专利名称：微波直接炭化活化低介电性材料以制备成型活性炭的方法
技术领域：
本发明属于活性炭制备技术领域，具体涉及一种采用微波加热直接炭化活化低介电性材料以制备各种形状的成型活性炭的方法。
背景技术：
众所周知，微波加热不仅具有高效性、非接触性、整体性、均匀性，升温和降温快、能耗低、操作简易等特点，而且还对被加热物质具有较强的选择性。
利用微波加热的原理是通过微波发生器产生的高频振荡交变外加电场，使置于该电场中被加热物质的极性分子以同样的频率作电场极性振动，从而把电磁能转化为分子热运动能，使分子运动加剧，最终使物质的温度升高，达到加热目的。被加热物质能否被加热以及在微波场中能产生的热量大小与物质的种类及其介电特性直接相关。介电性能低的物质，一般都属于吸收微波弱的物质，不能被微波加热，因而微波对物质具有选择性加热的特性。
一般而言，可用于制备活性炭的原材料十分广泛，即含炭质的材料均可。但用微波进行快速加热，使之炭化活化成为活性炭则不是所有的含炭质材料都可以的。如木材、锯屑、果核、麦杆、稻杆等以纤维素、木质素为主的植物原料，食品废渣、农副产品的废料以及废旧轮胎、废弃及回收的合成纤维等合成材料的废料，虽然它们都是炭质材料，但由于它们一方面为多孔性物质，其孔隙中充满着空气，是电和热的不良导体，另一方面它们的介电性能低，对微波吸收弱，故微波无法直接作用使其升温炭化活化制成活性炭材料。
目前，为了改善如木屑或烟杆固体废弃物等以纤维素、木质素为主的植物原料对微波的吸收性，专利号为931146937.2和02113270.4分别公开的“微波辐射法制造粉状活性炭”的方法和“微波辐射烟杆固体废弃物制造活性炭的方法”中都采取了在植物原料中添加微波炭活化添加剂的方式，即将植物原料与磷酸或氯化锌水溶液混合浸渍。这种方式虽然解决木屑或烟杆固体废弃物对微波的吸收问题，使之能够用微波炭活化制成活性炭材料，但由于这些化学物质经炭活化后会以金属盐的形式残留在活化产物的微孔内，因而必须要经酸洗和大量的水洗才能去除金属盐残留物，否则将因比表面积小而影响活化产物的活性。由于要进行酸洗和水洗，一方面必然要耗酸、耗水，耗能，增加成本，另一方面也要使制备周期增长。另外这种方式只适合于制备粉末状活性炭，不适合于制备化学工程、食品、环境工程所需要的具有几何形状的成型活性炭、活性炭吸附剂、活性炭催化剂。而现有的制备成型活性炭的方法一般都是将已制备好的粉状活性炭再与有机和无机的粘合剂粘合而成，这不仅会在一定程度上影响产品的活性，而且还需在高温下进行热处理，以提高产品的强度和对水的稳定性，进而进一步增加成本和制备周期。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术存在的问题，提供一种采用微波加热直接炭化活化低介电性材料以制备各种形状的成型活性炭的方法。
本发明提供的微波直接炭化活化低介电性材料以制备成型活性炭的方法，主要是在低介电性材料中混入强极性物质或称高介电性材料，并用粘合剂和水将两类材料粘合成型，通过微波作用混入其中的强极性物质或称高介电性材料和水，使整个体系升温，带动其中的低介电性材料发生热裂解反应，炭化活化为成型活性炭，其特征在于该方法的工艺步骤和条件为(1)将粉碎后粒径为100～300目的低介电性材料40～90份与高介电性材料10～40份、粘合剂5～20份一起混合，并加水至混合物含水15～30份；(2)将调湿后的混合物成型；(3)将成型物送入微波发生器中，在功率300～750W下炭化5～20分钟；(4)向微波发生器中通入活化剂，并在功率500～800W下活化5～20分钟即得颗粒、球形、圆柱形、蜂窝状等形状的成品成型活性炭。
以上各组成的配比均为重量份。
其中所用的低介电性材料为木材、木屑、竹材、竹屑、玉米芯、糠醛渣、稻杆、麦杆、果壳、废橡胶、废塑料中的至少一种。
