活性炭生產(chǎn)成本低。
四

圖1是工藝流程圖。
五具體實施例方式
實施例一將取自云南玉溪地區(qū)的煙桿固體廢棄物粉碎成直徑在1.5mm以下，用濃度為20％的磷酸，磷酸與物料的比為2∶1在60℃下浸漬8小時，后裝入功率為60kW的微波輻射裝置中輻射2min，溫度達(dá)到575℃，通入活化尾氣和空氣的混合氣體，空氣與水洗后尾氣的體積比例為1∶3，流量為480mL/min，調(diào)節(jié)活化氣氛進(jìn)行活化，活化時間為5min，活化過程中調(diào)節(jié)微波輻射功率控制物料的溫度在575±5℃，進(jìn)料速度為190kg/h；物料取出用80℃的熱水洗滌，洗滌后物料的pH值為6.8，再烘干即得活性炭產(chǎn)品?；钚蕴康牡寐蕿?5.47％，中孔容積占總孔容積的65.74％。按國家標(biāo)準(zhǔn)(GB12496.1～22-1999)的要求對活性炭產(chǎn)品進(jìn)行分析，主要質(zhì)量指標(biāo)-亞甲基藍(lán)吸附值為26mL/0.1g。而國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T13803.3-1999)中活性炭一級品的亞甲基藍(lán)吸附值為9ml/0.1g，本實施例生產(chǎn)的活性炭產(chǎn)品，其亞甲基藍(lán)吸附值是國家一級標(biāo)準(zhǔn)的2.89倍。
實施例二將取自云南曲靖地區(qū)的煙桿固體廢棄物破碎成直徑在2mm以下顆粒，用濃度為40％的磷酸，磷酸與物料的比為5∶1在50℃下浸漬12小時，后裝入功率為35kW的微波輻射裝置中輻射4min，溫度達(dá)到640℃，通入活化尾氣和空氣的混合氣體，空氣與水洗后尾氣的體積比例為1∶6，流量為780mL/min，調(diào)節(jié)活化氣氛進(jìn)行活化，活化時間為8min，活化過程中調(diào)節(jié)微波輻射功率控制物料的溫度在640±5℃，進(jìn)料速度為135kg/h；物料取出用80℃的熱水洗滌，洗滌后物料的pH值為7，再經(jīng)烘干即得活性炭產(chǎn)品?；钚蕴康牡寐蕿?2.54％，中孔容積占總孔容積的83.26％。按國家標(biāo)準(zhǔn)(GB12496.1～22-1999)的要求對活性炭產(chǎn)品進(jìn)行分析，主要質(zhì)量指標(biāo)-亞甲基藍(lán)吸附值為32mL/0.1g。而國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T13803.3-1999)中活性炭一級品的亞甲基藍(lán)吸附值為9ml/0.1g，本實施例生產(chǎn)的活性炭產(chǎn)品，其亞甲基藍(lán)吸附值是國家一級標(biāo)準(zhǔn)的3.56倍。
實施例三將取自云南曲靖地區(qū)的煙桿固體廢棄物破碎成直徑在2mm以下顆粒，用濃度為30％的磷酸，磷酸與物料的比為4∶1在40℃下浸漬12小時，后裝入功率為2kW的微波輻射裝置中輻射3min，溫度達(dá)到635℃，通入活化尾氣和空氣的混合氣體，空氣與水洗后尾氣的體積比例為1∶5，流量為600mL/min，調(diào)節(jié)活化氣氛進(jìn)行活化，活化時間為7min，活化過程中調(diào)節(jié)微波輻射功率控制物料的溫度在635±5℃，進(jìn)料速度為4kg/h；；物料取出用80℃的熱水洗滌，洗滌后物料的pH值為7，再經(jīng)烘干即得活性炭產(chǎn)品?；钚蕴康牡寐蕿?5.21％，中孔容積占總孔容積的75.43％。按國家標(biāo)準(zhǔn)(GB12496.1～22-1999)的要求對活性炭產(chǎn)品進(jìn)行分析，主要質(zhì)量指標(biāo)-亞甲基藍(lán)吸附值為29mL/0.1g。而國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T13803.3-1999)中活性炭一級品的亞甲基藍(lán)吸附值為9ml/0.1g，本實施例生產(chǎn)的活性炭產(chǎn)品，其亞甲基藍(lán)吸附值是國家一級標(biāo)準(zhǔn)的3.22倍。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)中孔活性炭的方法，其特征是發(fā)明按以下步驟完成將原料煙桿固體廢棄物粉碎為2mm以下；體積濃度為5～50％磷酸浸漬4～18小時，磷酸溶液與煙桿廢棄物的質(zhì)量之比為1.5∶1～9∶1；浸漬時溶液的溫度在40～60℃；入微波輻射裝置中加熱到500～650℃時，時間為4～10分鐘；微波功率為2～60kW，當(dāng)物料溫度達(dá)到650℃，通入自身產(chǎn)出尾氣和空氣的混合氣體來改變活化氣氛，空氣與尾氣的體積比例為1∶2～1∶8，混合氣體的流量為100～800mL/min，通氣活化時間3～9分鐘出爐。用溫度在80～85℃熱水洗滌，洗滌后物料的pH值為6.5～7，烘干得到活性炭產(chǎn)品。
全文摘要
一種生產(chǎn)中孔活性炭的方法，將原料煙桿固體廢棄物粉碎為，用體積濃度為5～50％磷酸浸漬，磷酸溶液與煙桿廢棄物的質(zhì)量之比為1.5∶1～9∶1；浸漬時溶液的溫度在40～60℃；入微波輻射裝置中加熱到500～650℃時，微波功率為2～60kW，當(dāng)物料溫度達(dá)到650℃，通入自身產(chǎn)出尾氣和空氣的混合氣體來改變活化氣氛，混合氣體的流量為100～800mL/min，通氣活化時間3～9分鐘出爐，用溫度在80～85℃熱水洗滌，洗滌后物料的pH值為6.5～7，烘干得到中孔活性炭產(chǎn)品。由于采用加溫浸漬，提高了磷酸對煙桿廢棄物的浸漬率，為下一步活化時有效控制中孔孔容奠定基礎(chǔ)，微波輻射裝置可實現(xiàn)氣氛控制，功率可調(diào)節(jié)，使物料的溫度穩(wěn)定，活性炭產(chǎn)品的中孔容積占總孔容積的20～85％，質(zhì)量高，吸附能力強(qiáng)，生產(chǎn)成本低。
文檔編號C01B31/08GK1669919SQ20051001067
公開日2005年9月21日 申請日期2005年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月28日
發(fā)明者彭金輝, 張利波, 張世敏, 郭勝惠 申請人:昆明理工大學(xué)