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活性炭制備的原料

2021-11-15 產(chǎn)品知識(shí)

原料是決定活性炭制備工藝及產(chǎn)品性能的重要因素。一般而言,需要考慮的原料性質(zhì)主要包括灰分、產(chǎn)率及固定碳含量等。為了獲得高生產(chǎn)效率,就要求原料有盡可能高的固定碳和盡可能低的揮發(fā)分。

活性碳的制備原料可分為如下四大類:

(1)有機(jī)高分子聚合物

包括酚醛樹脂、聚糖醇、聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇/酚醛樹脂、酚甲醛、合成樹脂等。

酚醛樹脂是世界上較早人工合成的樹脂,不僅生產(chǎn)工藝成熟、價(jià)格低廉,而且具有炭化收率高、雜質(zhì)含量低、易于活化成孔等特點(diǎn)。

湖南大學(xué)張林等選擇酚醛樹脂為原料,以NaOH為活化劑考察了炭化溫度、活化溫度、堿炭比、活化時(shí)間等工藝因素,制備出了高比表面積、孔徑分布集中在<2nm范圍。Ozaki等將酚醛樹脂和聚丁烯丁酯在甲醇中以1:1比例混合,制得中孔活性炭。

(2)植物類

包括椰子殼、核桃殼、杏殼等。由于植物類原料內(nèi)部有許多天然孔隙,活化時(shí)活化劑容易進(jìn)入到植物內(nèi)部,而且植物類原料反應(yīng)性能較好,因此得到的活性炭也具有較好的性能,活性炭具有較寬的孔徑范圍,不僅具有一定的微孔,而且通過控制工藝可獲得發(fā)達(dá)的中孔,對于脫除吸附大分子物質(zhì)十分有利。

早在1989年,Jorge Laine等人就以椰殼為原料,通過物理活化和化學(xué)活化,對活性碳進(jìn)行了深入研究。并對800℃下CO2作為催化劑,800℃下CO2活化磷酸鉀浸漬,500℃下磷酸浸漬制備的三種活性碳進(jìn)行活化,得到較后一種活化方式能獲得較大的比表面1360m2/g和較大的孔容1.01cc/g。Yulu Diao等人選取高粱作為原料,采用磷酸活化對工藝條件進(jìn)行了探索,發(fā)現(xiàn)與一般木質(zhì)素活化不同表現(xiàn)為,隨著磷酸濃度的增加,在35%時(shí),該活性炭的比表面積達(dá)到較大,繼續(xù)增加濃度比表面積則會(huì)減小。通過對比一步炭化與二步炭化過程,得到300℃炭化15min,隨后與35%磷酸浸漬12h,在100干燥箱內(nèi)干燥后,活化15min,在500℃時(shí)獲得比表面積達(dá)1522m2/g。

大連理工大學(xué)的梁長海課題組選用美國五針?biāo)赡举|(zhì)粉末,通過微波誘導(dǎo)氯化鋅活化的方法制備高比表面活性炭。

(3)各種煤及煤基衍生物

包括褐煤、煙煤、無煙煤等。

我國煤炭資源十分豐富,煤種齊全,來源穩(wěn)定,因此,以煤為原料生產(chǎn)使我國的活性炭產(chǎn)量逐年增加。世界上越來越多的活性炭也采用煤作原料,1998年60%活性炭都是以煤為原料生產(chǎn)。煤的種類很多,因?yàn)楦髯跃哂刑攸c(diǎn)可以制得不同孔隙結(jié)構(gòu)的活性炭。(1)褐煤和煙煤加熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生燒結(jié)和膨脹,制備的活性炭會(huì)有較發(fā)達(dá)的中孔,可用于液相脫色和較大孔隙的催化劑載體。(2)無煙煤,由于其反應(yīng)性能差,活化周期長,得到的產(chǎn)品微孔發(fā)達(dá)、孔容大,主要用于凈水和中低壓吸附儲(chǔ)氣。(3)次等煤,揮發(fā)成份較高,難以焦化,但反應(yīng)性能好,得到的活性炭也具有一定體積的中孔,可用于普通污水的凈化。

