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煤质活性炭的工业制造及应用知识培训教程(01)  

2017-11-15 19:04:42|  分类: 活性炭产业 |  标签: |举报 |字号 订阅

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编写:吉建斌(2004年,山西大同)

第一讲:活性炭基本知识

——功能、分类、制造方法及应用领域

一、什么是活性炭?

活性炭是众多工业吸附剂中的一种,是一种多功能性吸附剂。它是由80%以上的固定碳,以及少量的氧、硫、氮、氢等非金属元素,和数量、组成不等的金属及非金属氧化物或金属盐类共同组成的一种以乱排的有机石墨状二元结晶结构为主,夹杂少量无机矿物质的非纯碳材料。由于活性炭中存在大量无规则排列的螺层状晶体结构,使各微晶结构之间形成了形状不同、大小不等的空隙,才使其拥有了丰富的孔隙结构和优越的吸附功能。简而言之,活性炭是一类具有巨大的表面积(通常>800m2/g)、丰富的孔隙结构(一般孔容积>0.6cc/g)、同时含有多种表面化学官能团的、呈疏水性的非纯型、具复杂结构的碳质吸附剂。

二、活性炭的分类

活性炭有多种分类方法,且在各种文献报道中都有所引用。常见的分类方法及称谓简述如下:

1、按外观形状进行分类

一般分为五种。

(1)粉状活性炭。一般指粒径小于150μm(即0.15mm,对应的中国标准筛目为100目)的活性炭产品,在我国,有时将粒径小于0.3mm(60目)的产品亦划入粉状活性炭范畴。

(2)颗粒活性炭。粒度分布>100目(我国的企业多采用>60目)的活性炭,根据外形的不同,颗粒活性炭又可分为圆柱状炭、破碎状炭(分压块/压片破碎炭和直接破碎炭两类)、球形炭和中空微球炭几种。

(3)纤维状活性炭,又称为活性炭纤维。以纤维状含碳物质制成,又分为丝状、布状及毡状等几种。

(4)蜂巢状活性炭,或称蜂窝活性炭。

(5)活性炭成型物,又称为复合型活性炭。选择纸、无纺布、海绵、甚至蜂窝陶瓷等作基材,将活性炭粘附其上制成的各种形状、具特殊功能的复合型吸附材料。

2、按制造原料分类

一般有六种。

(1)煤质活性炭,又称煤基活性炭。系用各种原煤通过不同工艺制造的一大类活性炭产品的统称。煤质活性炭根据制造工艺的不同又可分为成型炭和原煤直接破碎炭两类。前者又可进一步细分为湿法成型炭(如加焦油、造纸黑液、淀粉糊等液态粘合剂制造的柱状炭、球炭、蜂窝炭等)和干法成型炭(如加入固体状沥青、淀粉、树脂粉等作粘合剂采用对辊成型工艺制成的压块、压片、压丸破碎炭或具规则外形的压丸状活性炭)。一般来说,成型炭可采用多种原煤混合来调整最终产品的孔隙分布特性,从而获得一些特殊的应用性能,而原煤直接破碎炭的孔隙分布特征80%以上已由原料决定了,故性能和用途较单一。

(2)木质活性炭。系用各种硬质木材、农作物废料、以及其它含木质纤维素的工农业废料为原料,通过化学法、物理法或物理–化学结合法制成的活性炭。

(3)果壳/果核类活性炭。如椰壳炭、杏核炭、桃核炭等。

(4)石油系活性炭。用石油沥青、石油焦等作原料,制成的活性炭产品。

(5)树脂类活性炭。用酚醛树脂、废的离子交换树脂等为原料,经特殊工艺制得的活性炭产品,有时将纤维炭亦归入此一类型中。

(6)其它的小品种活性炭产品。包括用动物血液制成的血炭,用动物骨骼制成的骨炭(但骨炭中碳元素非常少,主要成分为羟基磷酸钙),用各种原料制成的分子筛活性炭,用强碱与含碳原料制造的高表面积活性炭,采用有机高分子溶液经特殊工艺制成的铸型法活性炭,碳气凝胶活性炭等等。其中有些是生产量和用量很小,有些还处于实验室研究阶段,故一并归入小品种活性炭产品范畴。

