本发明涉及活性炭技术领域,具体涉及一种高效净水活性炭的制备方法。
背景技术:
活性炭由于具有巨大的比表面积以及发达的空隙结构,因此对水中溶解态有机物如酚类化合物等具有较强的吸附能力,适用于饮用水的净化。目前市场上采用的活性炭产品主要有两类,即由柱状活性炭制成,或者采用原煤直接破碎,这两类产品用于水质净化均存在难以解决的弊端,难以达到净化水质的目的。
针对以上问题,在中国专利CN1194235中提出了一种煤制活性炭及其制造方法。该活性炭在生产中不经制粉、成型工序,将无烟煤破碎成一定粒度颗粒,加入活化炉中通过高温水蒸汽将其活化制得产品。该方法生产的原煤直接破碎,活性炭存在堆比重轻、机械强度低等缺点,难以起到净化水质的目的。
而在中国专利CN201710466241.9中提出了一种高效净水活性炭,它是经过以下步骤制得:将秸秆干燥后,粉碎过筛至10-60目,混合均匀;在微波裂解反应炉内初步炭化,制得预处理料;微波功率1000-1500W,初步炭化时间为3-15min;将预处理料在15-35wt%盐酸溶液中浸泡3-20h,然后再在15-30wt%氢氧化钠溶液中浸泡-5h,用去离子水反复洗涤直至中性,干燥后制得半成品;将半成品置入380-420℃的马弗炉中保温处理0.5-2h,降至室温即得。该发明通过使用秸秆一定程度上降低了生产成本,但秸秆炭化过程中表面能以形成具有较好吸附能力的中孔和大孔,致使其吸附能力下降,难以起到净化水质的目的。
基于此,有必要提供一种高效净水活性炭的制备方法,以解决现有的活性炭净水效果不理想、净化不彻底的问题。
技术实现要素:
本发明的目的在于提供高效净水活性炭的制备方法法,以解决现有的高效净水活性炭净水效果不理想、净化不彻底的问题。
为了解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种高效净水活性炭的制备方法,由石油焦、原料煤、粘结剂和活化剂组成,且原料各组分的重量含量如下:
石油焦 50-70%;
原料煤 10-40%;
粘结剂 5-20%;
活化剂 0.5-10%;
具体制备步骤如下:
(1)按比例分别称取石油焦和原料煤进行破碎处理,筛分得到粒径为3-5mm的石油焦颗粒和原料煤颗粒,并将石油焦颗粒和原料煤颗粒混合均匀;
(2)按比例加入粘结剂进行搅拌混合、捏合,再经压块机压块成型得到压块料;
(3)将压块料放入炭化炉中,在惰性气体保护下升温炭化,得到炭化料;
(4)将炭化料粉碎,过100-200目筛,并加入活化剂混匀;
(5)将混有活化剂的炭化料放入活化炉中,并在高纯N2气氛下进行活化处理,得到活化料;
(6)将步骤(5)中的活化料冷却后经洗涤、干燥得到高效净水活性炭;
其中,所述步骤(5)活化处理包括以下步骤:
(1)预活化:将混有活化剂的炭化料放入活化炉中,在高纯N2气氛中,以10℃/min的升温速率升温至350℃,恒温1.5h,得到预活化炭化料;
(2)中低温活化:将步骤(1)的预活化炭化料继续升温,以15℃/min升温至600℃,恒温1.0h,得到中低温活化炭化料;
(3)高温活化:将步骤(2)中低温活化炭化料继续升温,以20℃/min升温至800℃,恒温0.5h,即得活化料
优选的,所述石油焦原料的灰分≤0.50%,水分≤5.0%,含碳量≥95%。
优选的,所述原料煤为重量比为3:1的烟煤与褐煤的混合物。
优选的,所述粘结剂为煤沥青、石油沥青、裂化油浆中一种或几种。
优选的,所述活化剂为NaOH或KOH。
优选的,所述压块成型的压力为25-35MPa。
优选的,所述步骤(3)中惰性气体为氮气或氩气。
优选的,所述步骤(3)炭化具体步骤包括:
(1)将压块料置于炭化炉中,并在氮气或氩气保护下进行炭化处理,先控制升温速率为8℃/min,升温至300℃,保持2h进行前期预炭化处理,得到预处理炭化料;
