活性炭制備工藝的制作方法

本發明涉及活性炭領域，特別涉及一種活性炭制備工藝。

背景技術：

活性炭是一種具有選擇吸附性能的炭吸附劑，可以由煤炭、果殼、木屑等無機或有機的含碳材料為原料，經過物理高溫活化或藥品化學活化而成。活性炭可以用來過濾顆粒物以及去除甲醛等有害氣體，然而，現有的活性炭本身對甲醛的吸附性能不高，且壽命較短，無法滿足人們單純去除甲醛的需求。

技術實現要素：

本發明的主要目的是提出一種活性炭制備工藝，旨在可以制備出對甲醛吸附性能強勁、壽命長的活性炭。

為實現上述目的，本發明提出的活性炭制備工藝包括以下步驟：

炭化：以氮氣為保護氣，按3℃/Min～6℃/Min的升溫速度，將待炭化料加熱至700℃～900℃，溫度穩定后炭化2～4小時，形成炭化料；

活化：以氮氣為保護氣，按7℃/Min～12℃/Min的升溫速度，將所述炭化料加熱至750℃～950℃，然后用氫氧化鈉和甲醛改性劑使所述炭化料活化5～12小時形成活性炭。

優選地，所述待炭化料是經過以下步驟加工而成：

混料：將褐煤和焦煤按照1:0.3～1:0.6的比例混合，形成原煤混合料；

研磨：對所述原煤混合料進行研磨使其粒徑至70μm以下，形成煤粉；

煤泥加工：選取49～55份的煤粉、30～35份的粘合劑、12～17份的水、2～5份的水溶液粘合劑以及1～3份的潤滑劑進行混合，并將其加入至捏合機中攪拌均勻，制成煤泥；

擠壓成型：將所述煤泥通過壓力機擠出成型，以使所述煤泥固化形成所述待炭化料。

優選地，在所述混料步驟之前還包括以下步驟：

原煤破碎：將所述褐煤和所述焦煤破碎至粒徑為2mm以下。

優選地，所述黏合劑為采用煤焦油制成的乳化煤焦油，所述乳化煤焦油的制備步驟如下：

將煤焦油預熱至140℃～150℃，形成高溫煤焦油；

配置乳化劑水溶液，在水中加入2％～5％煤焦油質量的表面活性劑和1％-3％煤焦油質量的穩定劑，預熱至82℃～88℃形成乳化劑水溶液；

將所述高溫煤焦油與所述乳化劑水溶液按照質量比為1:0.4～1:0.6的比例混合，攪拌均勻，形成所述乳化煤焦油。

優選地，在所述煤泥加工步驟和所述擠壓成型步驟之間，還包括以下步驟：

練泥：通過機械練泥機使所述待炭化料混合均勻，用60～100目的絲網過濾出大顆粒物質。

優選地，在所述擠壓成型步驟和所述炭化步驟之間，還包括以下步驟：

干燥：通過隧道爐使所述待炭化料干燥至水分含量在1％～3％以下。

優選地，所述壓力機采用蜂窩鋼模具，以使所述待炭化料呈蜂窩體狀。

優選地，選取的所述煤粉的份數為50份、選取的黏合劑的份數為32份、選取的水的份數為15份、選取的水溶性粘合劑的份數為3份、選取的潤滑劑的份數為2份。

優選地，炭化溫度為800℃，炭化時間為3小時。

優選地，活化溫度為900℃，活化炭化時間為10小時

本發明活性炭制備工藝改變炭化和活化步驟的工藝參數，所制備的活性炭微孔孔隙率提高，吸附性能明顯改善，相對現有工藝具有如下優點：首先，該活性炭，是經過氫氧化鈉和甲醛改性劑等化學藥品活化而成，對甲醛有良好的吸收效果，同時配合炭化與活化步驟中形成良好的孔隙結構，可以大幅提升該活性炭對甲醛的吸附效果；其次，該活性炭經過炭化與活化步驟后，內部形成大量孔隙，孔隙率明顯提高，其吸附容量更大，對甲醛的穿透吸附時間更長，因而使用壽命也更加長久。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖示出的結構獲得其他的附圖。