C.ToLEs等人對不同等級(jí)的褐煤進(jìn)行了化學(xué)活化,通過程序升溫對不同等級(jí)的褐煤進(jìn)行熱解,研究其比表面和燒失率與溫度的關(guān)系,雖然都是褐煤,但實(shí)驗(yàn)得到不同等級(jí)的褐煤在不同溫度下比表面積和孔容大小相差很大。

A.Ahmadpour等研究了以化學(xué)活化(KOH和ZnCl2為活化劑)和物理活化(CO2為活化劑)兩種方法處理澳大利亞煙煤,對比了三種活化方法下的煙煤基活性炭的孔容和比表面的異同,并得到各個(gè)方法下的較佳工藝參數(shù)。Stoeckli.F以褐煤為原材料的研究表明:在相同燒失率下,水蒸氣活化得到活性炭,其吸附能力高于二氧化碳活化的,且孔徑分布較寬(0.1nm-40nm),孔徑尺寸偏大(2-4nm)。

(4)其他

丙烯睛為紡織企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢料,以其為原料,先在50℃下用空氣炭化,再在950℃下活化,可得到對硫醇吸附性很高的活性炭。

以芳香族為原料,用硫酸氧化石油焦炭產(chǎn)物,可制得比表面積為1200m2/g左右的活性炭,將煤焦油,萘,間二硝基苯混合,在50-150℃均勻質(zhì)化,通過聚乙烯醇和正丁烷將萘萃取出來。產(chǎn)物在300℃燒結(jié)成球狀物,再于950℃下活化2個(gè)小時(shí),可得到性能優(yōu)良的活性炭。從整個(gè)過程看到工藝相當(dāng)復(fù)雜而且中間產(chǎn)物污染性大,限制了其廣泛應(yīng)用。以聚乙烯為原料,以ZnCl2為活性劑,于450-730℃下惰性氣氛下活化,所得到的活性炭對碘吸附量大于等于600mg/cm3,氮吸附量為大于等于0.48mg/cm3

P.Ariyadejwanich等人將廢輪胎橡膠炭化,總孔容積達(dá)到1.62cm3/g,比表面積為1119m2/g,在廢物利用上做出了貢獻(xiàn),但是廢舊輪胎進(jìn)行炭化處理時(shí),橡膠成分氣化而炭黑幾乎全保留在炭化產(chǎn)物中,而且輪胎的本身結(jié)構(gòu)決定了它不可能有高的比表面積。

在原材料中,煤炭資源是較豐富的,但煤的結(jié)構(gòu)與組成特性直接影響了活性炭性能,與椰殼炭相比,其吸附能力差、灰分高。近年來,研究者們把目光集中在了果殼類原材料,這不僅僅是因?yàn)楣麣ゎ愒牧隙嗍寝r(nóng)林產(chǎn)品廢棄物,成本低廉,更為重要是其灰分低,具有優(yōu)良的天然結(jié)構(gòu),利于形成發(fā)達(dá)微孔結(jié)構(gòu),并且具有較高的天然機(jī)械強(qiáng)度,是制備高比表面積活性炭的較佳材料。其中以椰殼為代表的果殼是十分理想的原料,制得的活性炭中孔容積發(fā)達(dá)、比表面大、吸附性能優(yōu)良,是公認(rèn)的優(yōu)良原料。其它如棒子殼、桃核、杏核也可獲得較高的比表面。研究者發(fā)現(xiàn)幾種果殼(核)制備活性炭的適用性發(fā)現(xiàn):椰殼>桃核>李子核>棒子殼>胡桃核>櫻桃核。

椰殼是農(nóng)林產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品,在我國海南、廣東一帶產(chǎn)量很大,它具有優(yōu)良的天然結(jié)構(gòu),利于發(fā)達(dá)微孔結(jié)構(gòu)的形成,并且制成的炭灰分低、強(qiáng)度高,是制備活性炭的好材料,因此在本實(shí)驗(yàn)的研究中都采用了海南椰殼為原料。

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