3、按制造方法进行分类

一般分为两种。

(1)化学药品活化法活性炭。多采用氯化锌、磷酸、氢氧化钾、氢氧化钠等作活化剂。

(2)气体活化法活性炭。多数采用水蒸汽活化法,有时采用二氧化碳和空气活化。大生产中,实际上是这三种活化气体的混合活化过程。

4、按用途分类

一般分为三种。

(1)气相吸附活性炭。可用于排气处理、空气净化、溶剂回收、气体分离、脱臭、脱硫脱硝、工业原料气体精制、气相色谱填充剂、空气采样器、保鲜、臭氧脱除、香烟滤咀、天然气吸附贮存、军用和民用防毒面具等。

(2)液相吸附活性炭。自来水处理、纯净水制造、工业及生活污水的深度处理、脱色精制、血液净化、黄金回收、双层电容器电极用、药用炭等。

(3)触媒(催化剂)用活性炭。既可直接用作某此工业过程的催化剂(如光气合成、醋酸乙烯的合成等),更多的时候活性炭是用作催化剂的载体(如担载贵金属铂、铑、钯、钌、金等制成的铂炭、钯炭催化剂等)。

三、活性炭的制造方法

本处仅介绍活性炭制造的一些原则性、通用性的工艺环节,更细致的制造方法则会在以后的讲座中详细介绍。

1、化学活化法活性炭的一般性制造方法

(1)第一步,原料准备

将含碳原料进行预先处理,处理方法可能包括烘干、去杂、破碎、制粉、甚至预先氧化处理等过程中的一项或多项。

同时准备符合质量要求的化学药剂,若为直接使用固体药剂时(如使用氢氧化钾、氢氧化钠等),仅需将原料破碎至一定块度即可,若以溶液状态使用时,则需将化学药剂与溶剂(多采用蒸馏水或去离子水)配制成一定浓度的化学溶液,有时不仅要控制溶液的浓度,还要控制溶液的比重甚至电离系数。

(2)第二步,原料混合

将含碳原料和化学药剂(固体或溶液状)按比例混合,对于某些原料,混合后可能还要附加一个磨制工序,以使原料更充分地接触以利于后继工序化学反应的进行。

(3)第三步,加热升温进行水解或氧化、脱氢等化学反应

通常在400?1000温度范围内进行,且多采取惰性气体(多用氮气)保护,或机械方法隔绝空气来进行。有时还会采取程序升温工艺来获得某种特殊功能的活性炭产品。此工序结束后,可获得固定碳含量达80?95%的碳骨架与原料化学药剂的转化物(反应产物)、未反应的化学药剂混合在一起的产物,一般来说,这种混合产物极易燃烧,甚至会发生爆燃,需立刻进入后继工序进行处理以降低这种危险性。

(4)第四步,浸提,去除活化剂及其反应产物

上述混合产物冷却后,一般用自来水反复浸洗(有时会在若干次水洗之后加入稀酸来提高活性炭的纯度),以彻底去除活化药剂及其反应产物,获得湿的活性炭产品。

(5)第五步,后处理过程

可能的后处理工艺有:烘干、筛选;酸洗提纯;成型加工等。

2、气体活化法活性炭的一般性制造方法

(1)原料准备工序

可能的原料准备工作包括下述工艺方法中的一种或几种:烘干、去杂、破碎、筛选、氧化(化学药剂湿法氧化,或采用空气或富氧空气甚至纯氧进行热氧化处理)、磨粉、风选分级等。

(2)成型工序

可能的成型方法有:挤条、滚球、重液成球、压片、压块、压丸、蜂窝成型、纺丝、中空成型等。

(3)成型物氧化工序

多采用热空气强制氧化法,目的可能有:消熔胀、破粘、增加活化工序反应性、改性或表面修饰作用等。

(4)炭化工序

既可以采取一步炭化法,也可以采取多程(如双程,炭化温度不同)炭化工艺。根据原料和目标产品的不同,炭化温度一般在350?1200之间取值。特殊地,如制造沥青微球炭或分子筛活性炭时,还需采取程序升温炭化工艺。

(5)炭化料的后处理工序

有时,为了获得某些特殊功能的活性炭产品,炭化料可能会被以下工艺中的一种或几种进一步处理:提纯、添加化学药剂、强制氧化、强制脱氢等。

 

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关光(先生):北京北宇机械设备有限公司,18001368585

吉建斌(先生):18603463183,jzhx928@163.com

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