專利名稱：基于生物質(zhì)材料的高性能吸附劑的兩步法制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及吸附制冷技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于生物質(zhì)材料的高性能吸附劑的兩步法制備方法。
背景技術(shù)：
吸附制冷技術(shù)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有運(yùn)動(dòng)部件，不污染環(huán)境，能利用余熱和太陽能等中低溫?zé)嵩?，因此越來越受到關(guān)注。但是，由于缺乏高性能的吸附劑限制了吸附制冷的大規(guī)模推廣應(yīng)用。硅膠，活性炭和沸石等物理吸附劑與水組成的吸附工質(zhì)對(duì)具有再生溫度低的優(yōu)點(diǎn)，但是物理吸附劑的吸水量一般只有10 20%，而且吸附速率慢，導(dǎo)致吸附制冷系統(tǒng)體積龐大，造價(jià)高。氯化鈣，氯化鋇和氯化鍶等金屬氯化物對(duì)水和氨氣的吸附量大，但是金屬氯化物在使用過程中容易出現(xiàn)膨脹結(jié)塊、傳質(zhì)阻力增大等問題。為解決金屬氯化物的膨脹結(jié)塊以及提高傳熱傳質(zhì)性能，國(guó)內(nèi)外的研究者多是采用活性炭，硅膠或者膨脹石墨等多孔介質(zhì)與金屬氯化物進(jìn)行復(fù)合或者混合，將金屬氯化物嵌入多孔介質(zhì)的孔隙內(nèi)，利用多孔介質(zhì)的孔隙來提高傳質(zhì)，利用壓塊或者固化來提高傳熱。這種將金屬氯化物均勻的分散在多孔介質(zhì)載體的孔隙內(nèi)的復(fù)合方法，有效的解決了金屬氯化物的膨脹結(jié)塊，提高了傳質(zhì)速率，同時(shí)充分利用了金屬氯化物吸附能力大的優(yōu)點(diǎn)。但是受多孔介質(zhì)載體本身的限制，這種復(fù)合吸附劑的金屬氯化物含量小，因此其對(duì)氨氣的吸附量受到金屬氯化物含量的限制。另夕卜，這種復(fù)合吸附劑由于具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)而提高了傳質(zhì)，但是導(dǎo)熱系數(shù)一般很小，雖然通過固化或者壓塊的方式提高了傳熱，但是這種措施又影響了傳質(zhì)，也就是說傳熱和傳質(zhì)之間的矛盾仍沒有解決。因此，同時(shí)具有高的傳熱和傳質(zhì)性能的吸附劑的開發(fā)仍是吸附制冷/制冰行業(yè)的一個(gè)最核心課題。

發(fā)明內(nèi)容
為開發(fā)出同時(shí)具有高的傳熱和傳質(zhì)性能的吸附劑，本發(fā)明提供了一種基于生物質(zhì)材料的高性能吸附劑的兩步法制備方法。本發(fā)明從傳熱和傳質(zhì)兩個(gè)方面來提高吸附劑的性能，具體思路為采用金屬氯化物作為吸附劑，金屬氯化物對(duì)水或者氨氣的吸附量很大，但是在吸脫附過程中容易出現(xiàn)膨脹結(jié)塊，導(dǎo)致傳質(zhì)速率變慢，而且金屬氯化物的導(dǎo)熱性能不好。本發(fā)明采用生物質(zhì)材料和金屬氯化物作為原料，首先通過浸潰的方法將金屬氯化物嵌入生物質(zhì)材料內(nèi)，然后利用炭化活化造孔的方法提高傳質(zhì)，通過加入金屬粉末的方式提高導(dǎo)熱性能。 同時(shí)，針對(duì)吸附劑和換熱器接觸熱阻較大的問題，本發(fā)明提出將吸附劑和金屬翅片管換熱器直接燒結(jié)在一起的方法來減小接觸熱阻。