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一种陶瓷 - 活性炭材料的制备方法
编辑:北京中航豫泓环保技术有限公司   时间:2020-07-06

技术领域

[0001]  本发明涉及到一种陶瓷 - 活性炭材料的制备方法,具体地说是一种具有较高强度的成型活性炭的制备方法。

 

背景技术

[0002] 活性炭由于具有较高的比表面积,发达的孔隙结构和一定官能团的表面结构,对气体、溶液中的有机或无机物质以及胶体颗粒等都有很强的吸附能力,并具有良好的化学稳定性、耐酸、耐碱及耐热等性能。活性炭作为吸附分离材料、催化材料、生物工程材料在工业、农业、军事、医学等领域得到广泛的应用。固定床中使用的活性炭需要较高的强度和一定的形状以减少压降,以充分发挥活性炭材料的功能。普通活性炭的强度相对较低,表面易掉粉末,例如无定型椰壳炭的比表面积可达 1200m2/g,但平均抗压强度较低,且磨耗较高,限制了它在血液净化、防化等特殊领域的应用。特别是在化工催化领域,在反应床中活性炭由于磨损流失严重,限制了它作为催化剂载体的应用。为提高活性炭的强度,公开号为US 4082661“活性炭及其制备方法”以孔径分布为 1000 ~ 70000 埃的成型多孔陶瓷为载体浸渍树脂,炭化活化后用于高纯度的过滤领域。该发明所使用的成型多孔陶瓷宏孔孔径过小,孔内浸渍的树脂经过炭化活化后得到的宏孔孔径更小,增加了陶瓷 - 活性炭体内部活性炭的吸附阻力,阻碍了流体介质与陶瓷 - 活性炭体内部的活性炭之间的传质过程,使得材料内部的活性炭得不到充分利用,不适用于催化剂载体。公开号为平 3-122070“在泡沫陶瓷和硅藻土中制备活性炭层的方法”以孔径分布为介孔的泡沫陶瓷和硅藻土为载体浸渍树脂,炭化活化后用于催化剂载体和过滤领域。该发明所制备的复合材料强度低,适用于流化床催化剂载体和对强度要求不高的过滤领域。公开号为 CN1621148A“抗甲烷化、高强度的活性炭载钌氨合成催化剂”以活性炭粉加无机粘结剂挤压成型的方法来提高活性炭的强度,得到颗粒活性炭,强度≥ 30N/ 颗 ;公开号为 CN 1537075A“成型活性炭”利用 CMC 作为活性炭粉的黏结剂。粉状活性炭加入粘结剂成型后由于会引起粘结剂堵孔现象,造成活性炭各项指标的降低 ;在某些高温高压的化学反应条件下,粘结剂会发生分解,造起成型活性炭强度的急剧下降。

 

发明内容

[0003]  本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术之不足,提供一种陶瓷 - 活性炭材料的制备方法,利用该方法可以制备出强度高并能保持活性炭各项指标稳定的成型多孔陶瓷 - 活性炭材料,可充分满足流体介质与活性炭间的传质要求,有效发挥活性炭材料的功能,克服活性炭表面易掉粉末的现象。

[0004]  为解决上述技术问题,本发明一种陶瓷 - 活性炭材料的制备方法包括如下工艺步骤 :将酚醛树脂配制成浸渍液,经过浸渍工艺,使树脂渗入成型多孔陶瓷内,然后将多孔陶瓷内的树脂经过固化工艺、炭化工艺、活化工艺和清洗工艺的处理,得到陶瓷 - 活性炭复合材料,所述多孔陶瓷的孔隙率为 10 ~ 50%,其孔隙结构包括直径为 10 ~ 1000μm 的随机


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分布孔道,其孔隙内的活性炭的孔隙结构由宏孔、介孔和微孔构成,活性炭含量为总质量的

1 ~ 15%,活性炭的比表面积为 600 ~ 1400m2/g。

[0005] 上述一种陶瓷 - 活性炭材料的制备方法,所述浸渍工艺如下 :将多孔陶瓷在

120 ~ 150℃条件下干燥 1 小时,放入带有夹套的容器中,抽真空 15 ~ 60 分钟,真空表压

为 -0.08 ~ -0.02MPa,将酚醛树脂浸渍液吸入容器中,使多孔陶瓷在浸渍液内浸渍 1 ~ 16小时 ;浸渍用容器夹套内有温水循环,温水的温度为 20 ~ 70℃。该工艺可确保树脂的粘度值在所需的粘度范围内,保证树脂对多孔陶瓷的充分浸渍。

[0006] 上述一种陶瓷 - 活性炭材料的制备方法,所述固化工艺如下 :将浸渍有酚醛树脂的多孔陶瓷从容器内取出,在室温下放置 8 ~ 24 小时后,放入烘箱内固化,70℃起温,每小时升温 5-20℃,在 150℃温度下保温 1 ~ 5 小时。该工艺可确保在固化升温时,树脂在凝胶固化前不会从多孔陶瓷的孔道中溢出。