其中所用的高介电性材料为钙、铜、铁、银、钒金属盐化合物和/或炭粉、活性炭粉中的至少一种。
其中所用的粘合剂为酚醛树脂、羟甲基纤维素、粘土中的至少一种。
其中所用的活化剂为二氧化碳气、水蒸气中的任一种。
为了进一步提高活性炭的空隙率或强度，本发明还在调湿后的混合物中加有0～10重量份的添加剂。添加剂为羟甲基纤维素、明胶、聚乙二醇、粘土中的至少一种。
本发明具有以下优点1、由于本发明在低介电性材料中以混合的方式加入了高介电性材料，并辅之以水来进一步调节混合体系的介电性能，因而有效地提高了体系对微波的吸收能力，达到了快速升温进行炭活化的目的，使低介电性材料也能够在微波的直接作用下炭活化制成活性炭材料。
2、由于本发明是在炭活化前的混合材料中加入粘合剂，因而不仅可根据不同的用途，将其加工成为各种几何形状后进行炭活化，一次性地获得用微波加工的成型活性炭，而且还可避免因二次加工带来的能耗和活性降低的问题。
3、由于本发明是在炭活化前的混合材料中加入粘合剂，因而使得加入的高介电性材料，即炭粉、活性炭、金属盐化合物等能更好地与低介电性材料结合，在它们吸收微波的同时更好地带动低介电性材料的炭化、活化。
4、由于本发明添加的高介电性材料中可以是不同的金属及其氧化物，因而使所制备的活性炭还可成为金属催化材料的载体，获得附加的特殊功能。
5、本发明提供的制备方法简单、易于控制、省时、节能，可大大降低活性炭的生产成本和缩短生产周期，同时也为制备成型活性炭开创了一条新途径。
具体实施例方式
下面给出实施例以对本发明进行具体描述，但值得指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍属于本发明的保护范围。
实施例1将粉碎后粒径为200目的糠醛渣80份与炭粉30份、酚醛树脂12份、粘土5份、聚乙二醇5份一起混合，并加水至混合物含水20份；将调湿后的混合物加工成圆球形；将圆球形的成型物送入微波发生器中，在功率750W下炭化5分钟；再向微波发生器中通入二氧化碳气，并在功率700W下活化6分钟即得圆球形的成品成型活性炭。活性炭得率50％，比表面积600平方米/克。
实施例2将粉碎后粒径为150目的木屑90份与氧化铜∶五氧化二钒(1∶1)10份、酚醛树脂20份、羟甲基纤维素5份一起混合，并加水至混合物含水18份；将调湿后的混合物加工成圆柱形；将圆柱形的成型物送入微波发生器中，在功率600W下炭化8分钟；再向微波发生器中通入二氧化碳气，并在功率600W下活化10分钟即得圆柱形的成品成型活性炭。活性炭得率50％，比表面积750平方米/克。
实施例3将粉碎后粒径为250目的木屑∶竹屑(1∶1)80份与炭粉20份、酚醛树脂10份、粘土10份一起混合，并加水至混合物含水22份；将调湿后的混合物在成型机中挤出成型为蜂窝状；将蜂窝状的成型物送入微波发生器中，在功率300W下炭化20分钟；再向微波发生器中通入水蒸气，并在功率800W下活化15分钟即得蜂窝状的成品成型活性炭。活性炭得率60％，比表面积800平方米/克。
实施例4将粉碎后粒径为180目的果壳70份与炭粉20份、氧化铜5份、酚醛树脂10份一起混合，并加水至混合物含水25份；将调湿后的混合物加工成圆球形；将圆球形的成型物送入微波发生器中，在功率650W下炭化15分钟；再向微波发生器中通入二氧化碳气，并在功率650W下活化10分钟即得圆球形的成品成型活性炭。活性炭得率50％，比表面积650平方米/克。
实施例5将粉碎后粒径为300目的废轮胎粉末60份与炭粉30份、氧化铜∶硫酸铜(1∶1)10份、酚醛树脂10份一起混合，并加水至混合物含水30份；将调湿后的混合物在成型机中挤出成型为蜂窝状；将蜂窝状的成型物送入微波发生器中，在功率500W下炭化15分钟；再向微波发生器中通入二氧化碳气，并在功率500W下活化18分钟即得蜂窝状的成品成型活性炭。活性炭得率50％，比表面积1050平方米/克。
