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煤質活性炭產品質量的影響因素

發布時間:2020-12-07 瀏覽

摘要:活性炭是具有大的表麵積、豐富的孔隙結構、含有多種表麵化學官能團的、呈疏水性的非純型、複雜結構的碳質吸附劑,可用作吸附劑,催化劑和催化劑載體。對幹法壓塊炭的炭化、活化過程的影響因素進行了試驗研究,分析了生產工藝參數對活性炭產品質量的影響因素,優化生產工藝參數,發現采用CO2和水蒸汽為活化劑,活化效果好,從而生產出優質合格的活性炭產品。較佳工藝參數為:炭化溫度為600℃,活化工藝溫度為900℃,物料的粒度控製在3.35~0.85mm。

引言

活性炭是具有優良的吸附性能和穩定的物理化學性質的碳基吸附材料,廣泛應用於工業、農業、軍事防護和人們日常生活的許多領域,隨著經濟的不斷發展和人們生活水平的逐步提高,其應用領域和使用量也將穩步增長。壓塊、壓片或壓丸活性炭統稱為幹法壓塊炭,起源於歐美國家,因製造過程中汙染物排放量較小,生產工藝相對簡單,近年來該品種活性炭呈快速增長態勢。隨著我國成型設備製造技術的日益成熟,千法壓塊活性炭將在5~10a後成為較大宗的活性炭產品之一。

幹法壓塊工藝的優點是可實現配煤調孔,使最終活性炭的孔隙結構和吸附性能被有目的地“設計”,從而製得多用途型或專用型煤質活性炭產品。通過幹法壓塊炭生產活性炭是國內活性炭領域的研究熱點之一。本文通過分析活性炭質量的影響因素,得到較佳的炭化、活化工藝參數以及顆粒大小,在較佳工藝條件下,可生產出品質較好的活性炭產品。

1、炭化的影響因素

炭化是指在低溫下煤及煤瀝青的熱分解、固化以及煤焦油中低分子物質的揮發。炭化是活性炭生產過程中的主要熱處理工序之一,炭化過程中,因原料的高溫分解,大部分非碳元素H和O首先以氣體形式逸出,而獲釋的碳原子則組合成統稱為基本石墨微晶的有序結晶生成物。嚴格的說,炭化應在隔絕空氣的條件下進行。

炭化的主要目的:

①排除成型料中的揮發分及水分;

②提高炭化料強度,煤焦油中的瀝青成分形成了基本骨架;

③使炭顆粒形成初步孔隙。

炭化溫度直接影響炭化料的孔隙結構和強度。溫度過低,炭化產物無法形成足夠的機械強度,溫度過高,則會促使炭化產物中的石墨微晶有序變化,減少微晶之間的空隙,影響活化造孔過程。將無煙煤加熱,其炭化產物中易石墨化成分占主導地位,無煙煤對炭化終溫非常敏感,當溫度升高時開始收縮,造成在炭化初始階段形成的微孔容積大幅降低。

炭化溫度對炭化料初始孔隙的形成影響很大,按照炭化過程中溫度的影響,煙煤炭化的升溫速率控製在15~20℃/min。提高升溫速率可使物料析出更多的焦油和煤氣,降低炭化料產率;降低升溫速率時,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,獲得更高的固體炭化產物(即炭化料)產率。

炭化不僅決定產品的機械強度等級,還決定產品的孔結構特性以及常規吸附性能指標等級。表1為煙煤炭化溫度對半焦性質的影響,可以看出,碳化溫度對炭化料性質的影響很大,炭化溫度過高,微孔容積明顯下降,但耐磨強度增加,較佳炭化溫度在600℃。

表1炭化溫度對半焦性質的影響

炭化溫度/℃ 7.5-7500nm細孔容積/(mL·g-1) 比表麵積/(m2·g-1 耐磨強度/%
450 0.145 100 65
500 0.150 150 85
600 0.170 220 94
700 0.154 155 96
800 0.127 140 98
900 0.125 100 99
1000 0.020 20 100

2、活化的影響因素

2.1活化劑種類對活化過程的影響

賦予炭顆粒活性,使炭形成多孔的微晶結構和發達表麵積的過程稱為活化過程。活化方法通常有:化學藥品活化法、物理化學聯合活化法和物理活化法。

化學藥品活化法是將含碳原料與化學藥品活化劑混捏,再進行炭化、活化,製取活性炭產品。

物理化學聯合活化法是先進行化學藥品活化,然後進行物理活化。由物理活化法特別是用水蒸氣活化製成的產品,微孔發達,對氣相物質有很好的吸附力,也可通過控製炭的活化程度而用於液相吸附;由化學藥品活化法製得的活性炭微孔發達,多用於液相吸附。

物理活化法(氣體活化法)是在活化過程中通入氣體活化劑,如CO2、水蒸氣、空氣等。活化反應通過以下3個階段達到活化造孔的目的:

①開放原來的閉塞孔。高溫下,活化氣體首先與無序碳原子及雜原子發生反應,將炭化時已經形成但卻被無序的碳原子及雜原子所堵塞的孔隙打開,將基本微晶表麵暴露出來。

②擴大原有孔隙。在此階段暴露出來的微晶表麵上的碳原子與活化氣體發生氧化反應被燒失,使打開的孔隙不斷擴大、貫通及向縱深發展。

③形成新的孔隙。微晶表麵上的碳原子燒失不均勻,同炭層平行方向的燒失速率高於垂直方向,微晶邊角和缺陷位置的碳原子即活性位更易與活化氣體反應。同時,隨著活化反應的不斷進行,新的活性位暴露於微晶表麵,這些新的活性點又同活化氣體進行反應,微晶表麵的這種不均勻的燃燒不斷導致新孔隙的形成。隨著活化反應的進行,孔隙不斷擴大,相鄰微孔之間的孔壁被完全燒失而形成較大孔隙,導致中孔和大孔孔容增加,從而形成活性炭大孔、中孔和微孔相連接的孔隙結構,具有發達的比表麵積。

在相同溫度下,不同活化劑的化學性質不同,與炭的反應速度也不同。800℃、101kPa條件下,炭的氣化燃燒反應的相對速度見表2。從表2可以看出,水蒸氣和CO2活化的相對速度較佳。由於水蒸氣可充分擴散到炭的微孔內,使活化反應能在整個炭顆粒內均勻進行,所以得到比表麵積大、吸附能力強的活性炭。不同活化劑生產的不同活性炭產品性質見表3。從表3可知,采用CO2和水蒸氣作為活化劑,活化生產出來的活性炭產品碘、亞甲藍、四氯化碳和苯的吸附值較高,所以,CO2和水蒸氣作為活化劑活化的效果較好。

表2炭的氣化燃燒反應的相對速度

化學反應 相對速度/(m·s-1
C+CO2 1
C+H2O 3
C+O2 100000
C+H2 0.003

表3不同活化劑生產的不同活性炭產品性質

活化劑/溫度 四氯化碳吸附值/% 苯吸附值/% 碘吸附值/(mg·g-1 亞甲藍吸附值(mg·g-1
水蒸氣/900℃ 48 5 750 110
空氣/600℃ 52 28 830 132
水蒸氣+CO2/900℃ 55 31 910 174

2.2活化溫度的影響

在活化溫度相同的條件下,活化劑的流速大,與炭的反應速率增加,活化時間減少,因此活化溫度是保證活性炭質量的因素之一。表4為不同活化溫度下,水蒸氣用量與活化時間的關係。

表4不同活化溫度下,水蒸氣用量與活化時間的關係

活化溫度/℃ 所需水蒸氣量/(kg·h-1 活化時間/h
800 4.32 27.0
5.78 17.0
9.23 13.0
11.75 9.4
850 1.63 12.5
2.41 7.1
3.28 3.9
900 2.39 3.8
2.16 3.0

由表4可知,以水蒸氣為活化劑,在一定溫度下水蒸氣的用量大,可以縮短活化時間,但在不同的溫度條件下,縮短的活化時間不同,較佳活化溫度為900℃。

3、炭粒徑與碘值、活化時間的關係

炭顆粒小,活化速度快;若粒度過大,活化反應受活化劑在炭顆粒內擴散速度的影響,活化劑與炭的接觸麵積小,發生顆粒外部已燒失、內部還未活化的現象;若顆粒過小,活化氣流通過阻力加大,無法均勻活化,因此炭粒的粒度直接影響活化速度和活化均勻程度,要求炭的粒度要均勻。

煤質活性炭產品質量的影響因素

碘值與炭粒徑、活化時間的關係如圖1所示。由圖1可知,粗顆粒(6.00~2.36mm)的活化反應受活化劑在炭顆粒內擴散速度的影響;活化劑與炭的接觸麵積小,會發生顆粒表麵燒失而內部還未活化的現象;顆粒過小,活化氣流通過阻力大,無法均勻活化,因而炭顆粒的粒度直接影響活化的速度及其均勻程度。在反應過程中,炭顆粒的粒度逐漸變小,有利於活化。較佳的物料粒度為3.35~0.85mm。

4、結論

①碳化溫度對炭化料性質的影響很大,炭化溫度過高,微孔容積明顯下降,但強度增加,較佳炭化溫度在600℃。

②由於水蒸氣可充分擴散到炭的微孔內,使活化反應能在整個炭顆粒內均勻進行,所以得到比表麵積大、吸附能力強的活性炭。因此,CO2和水蒸氣作為活化劑活化的效果較好。

③以水蒸氣為活化劑,在一定溫度下水蒸氣的用量大,可以縮短活化時間,但在不同的溫度條件下,縮短的活化時間不同,較佳活化溫度為900℃。

④炭顆粒的粒度直接影響活化的速度及其均勻程度,在反應過程中,炭顆粒的粒度逐漸變小,有利於活化,較佳的物料粒度為3.35~0.85mm。

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