圖1為本發明活性炭制備工藝一較佳實施例的工藝流程圖。

本發明目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

另外，各個實施例之間的技術方案可以相互結合，但是必須是以本領域普通技術人員能夠實現為基礎，當技術方案的結合出現相互矛盾或無法實現時應當認為這種技術方案的結合不存在，也不在本發明要求的保護范圍之內。

本發明提出一種活性炭制備工藝，該活性炭制備工藝旨在制備一種對甲醛具有很好的吸附效果，同時使用壽命長的活性炭，該活性炭與普通活性炭相比，其微孔孔隙率明顯提高，孔隙結構更加發達，比表面積更大，吸附容量更大。通過本活性炭制備工藝制備的活性炭可以應用于空氣凈化器中，大幅提升空氣凈化器對甲醛氣體的凈化作用。當然，通過本活性炭制備工藝制備的活性炭也可應用在其他需要對甲醛進行吸附凈化的場合或產品中。

在本發明實施例中，上述的活性炭制備工藝包括以下步驟：

炭化：以氮氣為保護氣，按3℃/Min～6℃/Min的升溫速度，將待炭化料加熱至700℃～900℃，溫度穩定后炭化2～4小時，形成炭化料；

活化：以氮氣為保護氣，按7℃/Min～12℃/Min的升溫速度，將所述炭化料加熱至750℃～950℃，然后用氫氧化鈉和甲醛改性劑使所述炭骨架活化5～12小時形成活性炭。

具體的，炭化是活性炭制造過程中的主要熱處理工藝之一，炭化過程中大部分非炭元素—氫和氧因待炭化料的高溫分解首先以氣體形式被排除，而獲取的元素碳原子則組合形成通稱為基本石墨微晶的有序結晶生成物。炭化不僅決定最終產品的機械強度等級，還決定最終產品的孔結構特性以及常規吸附性能指標等級。炭化的主要目的是：排出待炭化料中成型料的揮發份及水分；提高炭化料強度，使煤焦油中的瀝青成分形成基本炭骨架；使炭顆粒形成初步孔隙。炭化應當在隔絕空氣的條件下進行，在本實施例中，采用氮氣作為保護氣體，使整個炭火步驟處于隔絕空氣的條件下進行。

炭化過程中，炭化溫度對待炭化料初始孔隙的形成影響很大，在本實施例中，按3℃/Min～6℃/Min的升溫速度，將待炭化料加熱至700℃～900℃。高升溫速率能使物料洗出更多的焦油和煤氣，降低炭化料產率；升溫速率(即升溫速度)較低時，物料在低溫區受熱時間長，熱解反應的選擇性較強，初期熱解使物料分子中較弱的鍵斷開，發生了平行的和順序的熱縮聚反應，形成具有較高熱穩定性的結構，從而減少高溫熱解析出物的揮發分產率，獲得更高的固體炭化產物(即炭化料)產率。實踐證明，升溫速率控制在3℃/Min～6℃/Min時，可以滿足獲得更高的固體炭化產物的產率，當升溫速率低于3℃/Min時，炭化所需時間會過長造成生產成本上升，同時過低的升溫速度也會造成炭化料的孔隙率降低。當升溫速率為5℃/Min時，獲得更高的固體炭化產物的產率較好，也大幅節省了炭化時間，炭化料液具有較好的孔隙率。

炭化溫度直接影響炭化料的孔隙結構和強度。溫度過低時，炭化產物無法形成足夠的機械強度；溫度過高時，則會促使炭化產物中的石墨微晶有序變化，減少微晶之間的孔隙，使的炭化料過于堅硬，影響活化造孔過程，最終使得炭化料難以活化。實驗數據表明，當炭化溫度控制在700℃～900℃時，所形成的炭化產物具有很好的良好機械強度，同時也具有較大的孔隙率。炭化產物兼備強度和孔隙率的這種特點，在炭化溫度為800℃尤其明顯。在炭化溫度穩定后，將待炭化料進行物理高溫炭化2～4小時后，待炭化料完全炭化，形成炭化料。當炭化時間低于2小時，則會造成炭化不充分，使得炭化料的強度及孔隙率達不到要求；當炭化時間大于4小時，炭化時間過長，則可能會造成炭化料過于堅硬，不利于活化反應，同時隨著炭化時間的增加也會造成生產成本的上升。實踐表明，當炭化控制在3小時左右時，炭化料的性能最佳。