(2)将步骤(1)得到的预处理炭化料,在氮气或氩气保护下,控制升温速率为15℃/min,升温550℃,保持1.5h进行中温炭化处理;
(3)将步骤(2)中温炭化处理的炭化料,在氮气或氩气保护下,控制升温速率为25℃/min,升温至750℃,保持1h进行高温炭化处理;
(4)将步骤(3)得到高温炭化处理的活性炭自然冷却至250℃,在空气流通的情况下, 保持5h进行空气氧化处理,即得炭化料。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
(1)本发明提供的制备方法工艺流程简单,运行成本低,并且制备出的活性炭产品具有机械强度高、吸附性能好等优点,具有较好的水质净化效果。
(2)本发明炭化处理包括:前期预炭化处理、中温炭化处理及高温炭化处理,通过对炭化料的分阶段处理,克服了微晶碳与无规则碳的过度混杂交联,降低炭化料的石墨化度,增加无机矿物质中“活性组分”的含量,便于后续活化反应的进行。
(3)本发明活化处理过程通过分段式进行,通过预活化处理、中低温活化、高温活化,由密集的微孔逐渐扩大为中孔和大孔,从而提高活性炭的吸附性能,增强水质净化效果。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1:
本实施例的高效净水活性炭的制备方法,由石油焦、原料煤、粘结剂和活化剂组成,且原料各组分的重量含量如下:
石油焦 55%;
原料煤 35%;
粘结剂 15%;
活化剂 5%;
具体制备步骤如下:
(1)按比例分别称取石油焦和原料煤进行破碎处理,筛分得到粒径为3-5mm的石油焦颗粒和原料煤颗粒,并将石油焦颗粒和原料煤颗粒混合均匀;
(2)按比例加入粘结剂进行搅拌混合、捏合,再经压块机压块成型得到压块料;
(3)将压块料放入炭化炉中,在惰性气体保护下升温炭化,得到炭化料;
(4)将炭化料粉碎,过100-200目筛,并加入活化剂混匀;
(5)将混有活化剂的炭化料放入活化炉中,并在高纯N2气氛下进行活化处理,得到活化料;
(6)将步骤(5)中的活化料冷却后经洗涤、干燥得到高效净水活性炭。
所述石油焦原料的灰分≤0.50%,水分≤5.0%,含碳量≥95%。
所述原料煤为重量比为3:1的烟煤与褐煤的混合物。
所述粘结剂为煤沥青。
所述活化剂为NaOH。
所述压块成型的压力为25MPa。
所述步骤(3)中惰性气体为氮气。
所述步骤(3)炭化具体步骤包括:
(1)将压块料置于炭化炉中,并在氮气或氩气保护下进行炭化处理,先控制升温速率为8℃/min,升温至300℃,保持2h进行前期预炭化处理,得到预处理炭化料;
(2)将步骤(1)得到的预处理炭化料,在氮气或氩气保护下,控制升温速率为15℃/min,升温550℃,保持1.5h进行中温炭化处理;
(3)将步骤(2)中温炭化处理的炭化料,在氮气或氩气保护下,控制升温速率为25℃/min,升温至750℃,保持1h进行高温炭化处理;
(4)将步骤(3)得到高温炭化处理的活性炭自然冷却至250℃,在空气流通的情况下, 保持5h进行空气氧化处理,即得炭化料。
所述步骤(5)活化处理包括以下步骤:
(1)预活化:将混有活化剂的炭化料放入活化炉中,在高纯N2气氛中,以10℃/min的升温速率升温至350℃,恒温1.5h,得到预活化炭化料;
(2)中低温活化:将步骤(1)的预活化炭化料继续升温,以15℃/min升温至600℃,恒温1.0h,得到中低温活化炭化料;
(3)高温活化:将步骤(2)中低温活化炭化料继续升温,以20℃/min升温至800℃,恒温0.5h,即得活化料。
实施例2:
本实施例的高效净水活性炭的制备方法,由石油焦、原料煤、粘结剂和活化剂组成,且原料各组分的重量含量如下:
石油焦 60%;
原料煤 25%;
粘结剂 10%;
活化剂 5%;
具体制备步骤如下:
(1)按比例分别称取石油焦和原料煤进行破碎处理,筛分得到粒径为3-5mm的石油焦颗粒和原料煤颗粒,并将石油焦颗粒和原料煤颗粒混合均匀;
(2)按比例加入粘结剂进行搅拌混合、捏合,再经压块机压块成型得到压块料;
(3)将压块料放入炭化炉中,在惰性气体保护下升温炭化,得到炭化料;
(4)将炭化料粉碎,过100-200目筛,并加入活化剂混匀;
(5)将混有活化剂的炭化料放入活化炉中,并在高纯N2气氛下进行活化处理,得到活化料;
(6)将步骤(5)中的活化料冷却后经洗涤、干燥得到高效净水活性炭。
所述石油焦原料的灰分≤0.50%,水分≤5.0%,含碳量≥95%。
所述原料煤为重量比为3:1的烟煤与褐煤的混合物。
所述粘结剂为石油沥青。
所述活化剂为KOH。
所述压块成型的压力为35MPa。
所述步骤(3)中惰性气体为氩气。
所述步骤(3)炭化具体步骤包括:
(1)将压块料置于炭化炉中,并在氮气或氩气保护下进行炭化处理,先控制升温速率为8℃/min,升温至300℃,保持2h进行前期预炭化处理,得到预处理炭化料;
(2)将步骤(1)得到的预处理炭化料,在氮气或氩气保护下,控制升温速率为15℃/min,升温550℃,保持1.5h进行中温炭化处理;
(3)将步骤(2)中温炭化处理的炭化料,在氮气或氩气保护下,控制升温速率为25℃/min,升温至750℃,保持1h进行高温炭化处理;
(4)将步骤(3)得到高温炭化处理的活性炭自然冷却至250℃,在空气流通的情况下, 保持5h进行空气氧化处理,即得炭化料。
所述步骤(5)活化处理包括以下步骤:
(1)预活化:将混有活化剂的炭化料放入活化炉中,在高纯N2气氛中,以10℃/min的升温速率升温至350℃,恒温1.5h,得到预活化炭化料;
(2)中低温活化:将步骤(1)的预活化炭化料继续升温,以15℃/min升温至600℃,恒温1.0h,得到中低温活化炭化料;
(3)高温活化:将步骤(2)中低温活化炭化料继续升温,以20℃/min升温至800℃,恒温0.5h,即得活化料。
实施例3:
本实施例的高效净水活性炭的制备方法,由石油焦、原料煤、粘结剂和活化剂组成,且原料各组分的重量含量如下:
石油焦 60%;
原料煤 28%;
粘结剂 8%;
活化剂 4%;
具体制备步骤如下:
(1)按比例分别称取石油焦和原料煤进行破碎处理,筛分得到粒径为3-5mm的石油焦颗粒和原料煤颗粒,并将石油焦颗粒和原料煤颗粒混合均匀;
(2)按比例加入粘结剂进行搅拌混合、捏合,再经压块机压块成型得到压块料;
(3)将压块料放入炭化炉中,在惰性气体保护下升温炭化,得到炭化料;
(4)将炭化料粉碎,过100-200目筛,并加入活化剂混匀;
(5)将混有活化剂的炭化料放入活化炉中,并在高纯N2气氛下进行活化处理,得到活化料;
(6)将步骤(5)中的活化料冷却后经洗涤、干燥得到高效净水活性炭。
所述石油焦原料的灰分≤0.50%,水分≤5.0%,含碳量≥95%。
所述原料煤为重量比为3:1的烟煤与褐煤的混合物。
所述粘结剂为石油沥青。
所述活化剂为KOH。
所述压块成型的压力为30MPa。
所述步骤(3)中惰性气体为氮气或氩气。
所述步骤(3)炭化具体步骤包括:
(1)将压块料置于炭化炉中,并在氮气或氩气保护下进行炭化处理,先控制升温速率为8℃/min,升温至300℃,保持2h进行前期预炭化处理,得到预处理炭化料;
(2)将步骤(1)得到的预处理炭化料,在氮气或氩气保护下,控制升温速率为15℃/min,升温550℃,保持1.5h进行中温炭化处理;
(3)将步骤(2)中温炭化处理的炭化料,在氮气或氩气保护下,控制升温速率为25℃/min,升温至750℃,保持1h进行高温炭化处理;
