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调整煤质活性炭孔隙结构的工艺途径有哪些?

发布时间:2016-03-24 16:42:19

调整煤质活性炭孔隙结构的工艺途径有哪些?

  不同煤质、不同工艺制造的活性炭,其孔隙结构有很大差别。无烟煤制造的活性炭仅微孔较发达;烟煤(长焰煤)制造的活性炭微孔占主体,中孔略有发展;而泥煤制成的活性炭,大都中孔发达。正因为孔隙结构的千差万别,造成活性炭应用领域的不断细分,不同目的的应用对活性炭孔隙结构各有独特的要求。这种应用领域的细分,虽然一定程度促进了活性炭生产工艺的发展,但也造成活性炭生产和应用中一定程度的混乱。
  基于以上认识,我们试图通过生产工艺的调整,改变煤质活性炭的孔隙结构,生产出一种大中微孔合理分布的“理想孔隙结构”活性炭,从整体上减少活性炭的种类,赋予每一品种的产品更广泛的适用性。
第一阶段的工作,重点探索了增加活性炭中孔率,尤其是增加直径5~10nm中孔孔隙率的工艺途径。
一、通过无烟煤质活性炭的深度活化调整孔隙结构
选用这一工艺途径的基本设想,是想通过深度活化,使发达的微孔结构部分破坏,孔径扩大,发展为中孔。
选用宁夏某厂生产的典型优质无烟煤质活性炭产品,于900℃下用水蒸汽深度活化2小时,具代表性的分析结果见表1和图1.
表1 典型无烟煤质活性炭深度活化前后的性能和孔结构分析数据
样品 挥发分,% 灰分
% 堆比重
g/L 强度
% 碘值
mg/g 比表面积,m2/g 孔容积,cm3/g 平均孔直径nm
BET 微孔 总孔容 中孔 微孔
原产品 2.7 7.2 490 96.2 997 862 0.43 0.33 14.6
深度活化之后 2.1 9.3 450 95.7 1035 1186 219 0.62 0.34 0.10 20.7
可以看出,无烟煤制造的活性炭经深度活化,可使平均孔径增大,从而制得直径2nm的孔高度发达的产品,但难以获得发达的中孔结构。
二、用普通配煤法调整产品的孔隙结构
不同煤质的煤按不同的配比混合,采取一致的混捏、成型、炭化、活化工艺制成的活性炭产品,由于配煤比例不同,总体挥发分产生差异,从而在炭化过程中石墨微晶的产生、生长、排列机理也不相同,最终产品的孔隙结构就会产生较大的差别。
我们选用典型的大同弱粘结性烟煤和宁夏无烟煤,按不同配比,其它工艺相同情况下制出的活性炭,性能和孔结构分析结果见表2和图2。
表2 配煤法制得的活性炭性能和孔结构分析数据
样号 配煤比例,% 炭化后性能 活化后测试数据
烟煤 无烟煤 挥发分,% 灰分
% 堆比重
g/L 灰分
% 堆比重
g/L 强度
% 碘值
mg/g BET比表面积
m2/g 总孔容
cm3/g 微孔容积
cm3/g 平均孔直径
nm
1 75 25 14.5 4.5 580 12.7 0.38 99.4 1062 1072 0.61 0.28 16.7
2 90 10 22.2 3.4 550 11.6 0.31 91.2 1014 923 0.65 0.28 20.8
结果表明,在烟煤占多数的情况下,配煤时减少无烟煤的加入比例,可显著增加中孔率,扩大平均孔径,将3~100nm的孔隙率普遍提高。唯一不足的是所制成的活性炭孔隙结构中,“瓶颈效应”仍明显存在,会制约其应用范围。
三、用焦煤调整活性炭孔隙结构
焦煤的挥发分居于无烟煤和弱粘性烟煤之间,如果以焦煤为主,配以适当比例的其它煤种,应该可以制得高强度、中孔发达、平均孔径大的活性炭。
基于此认识,我们进行了大量试验探索,最终确定了以焦煤为主成分,适当配以少量的弱粘性烟煤和无机盐类添加剂,充分混捏成型,然后采取程序升温法炭化,最后用水蒸汽活化的工艺路线,制成的活性炭直径5~10nm的中孔已相当发达,孔隙结构中“瓶颈效应”已不明显,整个孔隙结构也逐渐趋近于“理想孔隙结构”。表3中给出部分样品的性能测试数据,图3给出对应样品的孔径分布曲线。
表3 焦煤质活性炭的性能和孔结构测试数据
样号 活化得率
% 挥发分
% 灰分
% 堆比重
g/L 强度
% 碘值
mg/g 比表面积,m2/g 孔容积,cm3/g 平均孔直径nm
BET 微孔 总孔容 中孔 微孔
A 34.7 0.8 12.2 440 96.6 954 1017 394 0.65 0.40 0.19 25.4
B 25.2 1.3 20.2 380 91.8 986 1045 51 0.73 0.63 0.01 28.0

四、结论及应用
通过对上述三种工艺试验研究,我们认为要想大幅度调整煤质活性炭的孔隙结构,尤其是提高5~10nm直径的中孔率,仅靠单一煤种是不够的,而配煤是一种有效方法。
4.1 无烟煤制成的活性炭经深度活化,虽然发达的微孔结构部分被破坏、扩大,但只能明显增加平均孔径,几乎没有可能获得中孔发达的产品。
4.2 弱粘性烟煤配入少量的无烟煤制造活性炭,工艺适当时能获得中孔较发达的产品,但研究发现其孔隙结构中存在明显的“瓶颈效应”。
4.3 焦煤为主,配以少量的弱粘性烟煤和适当的添加剂,所制得直径5~10nm的中孔已相当发达,而且“瓶颈型孔隙结构”特征已不明显。所以,可以认为焦煤是一种较好的孔隙结构调节剂,同时是生产大中孔率发达的活性炭的理想原料。
我们研制成功的焦煤活性炭产品中孔,尤其是直径5~10nm的中孔相当发达,在液相脱色试验中,吸附和脱附再生速度都非常迅速,特别是对于特种麸酸液的脱色能力,大大超过了现有的所有煤质活性炭产品和绝大多数的木质脱色炭产品,已开始应用于有特殊要求的液相脱色领域。

  本文提出了三种调整煤质活性炭孔结构(重点是增加直径5~10nm中孔率)的工艺途径,试图生产一种大中微孔合理分布的活性炭,扩大其应用领域。文章给出了三种新工艺所制样品的孔分布图,并进行讨论,最后认为焦煤对调整活性炭中孔率的作用最明显。由于采用与实际情况最趋近的连续解吸分析法,得出的结论具有相当的准确性。

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