專利名稱：從固體中移除雜質的方法
技術領域：
本發明涉及從固體移除雜質，詳而言之，本發明涉及一種利用離子交換從固 體移除雜質的方法及系統。
背景技術：
在工業中所需的各種材料與組件是呈或必須呈固體狀且含有污染物與雜質， 而純化固體以移除雜質是一復雜且通常昂貴的工程，通常對于達到其最終用途所需 的標準是重要的。此外，各種工業工程也需要分離混合物且回收在化學反應的催化 作用中的珍貴物質。碳是在工業中使用的一種固體且本發明應被解釋為參考移除雜 質或純化碳作為例子。
即使決定了該雜質的來源，移除或避免該雜質并不一定是實際可行的。這通 常是因為處理成本的緣故，使得該工程并不能經濟地實施；或有時是因為缺少適當 的處理技術的緣故。雖然分離或分類以移除或減少如碳等在固體中的雜質已利用空 氣或干燥系統完成了 ，但是這些方法通常會在所處理的碳中造成缺陷或不一致。
純化碳涉及移除或分離大部分來自如進料、催化劑、添加劑、水等原料；及 如銹與積始等制造冶金。雜質來自各種包括雜質原料和/或制造條件等因素，且進
料是一種典型的雜質來源，例如，在制造爐碳黑時所使用的流體化催化裂解器(FCC)
油會包含在煉油業中使用且保留在碳中的催化劑。
碳的一般特征在于其大部分是元素碳C12的事實，且C12的量超過99.9重量y。。 但是，有時元素碳的含量會低很多，這會破壞最終工業產品的價值。此外，純化或 增加元素碳的含量以達到應用標準與要求通常是不可避免的。例如，如彈性系數、 拉伸強度、及伸長率等物理強度；以及如顏色色澤、暗度、底色、色度、導電與導 熱性、UV防護、EMI屏蔽、靜電荷散逸、補強及催化作用等功能性質；使用壽命 等會受到元素碳的減少與雜質的存在的影響。
在如碳等固體雜質包括，例如H+、 Li+、 Na+、 K+、 NH4+、 Rb+、 Cs+、 Ag+、 Ti+、 Ba2+、 Ni2+、 Fe2+、 Fe3+、 Ca2+、 Mg2+、 Zn2+、 Co2+、 Cu2+、 Sr2+、 Pb2+、 Cd2+、
OH-、 r、 NO" HS(V、 HSCV、 BrO" CKV、 HC(V、 HSiO" Br、 CN-、 N02-、
CU、 KV、 F、甲酸鹽、苯、磺酸鹽、水楊酸鹽、醋酸鹽、丙酸鹽、檸檬酸鹽及酚 土卜
離子交換器或利用離子交換原理已被大量使用在水工業中以從水中純化或分 離出不必要的離子，以達到如飲用等特定的目的，或供藥物、化學藥品、原子與汽 電共生工廠等應用。此外，離子交換也已被使用在其它工業上以達到各種目的，例 如，吸收特定離子、酸純化、酸阻滯、移除酸以進行腐蝕控制、糖加工、飲料加工、 有機反應的催化、堿純化、色層分離、冷凝物精加工、精純化學藥品、從甲醛移除 甲酸、移除抑制劑與穩定劑、離子阻緩、金屬控制、礦物加工、采礦、從地下水移 除鐳、移除鹽類、移除微量污染物、及生產超純化藥品。
離子交換的原理到目前為止尚未被應用于移除雜質或純化固體。此外，離 子交換的原理尚未被應用于移除雜質或純化碳。
發明內容
本發明提供一種利用離子交換從固體移除雜質的方法及系統。 本發明涉及一種從固體移除雜質的方法，包含形成一具有該固體的溶液，使
該溶液通過一離子交換器，使得至少一些存在于該溶液中的雜質被該離子交換器保
留，并且從該離子交換器回收該溶液。由該離子交換器所回收的溶液可被過濾和干
燥，以獲得至少一些雜質已從其中被移除的固體。
本發明也提供一種離子交換系統，它包含多個包括一中或多種功能性離子
樹脂的離子組件；且具有多個使該固體溶液可以均勻地分散在整個離子組件或
樹脂中的配件與零件。