具體制備步驟如下(I)炭化活化造孔所用原料為金屬氯化物、碳質(zhì)材料，以金屬氯化物作為吸附劑；首先將碳質(zhì)材料浸潰在金屬氯化物溶液中，待浸潰充分后進(jìn)行干燥，然后將干燥后的混合物放入管式爐進(jìn)行炭化活化造孔制備復(fù)合吸附劑；所述金屬氯化物為金屬氯化物為金屬吸濕鹽，優(yōu)選為氯化鈣，氯化鍶和氯化鋇中的一種或者幾種；所述碳質(zhì)材料為木屑或者玉米芯等經(jīng)粉碎過的生物質(zhì)材料，以金屬氯化物作為吸附劑。 首先將生物質(zhì)材料粉碎成10-30目的球形顆粒，然后制備金屬氯化物水溶液，質(zhì)量濃度為30 50%，金屬氯化物和生物質(zhì)材料的質(zhì)量比例為3 6 1，將生物質(zhì)材料浸入金屬氯化物水溶液中，浸潰充分后干燥。然后將混合物放入管式爐炭化活化制備復(fù)合吸附劑。(2)填充將炭化活化后所制備的復(fù)合吸附劑與金屬粉末混合均勻，加入粘結(jié)劑攪拌均勻，然后填充進(jìn)金屬翅片管的翅片間，干燥。金屬粉末為錫粉和鋁粉的混合物，復(fù)合吸附劑和金屬粉末的質(zhì)量比例為3 7 7 3。金屬粉末的顆粒大小為250 500目，錫粉和鋁粉的質(zhì)量比例為8 6 2 4。粘結(jié)劑的用量為復(fù)合吸附劑和金屬粉末混合物總質(zhì)量的1% 6%。粘結(jié)劑優(yōu)選為羧甲基纖維素溶液。將混合后的復(fù)合吸附劑，金屬粉末和粘結(jié)劑放入攪拌機(jī)慢速攪拌，使金屬粉末均勻的覆蓋在復(fù)合吸附劑的外表面。之所以選擇羧甲基纖維素作為粘結(jié)劑，是因?yàn)轸燃谆w維素炭化溫度低，在粘結(jié)金屬粉末時(shí)，其均勻的分布在吸附劑的外表面，形成了一層保護(hù)膜，確保炭化活化后產(chǎn)生的孔隙不被金屬粉末填充。在燒結(jié)時(shí)，由于炭化而導(dǎo)致吸附劑表面的羧甲基纖維素大部分被移走，確保了吸附劑的孔隙不被堵塞和破壞。金屬翅片管為全鋁結(jié)構(gòu)或者全不銹鋼結(jié)構(gòu)或者碳鋼結(jié)構(gòu)或者這幾個(gè)的混合產(chǎn)品，材質(zhì)方面要確保耐氨氣腐蝕同時(shí)具有較好的導(dǎo)熱性能和較低的成本。將填充后的產(chǎn)品放入干燥箱中干燥。(3)燒結(jié)將帶有吸附劑和金屬粉末的金屬翅片管放入管式爐中進(jìn)行燒結(jié)，通過金屬粉末將吸附劑和金屬翅片管燒結(jié)在一起。燒結(jié)溫度控制在200_250°C之間。燒結(jié)氣氛為氮?dú)猓瑲鍤饣蛘哒婵?，燒結(jié)時(shí)間為
O.5 I. 5小時(shí)。燒結(jié)的作用有三個(gè)，一是通過金屬粉末將各個(gè)球形吸附劑連接起來，增加導(dǎo)熱；二是通過金屬粉末將吸附劑和翅片管換熱器連接起來，減小接觸熱阻；三是移除羧甲基纖維素，防止吸附劑孔隙的堵塞。上述制備步驟中，主要包括兩個(gè)步驟，一個(gè)是炭化活化，另一個(gè)是燒結(jié)，而且要先炭化活化后燒結(jié)。通過炭化活化生物質(zhì)材料在吸附劑內(nèi)形成了發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，提高了傳質(zhì)。通過燒結(jié)工藝將各個(gè)球形吸附劑借助金屬粉末連接起來，增加了導(dǎo)熱。同時(shí)，通過金屬粉末將吸附劑和翅片管換熱器連接起來，減小接觸熱阻。因?yàn)楸景l(fā)明將提高傳熱和提高傳質(zhì)的措施分開來實(shí)施，所以叫做兩步法制備方法。本發(fā)明在技術(shù)上具有五大優(yōu)點(diǎn)(I)傳質(zhì)速率高。