(4)将步骤(3)得到高温炭化处理的活性炭自然冷却至250℃,在空气流通的情况下, 保持5h进行空气氧化处理,即得炭化料。
所述步骤(5)活化处理包括以下步骤:
(1)预活化:将混有活化剂的炭化料放入活化炉中,在高纯N2气氛中,以10℃/min的升温速率升温至350℃,恒温1.5h,得到预活化炭化料;
(2)中低温活化:将步骤(1)的预活化炭化料继续升温,以15℃/min升温至600℃,恒温1.0h,得到中低温活化炭化料;
(3)高温活化:将步骤(2)中低温活化炭化料继续升温,以20℃/min升温至800℃,恒温0.5h,即得活化料。
实施例4:
本实施例的高效净水活性炭的制备方法,由石油焦、原料煤、粘结剂和活化剂组成,且原料各组分的重量含量如下:
石油焦 65%;
原料煤 20%;
粘结剂 10%;
活化剂 5%;
具体制备步骤如下:
(1)按比例分别称取石油焦和原料煤进行破碎处理,筛分得到粒径为3-5mm的石油焦颗粒和原料煤颗粒,并将石油焦颗粒和原料煤颗粒混合均匀;
(2)按比例加入粘结剂进行搅拌混合、捏合,再经压块机压块成型得到压块料;
(3)将压块料放入炭化炉中,在惰性气体保护下升温炭化,得到炭化料;
(4)将炭化料粉碎,过100-200目筛,并加入活化剂混匀;
(5)将混有活化剂的炭化料放入活化炉中,并在高纯N2气氛下进行活化处理,得到活化料;
(6)将步骤(5)中的活化料冷却后经洗涤、干燥得到高效净水活性炭。
所述石油焦原料的灰分≤0.50%,水分≤5.0%,含碳量≥95%。
所述原料煤为重量比为3:1的烟煤与褐煤的混合物。
所述粘结剂为裂化油浆。
所述活化剂为NaOH。
所述压块成型的压力为28MPa。
所述步骤(3)中惰性气体为氩气。
所述步骤(3)炭化具体步骤包括:
(1)将压块料置于炭化炉中,并在氮气或氩气保护下进行炭化处理,先控制升温速率为8℃/min,升温至300℃,保持2h进行前期预炭化处理,得到预处理炭化料;
(2)将步骤(1)得到的预处理炭化料,在氮气或氩气保护下,控制升温速率为15℃/min,升温550℃,保持1.5h进行中温炭化处理;
(3)将步骤(2)中温炭化处理的炭化料,在氮气或氩气保护下,控制升温速率为25℃/min,升温至750℃,保持1h进行高温炭化处理;
(4)将步骤(3)得到高温炭化处理的活性炭自然冷却至250℃,在空气流通的情况下, 保持5h进行空气氧化处理,即得炭化料。
所述步骤(5)活化处理包括以下步骤:
(1)预活化:将混有活化剂的炭化料放入活化炉中,在高纯N2气氛中,以10℃/min的升温速率升温至350℃,恒温1.5h,得到预活化炭化料;
(2)中低温活化:将步骤(1)的预活化炭化料继续升温,以15℃/min升温至600℃,恒温1.0h,得到中低温活化炭化料;
(3)高温活化:将步骤(2)中低温活化炭化料继续升温,以20℃/min升温至800℃,恒温0.5h,即得活化料。
实施例5:
本实施例的高效净水活性炭的制备方法,由石油焦、原料煤、粘结剂和活化剂组成,且原料各组分的重量含量如下:
石油焦 50%;
原料煤 30%;
粘结剂 15%;
活化剂 5%;
具体制备步骤如下:
(1)按比例分别称取石油焦和原料煤进行破碎处理,筛分得到粒径为3-5mm的石油焦颗粒和原料煤颗粒,并将石油焦颗粒和原料煤颗粒混合均匀;
(2)按比例加入粘结剂进行搅拌混合、捏合,再经压块机压块成型得到压块料;
(3)将压块料放入炭化炉中,在惰性气体保护下升温炭化,得到炭化料;
(4)将炭化料粉碎,过100-200目筛,并加入活化剂混匀;
(5)将混有活化剂的炭化料放入活化炉中,并在高纯N2气氛下进行活化处理,得到活化料;
(6)将步骤(5)中的活化料冷却后经洗涤、干燥得到高效净水活性炭。