附圖顯示了本發明的較佳實施方式，且與以下詳細說明一起說明本發明的原理。
圖1顯示了一種依據本發明實施方式的用以移除在固體中的雜質的系統。
具體實施例方式
為了更加了解本發明的原理，以下將參照在附圖中所示的實施方式且將使用 特定的語言加以說明。但是，在此應了解的是，本發明的范圍不應因此而受到限制， 且由于發明所屬技術領域中具有通常知識者通常可以了解，故可在所示裝置中進行 變更與進一步修改，且在此所示的本發明原理也可進一步加以應用。
發明所屬技術領域中具有通常知識者應可了解前述一般性說明及以下詳細說 明僅是本發明的舉例與說明，且不會限制本發明。本發明已說明一種從碳移除雜質 的方法，但對于發明所屬技術領域中具有通常知識者顯而易見的是本發明可應用于 任何固體。
本發明涉及從固體移除雜質且已說明從碳移除雜質作為例子，特別地，本發 明說明了一種利用離子交換從固體移除雜質的方法及系統。該雜質是由先形成該固 體溶液，接著使該固體溶液通過一保留該雜質的離子交換系統而被移除。該溶液使 存在于固體中的雜質可更佳地接觸一離子交換系統的樹脂。
在此所稱的溶液包括由混合固體與一適當液體介質所形成的懸浮液、膠體、 漿液，且該溶液可具有或沒有化學藥品的輔助。
本發明可應用于所有固體。在此例子中，本發明可應用于任何一種碳，包括 多種在不同工業中的碳，例如非晶質碳黑、副產物碳、碳纖維、碳微絲、單壁納
米管(SWNT)、多壁納米管(MWNT)、天然石墨、人造石墨、石墨化非晶質碳、活 性碳、人造鉆石、骨黑、由廢棄輪胎回收的焦碳黑、以及飛灰碳。不同碳種類由各
種工程制成，例如熔爐工程、通道工程、氣體工程、熱工程、乙炔工程、電漿、及其它石油化學工程。
一固體溶液由混合該固體與任何適當液體所形成，且最好也包括一懸浮助劑。
所述懸浮助劑可以是酸、堿、乙醇、乙酸酯、陰離子表面活性劑或非離子表面活性 劑中的一種或其組合，并且以使用一非離子表面活性劑作為一懸浮助劑較佳。
較佳地，用以形成該固體溶液的液體是水。該水可以是生水或去礦質水，但 以使用去礦質水較佳。
固體在該溶液中的比例最好是在0.5至10重量％的范圍內，但是，本發明也可
以更大的固體比例來實施。
該固體溶液由將該固體與懸浮助劑一起添加至一液體中且將其徹底混合以產
生一均質溶液而形成，例如，將每ASTM D1765的2kg碳黑N330與40加侖水及一非 離子表面活性劑一起混合，且使用一高剪力葉輪混合器以1800rpm混合30分鐘。
如此形成的固體溶液可更完全地分散在該離子交換器的離子組件床中，且因 此確保更佳地移除雜質。形成該固體溶液也可增加在該離子交換器中如樹脂等離子 組件與在該等固體中的雜質間的接觸。
如此形成的固體溶液通過一離子交換器，且為了達到該固體溶液與該離子交 換器的離子組件的較佳混合，最好在該離子交換器內產生該固體溶液的切向、螺旋、 渦旋或攪拌流。在該離子交換器內的固體溶液的切向、螺旋、渦旋或攪拌流可以在 有或沒有使用壓縮空氣或利用任何適當裝置的情形下以各種方式產生。例如，該切 向流可以將該固體溶液由該離子交換器的側邊導入而產生。或者，該切向、螺旋、 渦旋或攪拌流可以將該固體溶液由該離子交換器的側邊導入且由底部導入壓縮空 氣而產生。如此導入的空氣將經由一或多個于其上具有輪廓切紋的分配器進入該離 子交換器，并產生一渦流。并且，這輪廓最好是呈螺旋狀。
同樣地，在本發明的范圍內，該壓縮空氣也可由該離子交換器的側邊導入且 該固體溶液由底部導入。該固體溶液將經由一或多個具有最好呈螺旋狀的輪廓切紋 的分配器進入該離子交換器，并與該壓縮空氣一起產生一渦流。