通過炭化活化生物質(zhì)材料形成發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，提高了傳質(zhì)；(2)傳熱性能好。吸附劑和吸附劑顆粒之間通過金屬粉末連接起來提高了導(dǎo)熱性倉泛;(3)吸附劑和換熱器的接觸熱阻小。通過燒結(jié)的方法將吸附劑和金屬粉末燒結(jié)在金屬翅片管的管壁和翅片上，大大減小了吸附劑和換熱器的接觸熱阻；(4)吸附性能高。通過本發(fā)明制備的吸附劑，金屬氯化物的含量高，有效吸附成分含量高，又由于傳熱傳質(zhì)速率快，因此單位質(zhì)量吸附劑的吸附量大，能夠減小吸附制冷機(jī)的體積；(5)使用方便。本發(fā)明將吸附劑和翅片換熱器進(jìn)行了直接結(jié)合，制備了一種帶有吸附劑的一體化換熱管，使用時(shí)，只需用彎頭將多個(gè)帶吸附劑的換熱管進(jìn)行連接即可以形成吸附床，減小了制冷機(jī)的加工難度，同時(shí)能夠有效的減小吸附制冷機(jī)的體積。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例的工藝流程具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例一(I)炭化活化造孔所用原料為氯化鈣、杉木木屑、去離子水，以氯化鈣作為吸附齊U。首先將杉木粉碎成20目的球形顆粒，然后制備氯化鈣水溶液，質(zhì)量濃度為40%，氯化鈣和杉木木屑的質(zhì)量比例為4 1，將杉木木屑浸入氯化鈣水溶液中，浸潰時(shí)間為24小時(shí)。 將杉木木屑和氯化鈣的混合物濾出，在120°C溫度下干燥24小時(shí)，然后將混合物放入管式爐炭化活化制備復(fù)合吸附劑。炭化溫度500°C，炭化時(shí)間2小時(shí)，炭化氣氛為氮?dú)?，活化溫?500°C，活化時(shí)間2小時(shí)，活化氣氛為二氧化碳。(2)填充將炭化活化后所制備的復(fù)合吸附劑與金屬粉末混合均勻，加入羧甲基纖維素溶液攪拌均勻，然后裝入金屬翅片管的翅片間；金屬粉末為錫粉和鋁粉，復(fù)合吸附劑和金屬粉末的質(zhì)量比例為5 5。金屬粉末的顆粒大小為300目，錫粉和鋁粉的質(zhì)量比例為6 : 4。羧甲基纖維素的用量為復(fù)合吸附劑和金屬粉末混合物總質(zhì)量的3%。將混合后的復(fù)合吸附劑，金屬粉末和羧甲基纖維素溶液放入攪拌機(jī)慢速攪拌，使金屬粉末均勻的覆蓋在復(fù)合吸附劑的外表面。金屬翅片管為全鋁結(jié)構(gòu)，材質(zhì)方面要確保耐氨氣腐蝕同時(shí)具有較好的導(dǎo)熱性能和較低的成本。將上述混合物填充進(jìn)金屬翅片管的翅片間，然后用80目的不銹鋼篩網(wǎng)周向包裹翅片管換熱器的翅片，防止吸附劑的脫落。將填充后的產(chǎn)品放入80°C 的干燥箱中干燥48小時(shí)。(3)燒結(jié)將填充后的產(chǎn)品放入管式爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度控制在200°C之間。 燒結(jié)氣氛為氮?dú)?，燒結(jié)時(shí)間為I. 5小時(shí)。實(shí)施例二 (I)炭化活化造孔所用原料為氯化鋇、玉米芯、去離子水，以氯化鋇作為吸附齊U。首先將玉米芯粉碎成10目的球形顆粒，然后制備氯化鋇水溶液，質(zhì)量濃度為30%，氯化鋇和玉米芯的質(zhì)量比例為3 1，將玉米芯浸入氯化鋇水溶液中，浸潰時(shí)間為24小時(shí)。