实施例6将粉碎后粒径为200目的竹屑80份与活性炭粉30份、酚醛树脂10份、羟甲基纤维素7份一起混合，并加水至混合物含水20份；将调湿后的混合物加工成圆球形；将圆球形的成型物送入微波发生器中，在功率650W下炭化10分钟；再向微波发生器中通入二氧化碳气，并在功率600W下活化10分钟即得圆球形的成品成型活性炭。活性炭得率55％，比表面积800平方米/克。
权利要求
1.一种微波直接炭化活化低介电性材料以制备成型活性炭的方法，其特征在于该方法的工艺步骤和条件为(1)将粉碎后粒径为100～300目的低介电性材料40～90份与高介电性材料10～40份、粘合剂5～20份一起混合，并加水至混合物含水15～30份；(2)将调湿后的混合物成型；(3)将成型物送入微波发生器中，在功率300～750W下炭化5～20分钟；(4)向微波发生器中通入活化剂，并在功率500～800W下活化5～20分钟即得成品的成型活性炭，以上各组成的配比均为重量份。
2.根据权利要求1所述的微波直接炭化活化低介电性材料以制备成型活性炭的方法，其特征在于调湿后的混合物中加有0～10重量份的添加剂。
3.根据权利要求2所述的微波直接炭化活化低介电性材料以制备成型活性炭的方法，其特征在于添加剂为羟甲基纤维素、明胶、聚乙二醇、粘土中的至少一种。
4.根据权利要求1或2或3所述的微波直接炭化活化低介电性材料以制备成型活性炭的方法，其特征在于低介电性材料为木材、木屑、竹材、竹屑、玉米芯、糠醛渣、稻杆、麦杆、果壳、废橡胶、废塑料中的至少一种。
5.根据权利要求1或2或3所述的微波直接炭化活化低介电性材料以制备成型活性炭的方法，其特征在于高介电性材料为钙、铜、铁、银、钒金属盐化合物和/或炭粉、活性炭粉中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的微波直接炭化活化低介电性材料以制备成型活性炭的方法，其特征在于高介电性材料为钙、铜、铁、银、钒金属盐化合物和/或炭粉、活性炭粉中的至少一种。
7.根据权利要求1或2或3所述的微波直接炭化活化低介电性材料以制备成型活性炭的方法，其特征在于粘合剂为酚醛树脂、羟甲基纤维素、粘土中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的微波直接炭化活化低介电性材料以制备成型活性炭的方法，其特征在于粘合剂为酚醛树脂、羟甲基纤维素、粘土中的至少一种。
9.根据权利要求1或2或3所述的微波直接炭化活化低介电性材料以制备成型活性炭的方法，其特征在于为活化剂为二氧化碳气、水蒸气中的任一种。
10.根据权利要求8所述的微波直接炭化活化低介电性材料以制备成型活性炭的方法，其特征在于活化剂为二氧化碳气、水蒸气中的任一种。
全文摘要
本发明公开的微波直接炭化活化低介电性材料以制备成型活性炭的方法，是先将粉碎后的低介电性材料40～90份与高介电性材料10～40份、粘合剂5～20份一起混合，并加水至混合物含水15～30份；然后加工成一定的几何形状；再将成型物送入微波发生器中，在功率300～750W下炭化5～20分钟；最后向微波发生器中通入活化剂，并在功率500～800W下活化5～20分钟即得。由于本发明在低介电性材料中加入了高介电性材料，因而有效地提高了体系对微波的吸收能力，使之能够在微波的作用下炭活化制成成型活性炭。本方法简单、易于控制、省时、节能，可大大降低活性炭的生产成本和缩短生产周期，同时也为制备成型活性炭开创了一条新途径。
文档编号C01B31/10GK1746108SQ200510021388
公开日2006年3月15日 申请日期2005年8月2日 优先权日2005年8月2日
发明者华坚, 尹华强, 吴莉丽, 刘勇军, 汪南方 申请人:四川大学