由木質(zhì)素制備顆粒活性炭的方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種新的制備高吸附性活性炭的方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中炭化時間較長的缺陷。本發(fā)明以木質(zhì)素為原料制備顆?；钚蕴浚渲械幕罨襟E是以微波照射實現(xiàn)，并且在微波活化的同時通入水蒸氣。本方法縮短了活性炭的制備流程。在優(yōu)選的方法中，以磷酸二氫鋁為活化劑，不需要大量的洗滌水，降低了環(huán)保成本。
【專利說明】由木質(zhì)素制備顆粒活性炭的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及活性炭的制備方法，具體涉及從木質(zhì)素制備顆?；钚蕴康姆椒ā?br> 【背景技術(shù)】
[0002]活性炭是以木材、果殼、煤等含碳材料為原料制備的一類具有發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)、巨大比表面積、強吸附能力的材料，在環(huán)保、國防、化工、食品、醫(yī)藥、紡織等領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛。近幾年，煤、木屑資源短缺日趨嚴(yán)重，因此不斷開發(fā)活性炭生產(chǎn)的原料、探索新的工藝條件、增加新品種是我國乃至世界活性炭工業(yè)發(fā)展的重要任務(wù)。針對傳統(tǒng)活性炭制備原料木材資源短缺的問題，近幾年開發(fā)了花生殼、核桃殼、杏核、甘蔗渣、稻草秸桿等為原料制備活性炭，并取得了較好的成果。
[0003]在自然界中，木質(zhì)素的儲量僅次于纖維素，而且每年都以500億噸的速度再生。木質(zhì)素主要源于工業(yè)紙漿的副廢物，由于其自然降解時間較長，排放掉對環(huán)境會造成不利影響。目前超過95%的木質(zhì)素仍以“黑液”直接排入江河或濃縮后燒掉，很少得到有效利用。僅有少部分用于生產(chǎn)、膠黏劑、防銹劑、染料、分散劑、稀釋劑等，但由于這些產(chǎn)品成本高，市場需要量小等原因，木質(zhì)素尚未得到很好地開發(fā)利用。事實上，木質(zhì)素具有較高的碳含量和與煙煤相似的分子結(jié)構(gòu)，可以作為生產(chǎn)活性炭理想的前驅(qū)體。
[0004]目前由木質(zhì)素制備活性炭的方法主要是在化學(xué)活化劑的存在下對木質(zhì)素進行炭化和活化，炭化的手段主要是加熱。所采用的活化劑通常選自磷酸、氯化鋅、氫氧化鉀、碳酸鉀、碳酸氫鉀等，但是這些活化劑的活化效果還有待提高。 [0005]CN201210207757.9披露一種堿法造紙黑液木質(zhì)素制備粉末活性炭的方法，用堿法造紙黑液經(jīng)酸析法提取并經(jīng)提純制得的木質(zhì)素，木質(zhì)素炭化后加入Κ0Η，置于水浴中30~35min,烘干后的木質(zhì)素與氫氧化鉀的混合物,置于650°C~850°C下加熱活化0.5~2.0h,制得粉末活性炭。這種方法的缺陷是:使用的活化劑是氫氧化鉀，對設(shè)備的腐蝕程度很大，設(shè)備的折舊損耗很大；同時由于氫氧化鉀的堿性很強，制備的活性炭樣品還需要水洗處理。
[0006]CN200610020645.7披露一種活性炭的生產(chǎn)方法，該方法利用造紙制漿黑液中含有木質(zhì)素、纖維素、半纖維素等可以制備木炭的有機物質(zhì)，同時含有NaOH、Na2CO3等可以使木炭形成多孔結(jié)構(gòu)的堿性化學(xué)物質(zhì)的特點。其操作依次包括:稀黑液經(jīng)過蒸發(fā)，得到濃黑液；濃黑液轉(zhuǎn)移到炭化爐中進行炭化，炭化溫度在500~800°C，黑液在炭化爐內(nèi)的停留時間為10 - 90分鐘，炭化后，得到含堿的固體焦炭；含堿固體焦炭經(jīng)過熱水浸泡、洗脫、過濾，得到濕木炭粉和堿性溶液；濕木炭粉經(jīng)過干燥后得到活性炭。