將玉米芯和氯化鋇的混合物濾出，在120°C溫度下干燥24小時(shí)，然后將混合物放入管式爐炭化活化制備復(fù)合吸附劑。炭化溫度650°C，炭化時(shí)間I小時(shí)，炭化氣氛氬氣?；罨瘻囟?50°C， 活化時(shí)間I小時(shí)，活化氣氛為二氧化碳。(2)填充將炭化活化后所制備的復(fù)合吸附劑與金屬粉末混合均勻，加入羧甲基纖維素溶液攪拌均勻，然后裝入金屬翅片管的翅片間；金屬粉末為錫粉和鋁粉，復(fù)合吸附劑和金屬粉末的質(zhì)量比例為4 6。金屬粉末的顆粒大小為250目，錫粉和鋁粉的質(zhì)量比例為8 : 2。羧甲基纖維素的用量為復(fù)合吸附劑和金屬粉末混合物總質(zhì)量的3%。將混合后的復(fù)合吸附劑，金屬粉末和羧甲基纖維素溶液放入攪拌機(jī)慢速攪拌，使金屬粉末均勻的覆蓋在復(fù)合吸附劑的外表面。金屬翅片管為全不銹鋼結(jié)構(gòu)，材質(zhì)方面要確保耐氨氣腐蝕同時(shí)具有較好的導(dǎo)熱性能和較低的成本。將上述混合物填充進(jìn)金屬翅片管的翅片間，然后用80 目的不銹鋼篩網(wǎng)周向包裹翅片管換熱器的翅片，防止吸附劑的脫落。將填充后的產(chǎn)品放入 80°C的干燥箱中干燥48小時(shí)。(3)燒結(jié)將填充后的產(chǎn)品放入管式爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度控制在250°C之間。 燒結(jié)氣氛為氬氣，燒結(jié)時(shí)間為I小時(shí)。實(shí)施例三(I)炭化活化造孔所用原料為氯化鍶、秸桿、去離子水，以氯化鍶作為吸附劑。 首先將秸桿粉碎成30目的球形顆粒，然后制備氯化鍶水溶液，質(zhì)量濃度為50%，氯化鍶和秸桿的質(zhì)量比例為6 1，將秸桿浸入氯化鍶水溶液中，浸潰時(shí)間為24小時(shí)。將秸桿和氯化鍶的混合物濾出，在120°C溫度下干燥24小時(shí)，然后將混合物放入管式爐炭化活化制備復(fù)合吸附劑。炭化溫度450 V，炭化時(shí)間3小時(shí)，炭化氣氛為真空?；罨瘻囟?50 V，活化時(shí)間 3小時(shí)，活化氣氛為二氧化碳。
(2)填充將炭化活化后所制備的復(fù)合吸附劑與金屬粉末混合均勻，加入羧甲基纖維素溶液攪拌均勻，然后裝入金屬翅片管的翅片間；金屬粉末為錫粉和鋁粉，復(fù)合吸附劑和金屬粉末的質(zhì)量比例為3 7。金屬粉末的顆粒大小為500目，錫粉和鋁粉的質(zhì)量比例為7 : 3。羧甲基纖維素的用量為復(fù)合吸附劑和金屬粉末混合物總質(zhì)量的2%。將混合后的復(fù)合吸附劑，金屬粉末和羧甲基纖維素溶液放入攪拌機(jī)慢速攪拌，使金屬粉末均勻的覆蓋在復(fù)合吸附劑的外表面。金屬翅片管為碳鋼結(jié)構(gòu)，材質(zhì)方面要確保耐氨氣腐蝕同時(shí)具有較好的導(dǎo)熱性能和較低的成本。將上述混合物填充進(jìn)金屬翅片管的翅片間，然后用80目的不銹鋼篩網(wǎng)周向包裹翅片管換熱器的翅片，防止吸附劑的脫落。將填充后的產(chǎn)品放入80°C 的干燥箱中干燥48小時(shí)。(3)燒結(jié)將填充后的產(chǎn)品放入管式爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度控制在250°C之間。 燒結(jié)氣氛為真空，燒結(jié)時(shí)間為I小時(shí)。
權(quán)利要求