通過上述的炭化工藝，可以使得炭化料具有良好的孔隙率，有利于后續的活化工藝。

活化過程是賦予炭顆粒活性，使炭形成多孔的微晶結構，具有發達的表面積的過程，通過活化反應最終達到活化造孔的目的。本實施例中，活化反應是在隔絕空氣的環境下進行的，以氮氣為保護氣對炭化料進行隔絕處理。活化反應中的升溫速度和活化溫度不宜過高，當升溫速度過快時，活化反應中產生的孔隙會減少，最終導致活性炭的吸附容量降低，減少活性炭的使用壽命；活化反應的升溫速度和活化溫度也不能過度，負責容易造成活化反應不徹底，進而影響活性炭的吸附活性。實踐表明，按7℃/Min～12℃/Min的升溫速度，將所述炭化料加熱至750℃～950℃時，活性炭具有較好的活性。當活化升溫速度為10℃/Min，活化加熱溫度為900℃時，活性炭內部形成大孔、中孔和微孔相連接的孔隙結構，具有發達的比表面積，使得活性炭的孔隙率和吸附容量大幅提升，延長了活性炭的使用壽命。

在上述的活化反應中，采用氫氧化鈉和甲醛改性劑對炭化料進行化學藥品活化，改變了活性炭的吸附性能，使得活性炭對甲醛的吸附性能大幅增加。炭化料的活化時間不能過短，否則容易造成活化反應不充分導致活性炭活性較差。炭化料的活化時間過長，則容易造成生成成本的上升。炭化料的活化時間控制在5～12小時，此時活化反應較為徹底，氫氧化鈉和甲醛改性劑與炭化料進行化學反應，使得制備的活性炭對甲醛的吸附能力大幅提升。當活化時間控制在10小時左右時，炭化料與氫氧化鈉和甲醛改性劑的反應最為徹底，活性炭對甲醛的吸附能力最好。

表1甲醛吸附量實驗數據對照表：

表1所示為采用本發明活性炭制備工藝制備的活性炭與竹炭、普通活性炭對甲醛吸附能力的實驗數據對照表，通過實驗證明本發明制備工藝所制備的活性炭對甲醛具有明顯的吸附效果。

表2甲醛穿透吸附時間實驗數據對照表：

由表2可知，本發明活性炭制備工藝所制備的活性炭對甲醛的穿透吸附時間更長，因而其使用壽命更加長久。

本發明活性炭制備工藝改變炭化和活化步驟的工藝參數，所制備的活性炭微孔孔隙率提高，吸附性能明顯改善，相對現有工藝具有如下優點：首先，該活性炭，是經過氫氧化鈉和甲醛改性劑等化學藥品活化而成，對甲醛有良好的吸收效果，同時配合炭化與活化步驟中形成良好的孔隙結構，可以大幅提升該活性炭對甲醛的吸附效果；其次，該活性炭經過炭化與活化步驟后，內部形成大量孔隙，孔隙率明顯提高，其吸附容量更大，對甲醛的穿透吸附時間更長，因而使用壽命也更加長久。

上述的待炭化料可以是果殼、原煤、木屑等原材料中的一種或多種加工而成，其中不同的原料加工制成待炭化料的工藝過程也不盡相同。在本實施例中，采用原煤作為原材料，經一系列加工工藝后制成待炭化料。原煤作為待炭化料的原材料時，對原煤的選取也有一些要求：①水分，煤的水分對活性炭生產有一點影響，水分含量過高不僅對煤炭的破碎、篩分不利，而且增加你呢過量消耗，提高生產成本；②灰分，煤灰分含量高會降低煤的發熱量，影響炭化料以及活性炭產品的機械強度，影響活性炭的孔隙結構，降低活性炭的吸附性能；③揮發分，煤的揮發分含量過高，揮發出的物質容易結焦，堵塞產品道；揮發分過度，則會造成活化反應不徹底；④反應性，反應性高的煤在活化過程中，反應速斷快，效率高，易于活化。