在另一實施例中，固體溶液與壓縮空氣兩者均由底部導入且經由一或多個具 有最好呈螺旋狀的輪廓切紋的分配器進入該離子交換器，并產生一渦流。
依據本發明的一個實施例，該離子交換器最好垂直地安裝且最好該固體溶液 由底部進入該離子交換器并由頂部離開，如此可防止堵塞在離子交換器的樹脂床中 的空洞。
在該固體溶液通過離子組件，且存在于該溶液中的雜質與該等離子組件反應 并被固持在該離子組件床內后，由該離子交換器回收該固體溶液。依據該較佳實施 方式，該固體溶液從該離子交換器的頂端回收。基于包括該固體分散在該溶液中的 分散度及該固體溶液在該離子交換器內的分散度、以及該固體的種類和/或密度與 離子組件或樹脂粒的種類等各種參數，某些離子組件或樹脂也會由該離子交換器排 出。在理想的操作條件下，最好只由該離子交換器排出沒有任何離子組件或樹脂的 固體溶液。
為了減少由該離子交換器排出離子組件或樹脂，該固體溶液最好在離開該離 子交換器之前先通過一網。該網具有它可將大部分樹脂粒保留在該交換器內的尺
寸，且可依據樹脂的種類與尺寸，可使用一尺寸60至100的標準網。
由該離子交換器排出離子組件或樹脂也可由控制該固體溶液流經該交換器的 流速來減少，且較快的流速會使較多樹脂流出該交換器。
己發現，依據本發明的教導處理過的碳具有較少量的灰及可萃取組件，并且 可以濕粉末的形態或在成粒后以干顆粒的形態運送，而所回收的碳溶液可利用已知 的過濾與干燥方法加以處理。
依據本發明的實施例，由該離子交換器所回收的碳溶液可被送至少另一離子 交換器。依需要而定，多數離子交換器可串聯地連接，使得由一離子交換器排出的 固體溶液被送入另一離子交換器。并且，如此連接的離子交換器可以是陽離子、陰 離子、或混合床。
依據本發明的實施例，由該離子交換器所回收的碳溶液可被送回至相同離子 交換器中，并進行數次循環，直到達到所需純度為止。在兩循環之間，該碳溶液可 以在該離子交換器再生時儲存在一儲存介質中。
為了更完整地說明本發明，提出以下非限制性的實施例。
實施例l
使用一高剪力葉輪混合器以1800ipm將每ASTM D1765的2kg碳黑N330與40加
侖水及一非離子表面活性劑一起分散30分鐘，接著，將所得的碳溶液送入含有陽離 子磺酸樹脂的離子交換器中。該碳溶液由兩側邊入口(6)進入該離子交換器，如圖l 所示，并沿著該離子交換器的殼罩成為一切向流。同時，壓縮空氣以一如每分鐘IOO 公升的預定流速利用入口(1)與分配器(7)進入該交換器。該碳溶液與該壓縮空氣的 流速被調整成使樹脂粒通過該排出口(3)的在該離子交換器頂部的流動減至最少或 最好完全沒有。該分配器具有螺旋狹縫，使得它向上產生一渦流與多數氣泡，以將 碳與雜質的顆粒分散通過該樹脂床。空氣在該離子交換器的頂端處經由出口(5)排 出，且碳溶液由該排出口(3)回收，并且依據ASTMD1506方法，回收的碳溶液中的 灰含量相較于未處理的改善99%。
由該離子交換器回收的碳溶液可以被送到一樹脂回收系統，其中與該碳溶液 一起排出的樹脂或離子組件被回收且利用入口(8)送回到該離子交換器。
實施例2
如實施例l中所述制備一碳溶液，并請參閱圖l，該碳溶液由入口(l)與分配器
(7)被送至該離子交換器。同時，壓縮空氣以一如每分鐘100公升的預定流速經由兩 入口(6)導入該離子交換器，成為切向流。如此產生的流動使該碳溶液以一分散的 方式通過該離子交換器的樹脂床，且空氣在該離子交換器的頂部處利用出口(5)排 出。碳溶液由該排出口(3)回收，并且依據ASTMD1506方法，回收的碳溶液中的灰 含量相較于未處理的改善99%。