1.一種基于生物質(zhì)材料的高性能吸附劑的兩步法制備方法，其特征在于包括如下步驟 (1)炭化活化造孔所用原料為金屬氯化物、碳質(zhì)材料，以金屬氯化物作為吸附劑；首先將碳質(zhì)材料浸潰在金屬氯化物溶液中，待浸潰充分后進(jìn)行干燥，然后將干燥后的混合物放入管式爐進(jìn)行炭化活化造孔制備復(fù)合吸附劑； (2)填充將炭化活化后的復(fù)合吸附劑與金屬粉末錫粉和鋁粉混合均勻，加入粘結(jié)劑攪拌均勻，然后填充進(jìn)金屬翅片管的翅片間，干燥； (3)燒結(jié)將帶有吸附劑和金屬粉末的金屬翅片管放入管式爐中進(jìn)行燒結(jié)，通過金屬粉末將吸附劑和金屬翅片管燒結(jié)在一起。
2.如權(quán)利要求I所述的基于生物質(zhì)材料的高性能吸附劑的兩步法制備方法，其特征在于所述碳質(zhì)材料為經(jīng)粉碎過的生物質(zhì)材料，所述金屬氯化物為金屬吸濕鹽。
3.如權(quán)利要求2所述的基于生物質(zhì)材料的高性能吸附劑的兩步法制備方法，其特征在于所述金屬氯化物為氯化鈣，氯化鍶或氯化鋇中的一種或者幾種。
4.如權(quán)利要求I至3之一所述的基于生物質(zhì)材料的高性能吸附劑的兩步法制備方法，其特征在于步驟(I)中生物質(zhì)材料粉碎成10-30目的球形顆粒,金屬氯化物水溶液質(zhì)量濃度為30 50%，金屬氯化物和生物質(zhì)材料的質(zhì)量比例為3 6 I。
4、如權(quán)利要求I所述的基于生物質(zhì)材料的高性能吸附劑的兩步法制備方法，其特征在于步驟(2)中粘結(jié)劑為羧甲基纖維素粘結(jié)劑。
5.如權(quán)利要求I或4所述的基于生物質(zhì)材料的高性能吸附劑的兩步法制備方法，其特征在于步驟(2)中復(fù)合吸附劑和金屬粉末的質(zhì)量比例為3 7 7 3，金屬粉末的顆粒大小為250 500目，錫粉和鋁粉的質(zhì)量比例為8 6 2 4，粘結(jié)劑的用量為復(fù)合吸附劑和金屬粉末混合物總質(zhì)量的1% 6*%。
6.如權(quán)利要求I所述的基于生物質(zhì)材料的高性能吸附劑的兩步法制備方法，其特征在于步驟(3)中燒結(jié)溫度控制在200-250°C之間，燒結(jié)氣氛為氮?dú)?，氬氣或者真空，燒結(jié)時(shí)間為0. 5 I. 5小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于生物質(zhì)材料的高性能復(fù)合吸附劑的兩步法制備方法，該制備方法能夠同時(shí)提高吸附劑的傳熱和傳質(zhì)性能。通過浸漬的方法將金屬氯化物嵌入生物質(zhì)材料內(nèi)，利用炭化活化造孔的方法制備吸附劑提高傳質(zhì)性能；利用粘結(jié)劑將金屬粉末均勻的粘結(jié)在顆粒狀吸附劑外表面，然后填充進(jìn)金屬翅片管換熱器的翅片間，通過燒結(jié)的方法將粘結(jié)有金屬粉末的顆粒狀吸附劑燒結(jié)在一起，同時(shí)將吸附劑和翅片管換熱器也燒結(jié)在一起，形成了一種一體化的帶有吸附劑的換熱管。由于金屬粉末的存在提高了吸附劑的傳熱性能，由于吸附劑和金屬翅片管的緊密結(jié)合，減小了吸附劑和換熱器的接觸熱阻。本發(fā)明制得的產(chǎn)品傳質(zhì)速率高，傳熱性能好，吸附性能高，使用方便。
文檔編號(hào)B01J20/20GK102614853SQ20121005816
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月6日
發(fā)明者卜憲標(biāo), 王令寶, 陸震能, 馬偉斌 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所