綜合上述要求后，本實施例中的原煤選取焦煤和褐煤的混合料作為待炭化料的原材料。將焦煤和褐煤的制作成待炭化料的工藝步驟如下：

混料：將褐煤和焦煤按照1:0.3～1:0.6的比例混合，形成原煤混合料；

研磨：對所述原煤混合料進行研磨使其粒徑至70μm以下，形成煤粉；

煤泥加工：選取49～55份的煤粉、30～35份的粘合劑、12～17份的水、2～5份的水溶液粘合劑以及1～3份的潤滑劑進行混合，并將其加入至捏合機中攪拌均勻，制成煤泥；

擠壓成型：將所述煤泥通過壓力機擠出成型，以使所述煤泥固化形成所述待炭化料。

活性炭的制造過程中，主要是依據煤的揮發份和粘結性指標作為配煤基本概念進行原煤的比例混合，同時根據所要制備的活性炭的特性要求也會對原煤的混合比例作出相應地調整。在混料步驟中，褐煤和焦煤按照1:0.3～1:0.6的比例混合，此時所制備的活性炭產品孔結構和吸附性能較佳，能夠有效提高活性炭的性能。需要指出的是，對原煤的配煤技術難以大幅提高活性炭的吸附性能，只能在一定范圍內改善活性炭的吸附性能，降低生產成本。

需要說明的是，在一些情況下時，焦煤和褐煤的煤塊較大，為了使焦煤和褐煤能夠混合均勻，在混料步驟之前，還包括原煤破碎步驟：將所述褐煤和所述焦煤破碎至粒徑為2mm以下。此時，焦煤和褐煤的顆粒粒徑較小，容易使其按比例混合均勻。

對上述的原煤混合料進行研磨的目的是為了將煤進行預氧化處理，增加其表面積，使之易于活化。氧化對煤的炭化以及后去生產活性炭的影響使巨大的，氧化降低了煤受熱的流動性，提高了炭化料的微孔容積，煤的預氧化使得制備的炭化料具有極高的微孔，有利于制備優質活性炭。為了達到上述效果，可以采取將原煤混合料放入研磨機中研磨，使其粒徑至70μm以下，形成煤粉。

煤泥加工的目的是使固定的煤粉與液相的煤焦油充分的混合，賦予混合料以塑形和流動性，使煤粉的細小顆粒充分地、均勻地被煤焦油填充和包裹，煤瀝青在經過炭化后形成炭的基本骨架。為了實現上述效果，本步驟中，將所述煤粉、粘合劑、水、水溶液粘合劑以及潤滑劑按照一定質量比例進行混合，并加入至捏合機中攪拌均勻，制成具有塑形和流動性的煤泥。為了使制得的煤泥具有良好的塑形和流動性的煤泥，在本步驟中，選取49～55份的煤粉、30～35份的粘合劑、12～17份的水、2～5份的水溶液粘合劑以及1～3份的潤滑劑進行混合。作為最佳的實施例，當選取50份的煤粉、32份的粘合劑、15份的水、3份的水溶液粘合劑以及2份的潤滑劑進行混合時，所制得的煤泥的塑形和流動性更佳。

上述的黏合劑需要具備幾個特點：①含碳量高，熱解時析焦率高，最后能夠構成活性炭本身的一部分，起到炭的基本骨架作用；②具有一定的流變性能，對基質顆粒具有良好的浸潤性，并與基質混合后具有可塑性，有利于將基質原料加工成型為顆粒物質；③具有粘結性，使得炭顆粒粘結在一起，產生較高的機械強度；④有助于形成活性炭顆粒內部的初步孔隙，并對無不利影響，起造孔作用。目前常用的黏合劑主要有煤焦油、木質磺酸鈉、淀粉溶液等，考慮到黏合劑的來源途徑，一般采用煤焦油作為黏合劑。在本實施例中，采用的黏合劑為將煤焦油乳化后的形成乳化煤焦油，乳化煤焦油與普通煤焦油相比，具有良好的化學穩定性和流動性，可以使得上述煤粉形成的煤泥具有更好的流動性和塑形。下面介紹該乳化煤焦油的制備步驟：

