蜂窩活性炭的制備可分為碳前驅(qū)體成型和后處理。后處理的工序一般根據(jù)其不同的制備條件而有所差異。根據(jù)其成型方法不同,目前,制備蜂窩活性炭的方法主要有整體擠壓成型法和涂載法兩種。
1、整體擠壓成型法
擠出成型是目前國內(nèi)外制備蜂窩活性炭普遍采用的一種成型方法。這種方法是將含炭材料、黏結(jié)劑和無機添加劑混合后通過模具擠壓成型,然后將成形體在一定溫度下干燥,固化使塊狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,后進行炭化(炭化主要在惰性氣體下進行,常用的惰性氣體是氮氣),活化(活化可分為物理活化和化學(xué)活化,常用的物理活化劑有二氧化碳、水蒸氣和氧氣,化學(xué)活化劑有氯化鋅、磷酸和氫氧化鉀)。
可用于制備擠出成型蜂窩活性炭的含炭材料有酚醛樹脂、活性炭、焦炭粉等。該方法制備的蜂窩活性炭由于其結(jié)構(gòu)可調(diào)性較好,并能靈活調(diào)控孔徑分布、孔密度和機械強度,在工業(yè)中使用的較為廣泛。
根據(jù)擠出成型所運用的原材料不同,可將此工藝分為3種。
①直接用炭質(zhì)前驅(qū)體進行成型,然后經(jīng)過干燥、炭化及活化制得蜂窩活性炭。
該方法在進行炭質(zhì)前驅(qū)體成型時,原料與黏結(jié)劑的使用會根據(jù)不同條件確定。當使用無黏性或弱黏性原料時,可在原料中添加黏結(jié)劑,常用的黏結(jié)劑,如:甲基纖維素、酚醛樹脂、煤焦油等。將原料與黏結(jié)劑混勻后,將其捏合、擠壓,從而制備出完整的蜂窩體結(jié)構(gòu)。當使用黏結(jié)性較強的原料時,可以不添加黏結(jié)劑,直接添加水,經(jīng)過混合、捏合、擠壓便可制備出成型的蜂窩體結(jié)構(gòu),這種方法雖然沒有添加黏結(jié)劑,但是利用具有黏結(jié)劑的原料,在炭化時,原料可在熱解階段形成氣-固-液三相膠質(zhì)體,將原料相互黏結(jié)成塊,起到高溫黏結(jié)劑的作用。目前配煤法是研究比較多的無添加黏結(jié)劑制備蜂窩活性炭的方法。
②以粉末狀活性炭經(jīng)過成型、干燥、炭化和活化,制備蜂窩活性炭。
此方法是以活性炭炭粉為原料,添加黏結(jié)劑、粘土等,經(jīng)過混合、捏合和擠壓等工序制備蜂窩活性炭。此法制備的蜂窩活性炭只需在較低溫度下熱處理就可以(一般在300℃以下),所制得的蜂窩活性炭比表面積損失小、燒失率小、機械強度高。由于不需要炭化、活化等工序,制備方法簡單,耗能少,因此在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用潛力巨大。
③混合原料經(jīng)成型、干燥、炭化和活化制備得到蜂窩活性炭。
將幾種炭前驅(qū)體混合均勻后添加少量或不添加黏結(jié)劑,經(jīng)過捏合,擠壓出蜂窩體,再經(jīng)炭化、活化制備出蜂窩活性炭。該方法相對復(fù)雜,但由于原料來源性廣,是制備特種活性炭使用較多的技術(shù)路線。
2、涂炭法
涂炭法是以蜂窩陶瓷為載體,在其上面涂載液體含炭物質(zhì),經(jīng)過干燥、炭化以及活化等工序制備的蜂窩活性炭。
具體可分為兩步:
1、蜂窩陶瓷的制備。將原料與粘結(jié)劑混合均勻后,加水捏合成具有較高可塑性的泥料,將此泥料通過模具擠出成型,然后通過干燥,后在高溫下煅燒成多孔結(jié)構(gòu)。常用于制備蜂窩陶瓷的材料有堇青石、三氧化二鋁、粘土、莫來石等。
2、含炭材料的涂載。將制備好的多孔陶瓷浸入液體含炭材料中,如:酚醛樹脂、聚乙烯、煤焦油、瀝青等,浸入其中一段時間后經(jīng)過干燥、固化、炭化和活化從而制得具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的炭材料。
利用涂載法制備的蜂窩活性炭繼承了蜂窩陶瓷強度高、孔隙大、壓降低的優(yōu)點,使其較適合作為化學(xué)反應(yīng)的催化劑載體。但是涂載法制得的蜂窩活性炭是由蜂窩骨架和含炭材料組合而成,耐磨性較差,在工業(yè)應(yīng)用中易出現(xiàn)炭質(zhì)涂層成片脫落,堵塞載體通道,使壓降急劇升高等問題。因此,涂載法在工業(yè)中的應(yīng)用受到很大限制。
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