類似地，該固體溶液與該壓縮空氣可經由該入口(1)與(4)而由該離子交換 器底部進入且該分配器將產生通過該樹脂床的所需碳溶液切向或渦流。
權利要求
1.一種從固體移除雜質的方法，該方法包括形成一固體溶液；使該固體溶液通過一離子交換器，使得至少一些存在于該固體溶液中的雜質被該離子交換器保留；以及從該離子交換器回收該固體溶液。
2. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，在該溶液中的固體的濃度在0.5-10 重量％范圍內。
3. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，該離子交換器垂直地安裝，并且 該固體溶液在底部處導入該離子交換器并由頂部排出。
4. 如權利要求1或3所述的方法，其特征在于，使該固體溶液通過離子交換 器包括使壓縮空氣通過該離子交換器。
5. 如權利要求1或4所述的方法，其特征在于，該固體溶液以切向、螺旋、 渦旋或攪拌流中的至少一種的形式進入或通過該離子交換器。
6. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，從該離子交換器回收的固體溶液 通過至少另一個離子交換器。
7. 如權利要求1或6所述的方法，其特征在于，該離子交換器含有陽離子樹 脂、陰離子樹脂、或其混合物中的一種。
8. 如權利要求6所述的方法，其特征在于，回收的固體溶液通過至少兩個離 子交換器，其中，該固體溶液按照陽離子、陰離子和混合床交換器的次序，由一 離子交換器流至另一離子交換器。
9. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，在從離子交換器回收之前，該固 體溶液通過一篩網。
10. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，從該交換器回收的溶液通過一 離子回收系統，其中，至少一些離子在回收該固體溶液時離開該離子交換器。
11. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，從該離子交換器回收的溶液在 以預定的循環次數的再循環操作中被送回該離子交換器中。
12. 如權利要求11所述的方法，其特征在于，該再循環操作包括在將溶液注 入與排出該離子交換器之間，使回收的溶液通入一分配器。
13. 如前述任一權利要求所述的方法，其特征在于，該固體是碳。
14. 一種從碳移除雜質的方法，該方法包括形成一碳溶液；使該碳溶液通 過一離子交換器，使得至少一些存在于該碳溶液中的雜質被該離子交換器保留； 以及從該離子交換器回收該碳溶液。
15. —種從固體移除雜質的方法，該方法基本上如本文中所述并參照附圖所示。
16. —種從碳移除雜質的方法，該方法基本上如本文中所述并參照附圖所示。
全文摘要
本發明涉及一種從固體移除雜質的方法，該方法包含形成一固體溶液；使該固體溶液通過一離子交換器，使得至少某些存在于該固體溶液中的雜質被該離子交換器保留；以及由該離子交換器回收該固體溶液。本發明還涉及一種從碳移除雜質的方法。
文檔編號C01B31/00GK101357758SQ20081009318
公開日2009年2月4日 申請日期2008年4月21日 優先權日2007年4月19日
發明者李昌熙 申請人:大陸碳印度有限公司;大陸碳公司