將煤焦油預熱至140℃～150℃，形成高溫煤焦油；

配置乳化劑水溶液，在水中加入2％～5％煤焦油質量的表面活性劑和1％-3％煤焦油質量的穩定劑，預熱至82℃～88℃形成乳化劑水溶液；

將所述高溫煤焦油與所述乳化劑水溶液按照質量比為1:0.4～1:0.6的比例混合，攪拌均勻，形成所述乳化煤焦油。

作為優選方案，上述的煤焦油的預熱溫度為145℃，在水中加入4％煤焦油質量的所述表面活性劑和1％煤焦油質量的所述穩定劑，預熱至85℃形成所述乳化劑水溶液；高溫煤焦油與乳化劑水溶液的照質量比為1:0.5。此時形成的乳化煤焦油的化學穩定性和流動性最佳。

擠出成型的目的是得到具有一定外形及較高密實度的炭條或者炭塊，將煤泥通過壓力機擠出成型，以使所述煤泥固化形成條狀或者炭狀的待炭化料。該待炭化料的形狀根據其最終制備的活性炭的使用環境和場合而定，例如可以為條狀、柱狀、或者蜂窩體狀等。需要說明的是，當所需的活性炭呈蜂窩體狀時，上述的煤泥經過壓力機擠壓后也呈蜂窩體狀。為了實現這一效果，上述壓力機采用的模具為帶蜂窩剛模具，當煤泥通過該帶蜂窩剛模具時，擠出的煤泥固化后，會形成呈蜂窩體狀的待炭化料。蜂窩體狀的待炭化料最終可以形成蜂窩體狀的活性炭，該蜂窩體狀的活性炭可以應用在空氣凈化器中，與空氣凈化器的進風有很大的接觸面積，能夠大幅提升空氣凈化效率，同時也能降低風阻，降低空氣凈化器運行過程中的噪音。同時，蜂窩體狀的待炭化料具有較大的比表面積，也有利于使后續的炭化和活化反應更加徹底。

在一些實施例中，在煤泥加工步驟和擠壓成型步驟之間，還包括練泥步驟，通過練泥步驟可以使得煤泥加工步驟中形成的煤泥混合更加均勻，將煤泥中的空氣徹底排除，使得煤泥料組織更加均勻，可塑性能和致密性也更好，便于煤泥的后續成型，也提高了成型后的待炭化料的機械強度。該練泥步驟具體為：通過機械練泥機使所述煤泥混合均勻，用60～100目的絲網過濾出大顆粒物質。在通過機械練泥機對煤泥進行處理過程時，用60～100目的絲網將煤泥中的大顆粒物質篩選出，進而可以使得煤泥混合更加均勻，煤泥中的空氣排除更徹底，使得煤泥料組織更加均勻。

為了進一步降低待炭化料的水分，防止由于待炭化料含有過多水分導致炭化過程不充分，炭化料產生的孔隙數量偏低以及孔隙孔徑過小。同時炭化料含有過多水分，也會造成在炭化過程中，水分蒸發帶走炭化熱量，造成炭化過程中所需能耗較大的缺陷。為了避免上述缺陷，本實施例中，在擠壓成型步驟和炭化步驟之間，還包括干燥步驟。該干燥具體為：通過隧道爐使所述待炭化料干燥至水分含量在1％～3％。通過使用隧道爐對待炭化料進行加熱干燥，將其水分含量控制在1％～3％，此時，待炭化料在后續的炭化過程中，能夠形成較好的孔隙結構，具有較高的孔隙率，提升了所制備的活性炭的吸附性能，同時由于干燥后的待炭化料含有水分較少，也能避免炭化過程中不必要的能源損耗，有利于降低生產成本。

以上所述僅為本發明的優選實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是在本發明的發明構思下，利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構變換，或直接/間接運用在其他相關的技術領域均包括在本發明的專利保護范圍內。