[0007]CN201210210401.0公開一種高吸附性活性炭的制備方法。屬于活性炭制備【技術(shù)領(lǐng)域】。具體是將有機溶劑木質(zhì)素與碳酸鉀或碳酸氫鉀活化劑的水溶液混合均勻，105~120°C干燥后于600~900°C進行炭化活化，活化時間為I~3h。待炭化活化樣自然冷卻至室溫后，再用水煮沸，熱過濾并洗滌至PH值為6.5~7.5，烘干，磨細(xì)，即得活性炭。據(jù)稱能得到高達(dá)400mg/g的亞甲基藍(lán)吸附值。
[0008]上述制備方法的共同不足之處在于:添加的堿對設(shè)備有腐蝕作用；整個工藝流程的周期比較長。并且該方法采用強堿為活化劑，需要大量的水來洗滌，產(chǎn)生大量的廢液，增加了環(huán)境負(fù)擔(dān)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是提出一種新的制備高吸附性活性炭的方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中炭化時間較長的缺陷。
[0010]根據(jù)本發(fā)明，以木質(zhì)素為原料制備顆?；钚蕴浚渲械幕罨襟E是以微波照射實現(xiàn)，并且在微波活化的同時通入水蒸氣。
[0011]優(yōu)選地，微波活化功率為55(T750W，輻射時間為3~20min。
[0012]在一種【具體實施方式】中，本發(fā)明的制備方法依次包含下面的步驟:
[0013]混合，在木質(zhì)素與活化劑溶液進行混合，使活化劑充分滲入木質(zhì)素內(nèi)部；
[0014]造粒，用造粒機將木質(zhì)素造成顆粒物； [0015]干燥，將所得顆粒物干燥成無水狀態(tài)；
[0016]活化，進行微波炭化，同時通入水蒸氣；
[0017]漂洗，用水將活性炭洗滌至酸堿值呈中性；
[0018]再干燥，除去活性炭中的水分。
[0019]優(yōu)選地，使用磷酸二氫鋁為活化劑。進一步地，磷酸二氫鋁以6~10%的水溶液引入，溶液與木質(zhì)素的質(zhì)量比為1:1~1:3。
[0020]在本發(fā)明的第二方面，提供一種顆粒活性炭吸附劑，其采用磷酸二氫鋁作為活化齊?制得。
[0021]本發(fā)明通過微波加水蒸氣的方法明顯縮短了活性炭的制備流程，制備周期為該方法的1/15。在優(yōu)選的方法中，以磷酸二氫鋁為活化劑，不需要大量的洗滌水，降低了環(huán)保成本。
【具體實施方式】
[0022]在本發(fā)明中， 申請人:嘗試將微波法使用在由木質(zhì)素制備活性炭的工藝。在嘗試中發(fā)現(xiàn)，僅僅用微波法進行木質(zhì)素的炭化和活化，所得的活性炭吸附性能較低。如果在微波活化的同時通入水蒸氣，則可以提高活性炭的吸附性能。
[0023]本發(fā)明中，炭化和活化實際是在一個過程中實現(xiàn)，即采用微波爐進行微波照射。所以，下文中活化即是炭化，反之亦然。優(yōu)選的活化功率為55(T750W之間，輻射時間為3~20min，優(yōu)選為5_15min。微波活化使用微波爐進行，在本發(fā)明的典型實施例中，使用的是家庭用微波爐，在微波爐上開出一個開口作為水蒸氣的進口，從該開口還可以在引出一根管子，作為廢氣的出口。優(yōu)選在出氣管氣路中設(shè)置一個廢氣凈化裝置，以吸收其中的有害氣體。
[0024]實驗顯示，向物料中通入水蒸氣，可以延長物料耐受微波的時間，而不易導(dǎo)致活性炭燒結(jié)。在普通模式中，微波處理時間通常不適宜超過5min，而在通入水蒸氣的情況下，處理時間可以延長至20min。
[0025]水蒸氣的導(dǎo)入可以通過流量計和恒流泵來控制，可以根據(jù)木質(zhì)素的量設(shè)定一個進水量，然后根據(jù)該進水量和所需的活化時間來設(shè)置泵速。本發(fā)明中，水蒸氣的用量優(yōu)選為炭化料重量的0.5~1.0倍。