所述石油焦原料的灰分≤0.50%,水分≤5.0%,含碳量≥95%。
所述原料煤为重量比为3:1的烟煤与褐煤的混合物。
所述粘结剂为裂化油浆。
所述活化剂为NaOH。
所述压块成型的压力为33MPa。
所述步骤(3)中惰性气体为氮气。
所述步骤(3)炭化具体步骤包括:
(1)将压块料置于炭化炉中,并在氮气或氩气保护下进行炭化处理,先控制升温速率为8℃/min,升温至300℃,保持2h进行前期预炭化处理,得到预处理炭化料;
(2)将步骤(1)得到的预处理炭化料,在氮气或氩气保护下,控制升温速率为15℃/min,升温550℃,保持1.5h进行中温炭化处理;
(3)将步骤(2)中温炭化处理的炭化料,在氮气或氩气保护下,控制升温速率为25℃/min,升温至750℃,保持1h进行高温炭化处理;
(4)将步骤(3)得到高温炭化处理的活性炭自然冷却至250℃,在空气流通的情况下, 保持5h进行空气氧化处理,即得炭化料。
所述步骤(5)活化处理包括以下步骤:
(1)预活化:将混有活化剂的炭化料放入活化炉中,在高纯N2气氛中,以10℃/min的升温速率升温至350℃,恒温1.5h,得到预活化炭化料;
(2)中低温活化:将步骤(1)的预活化炭化料继续升温,以15℃/min升温至600℃,恒温1.0h,得到中低温活化炭化料;
(3)高温活化:将步骤(2)中低温活化炭化料继续升温,以20℃/min升温至800℃,恒温0.5h,即得活化料。
对比例1:
采用中国发明专利申请CN1194235的方法制备的净水活性炭。
对比例2:
采用中国发明专利申请CN201710466241.9的方法制备的净水活性炭。
实验例1:
将实施例1-5以及对比例1、对比例2制备得到的净水活性炭材料的平均孔径、总孔容及比表面积测定,具体结果见表1。
表1
从表1中可以看出,本发明制得的净水活性炭材料的平均孔径、微孔率、总孔容及比表面积均高于现有制备方法生产出来的净水活性。
实验例2:
(1)实验仪器设备
高速粉碎机、干燥器、对锟高压成型设备、玻璃滤膜过滤器、100目筛、ENOVI公司ET99732碘值测试测试仪、HANNA公司MI-99636亚甲基蓝值测定仪、北京丰杰兴源科技公司MY-4455灰分分析仪等。
(2)几项判定指标测定
碘值:按GB/T7702.7-2008碘吸附值测定;
亚甲基蓝值:按GB/T7702.6-2008 亚甲蓝吸附值的测定;
灰分:GB/T7702.15-2008灰分的测定;
耐磨强度:GB/T7702.3-2008强度的测定。
将实施例1-5制得的净水活性炭和对比例1、对比例2制得净水活性炭进行性能指标检测,具体结果见表1。
表1
从表1比较看出,本发明的优点是:
a、相对于对比例1、对比例2,衡量活性炭吸附性能指标的碘值和亚甲基蓝值均远远高于对比例1、对比例2,说明本发明活性炭吸附能力强,净水能力能力强、净水效果好;
b、针对耐磨强度,本发明的活性炭耐磨强度高于对比例1、对比例2、灰分低于对对比例1、对比例2,说明本发明活性炭机械强度高或抗碎裂强度高。
综上所述,本发明提供的制备方法工艺流程简单,运行成本低,并且制备出的活性炭产品具有机械强度高、吸附性能好等优点,具有较好的水质净化效果。
本发明炭化处理包括:前期预炭化处理、中温炭化处理及高温炭化处理,通过对炭化料的分阶段处理,克服了微晶碳与无规则碳的过度混杂交联,降低炭化料的石墨化度,增加无机矿物质中“活性组分”的含量,便于后续活化反应的进行。
本发明活化处理过程通过分段式进行,通过预活化处理、中低温活化、高温活化,由密集的微孔逐渐扩大为中孔和大孔,从而提高活性炭的吸附性能,增强水质净化效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。