[0026]在典型的實施方式中，由木質(zhì)素制備活性炭的過程包括混合、造粒、干燥、活化、漂洗和再干燥的步驟。
[0027]在混合步驟中，在木質(zhì)素與活化劑溶液進行混合，使活化劑充分滲入木質(zhì)素內(nèi)部?？梢詫⒒旌狭显诔叵蚂o置一段時間，例如數(shù)小時至數(shù)日，也可以將混合料加熱處理，以縮短浸濕時間。例如可以將混合料在7(T110°C的溫度維持1~4小時。后一種方式是優(yōu)選的，因為加熱一方面加速活化劑的滲透，也起到揮發(fā)水分的作用，使得物料可以直接進入后面的造粒工序。
[0028]在本發(fā)明中，活化劑是以溶液狀態(tài)引入，溶液的濃度應(yīng)低于相應(yīng)鹽的飽和濃度?；罨瘎┤芤旱挠昧繎?yīng)足以充分拌濕木質(zhì)素粉末。水量不宜過少，否則，活化劑不能以離子狀態(tài)滲入木質(zhì)素中。水量過大會增加干燥步驟的能耗。溶液的量應(yīng)使得在潤濕所有木質(zhì)素后還可以用手攥出水，又不至于看到游離水存在。
[0029]可以用于本發(fā)明的活化劑的例子包括氯化鋅、磷酸、氫氧化鉀、碳酸鉀、碳酸氫鉀、尿素、三聚氰胺。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，用磷酸二氫鋁作為活化劑，這在現(xiàn)有技術(shù)中沒有先例。實驗證實，使用磷酸二氫鋁作為活化劑，可以改善木質(zhì)素的成型性，所得到的顆粒物活性炭具有一定的強度，而不易在加工、運輸和使用過程中破碎成粉狀。在很多應(yīng)用中，這種顆粒形狀是期望的，其可以避免在使用或者加工過程中產(chǎn)生粉塵和物料的損耗。在使用磷酸二氫鋁的情況下，優(yōu)選將其配制成6~10%的水溶液。在使用時，磷酸二氫鋁溶液與木質(zhì)素的質(zhì)量比例為1:1~1:3。用量過多則最終樣品內(nèi)的灰分含量會過高，影響吸附性能，用量過少則不能完全浸潰好木質(zhì)素，影響成型。
[0030]在一種【具體實施方式】中，在活化劑充分浸濕木質(zhì)素后，用造粒機進行造粒成型。另一種實施方式中，該造粒步驟可以省略。這取決于活性炭的具體用途。用于造粒的物料的含水量可以在20-40%之間。粒徑的大小可以根據(jù)需要進行選擇，通常不大10mm。
[0031]接下來，可以將木質(zhì)素顆粒進行干燥，干燥該木質(zhì)素顆粒的目的是降低顆粒內(nèi)部的水分，同時提高顆粒的強度。干燥可以通過加熱進行，例如加熱至10(T15(TC。該干燥過程可以揮發(fā)掉木質(zhì)素中的大部分水分，從而有利于炭化過程中水蒸氣的侵入。
[0032]本發(fā)明的方法可以用于所有來源的木質(zhì)素，本發(fā)明實施例使用的玉米芯木質(zhì)素僅僅是示例性的。該玉米芯木質(zhì)素可以從市場獲得，例如濟南圣泉集團股份有限公司以商標(biāo)新生代出售的商品名為活性木質(zhì)素的木質(zhì)素產(chǎn)品。
[0033]實施例1:
[0034]將玉米芯木質(zhì)素與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的磷酸二氫鋁溶液按重量比為2.2:1混合均勻后，將混合料置于烘箱中在100°c下處理lh，然后造粒，在150°C下干燥固化3h，最后放入微波爐中在600W下輻射lOmin，水蒸氣的量為炭化料的0.8倍。經(jīng)冷卻后用水洗滌直至pH值為5~7，將漂洗后的活性炭放入烘箱中在150°C下烘至恒重，便制得高強度的氣相吸附用顆?；钚蕴?。經(jīng)測試:碘吸附值達(dá)1053mg/g，亞甲基藍(lán)吸附值達(dá)225mg/g，丁烷工作容量為12.5g/100ml。
[0035]實施例2:
[0036]將玉米芯木質(zhì)素烘干后，與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的磷酸二氫招溶液按重量比為1.5:1混合均勻后，將混合料置于烘箱中在100°C下處理3h，然后成型，在150°C下干燥固化3h，最后放入活化爐中在550W下輻射lOmin，水蒸氣的量為炭化料的1.0倍。經(jīng)冷卻后用水洗滌直至pH值為5~7，將漂洗后的活性炭放入烘箱中在150°C下烘至恒重。經(jīng)測試:碘吸附值達(dá)720mg/g，亞甲基藍(lán)吸附值達(dá)125mg/g，丁烷工作容量為8.6g/100ml。
[0037]實施例3:
[0038]將玉米芯木質(zhì)素烘干后，與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的磷酸二氫招溶液按重量比為2.5:1混合均勻后，將混合料置于烘箱中在100°C下處理lh，然后成型，在150°C下干燥固化3h，最后放入活化爐中在650W下輻射15min，水蒸氣的量為炭化料的1.5倍。經(jīng)冷卻后用水洗滌直至pH值為5~7，將漂洗后的活性炭放入烘箱中在150°C下烘至恒重。經(jīng)測試:碘吸附值達(dá)932mg/g，亞甲基藍(lán)吸附值達(dá)218mg/g，丁烷工作容量為11.2g/100ml。
[0039]實施例4:
[0040]將玉米芯木質(zhì)素烘干后，與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的磷酸二氫招溶液按重量比為3:1混合均勻后，將混合料置于烘箱中在100°C下處理lh，然后成型，在230°C下干燥固化6h，最后放入活化爐中在750W下輻射5min，水蒸氣的量為炭化料的1.2倍。經(jīng)冷卻后用水洗滌直至pH值為5~7，將漂洗后的活性炭放入烘箱中在150°C下烘至恒重。經(jīng)測試:碘吸附值達(dá)885mg/g， 亞甲基藍(lán)吸附值達(dá)180.6mg/g，丁烷工作容量為9.8g/min。
【權(quán)利要求】
1.一種制備顆?；钚蕴康姆椒ǎ湟阅举|(zhì)素為原料，其中包括活化步驟，通過微波方法進行活化，并且在微波活化的同時通入水蒸氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，微波活化功率為55(T750W，輻射時間為:T20min。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，水蒸氣的用量為木質(zhì)素重量的0.5~1.0倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，依次包含下面的步驟: 混合，在木質(zhì)素與活化劑溶液進行混合，使活化劑充分滲入木質(zhì)素內(nèi)部； 造粒，用造粒機將木質(zhì)素造成顆粒物； 干燥，將所得顆粒物干燥成無水狀態(tài)； 活化，進行微波炭化，同時通入水蒸氣； 漂洗，用水將活性炭洗滌至酸堿值呈中性； 再干燥，除去活性炭 中的水分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，進一步使用磷酸二氫鋁為活化劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，磷酸二氫鋁以6~10%的水溶液引入，溶液與木質(zhì)素的質(zhì)量比為1:1~1:3。
7.一種顆?；钚蕴课絼?，其采用磷酸二氫鋁作為活化劑制得。
8.根據(jù)權(quán)利要求8所述的顆粒活性炭吸附劑，其活化過程為微波活化，并同時通入水蒸氣。
【文檔編號】C01B31/10GK103964432SQ201310044521
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年2月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月4日
【發(fā)明者】唐一林, 江成真, 劉曉敏, 焦峰, 時鋒 申請人:濟南圣泉集團股份有限公司