[0007] 上述一种陶瓷 - 活性炭材料的制备方法,所述炭化工艺如下 :将经过固化工艺处理的多孔陶瓷 - 树脂材料在无氧环境中升温,150℃起温,每分钟升温 2 ~ 10℃,在 600 ~ 1000℃温度下进行炭化处理 60 ~ 180 分钟,在无氧环境中冷却到室温。该工艺可确保树脂炭化时,产生的炭含有丰富的微孔,且结构均匀。

[0008] 上述一种陶瓷 - 活性炭材料的制备方法,所述物理活化工艺如下 :将经过炭化工艺处理的多孔陶瓷- 炭材料在无氧环境中升温,150℃起温,每分钟升温2 ~ 10℃,在600 ~ 1000℃温度下,以过饱和水蒸气或二氧化碳为活化介质,活化处理 10 ~ 120 分钟,在无氧环境中冷却到室温。

[0009]  上述一种陶瓷 - 活性炭材料的制备方法,所述化学活化工艺如下 :将经过炭化处理的多孔陶瓷 - 炭材料在 KOH 或 NaOH 饱和溶液中浸渍 4 ~ 24 小时,在烘箱中 120℃烘干2 ~ 12 小时,然后在无氧环境中升温,150℃起温,每分钟升温 2 ~ 10℃,在 600 ~ 1000℃温

度下处理 10 ~ 120 分钟,在无氧环境中冷却到室温。

[0010] 上述一种陶瓷 - 活性炭材料的制备方法,所述清洗工艺如下 :将经过活化工艺处理的多孔陶瓷- 活性炭材料,用 5 ~ 10%的HCl 溶液酸洗 4 ~ 12 小时,再用清水洗至中性。[0011] 上述一种陶瓷 - 活性炭材料的制备方法,所述成型多孔陶瓷采用多孔陶瓷球、多孔陶瓷管、多孔陶瓷杯、陶瓷板、多孔陶瓷滚筒或多孔陶瓷环中的一种。

[0012] 上述一种陶瓷 - 活性炭材料的制备方法,所述的酚醛树脂为热塑性树脂和热固性树脂两种中的一种或两种的混合使用。

[0013]  上述一种陶瓷 - 活性炭材料的制备方法,所述的酚醛树脂包括未改性的酚醛树脂和改性酚醛树脂,所述改性酚醛树脂为三聚氰氨改性酚醛树脂、苯胺改性酚醛树脂、环氧改性酚醛树脂、腰果壳油或腰果酚改性酚醛树脂、聚乙烯醇改性酚醛树脂、沥青改性酚醛树脂中的一种或一种以上的混合物。

[0014] 上述一种陶瓷- 活性炭材料的制备方法,所述的无氧环境由惰性气体、CO2 和N2 中的一种或一种以上混合后构成。

[0015]  经过上述方法制备得到的陶瓷 - 活性炭材料,表面具有黑色的光泽,可根据需要制成不同的形状,其中活性炭质量含量为总质量的 1 ~ 15% ;活性炭的比表面积为 600 ~ 1400m2/g,并具有较高的强度。与现有技术相比,本发明所制备的陶瓷 - 活性炭复合材料宏孔孔径大,不易堵塞,吸附阻力小,有利于材料内部活性炭材料的充分利用,更适用于催化


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剂载体 ;有较高的强度,适用于固定床及对强度要求较高的场合。同时,该材料还具有下列优点和效果 :

[0016]   1、多孔陶瓷的孔隙率为 10 ~ 50%,其主要孔径由直径为 10 ~ 1000μm 随机分布的三维孔道所构成,其孔隙内活性炭的孔隙结构由宏孔、介孔和微孔构成,这样就可充分满足流体介质与活性炭之间的传质要求,有效发挥活性炭材料的功能。陶瓷 - 活性炭材料中的孔道方向为三维随机分布,降低了流体介质对活性炭的冲蚀磨损,克服了活性炭表面易掉粉末的现象,大幅度地延长了活性炭使用寿命。

[0017] 2、陶瓷基体具有很高的强度,并在固定床中起到填料作用,可以避免填料层高度引起活性炭的破损,降低填料层的流动阻力。

[0018]   3、陶瓷 - 活性炭材料可根据需要制成各种形状,无尺寸限制。

[0019]   该材料适合于在固定床中使用,特别适合于作催化剂的载体。

 

具体实施方式

[0020] 实施例 1 将含酒精溶剂的热固性酚醛液体树脂作为浸渍液,树脂具有如下技术指标 :粘度 260mPas(25℃ ),聚合速度 120 秒,固含量 58%。将孔隙率为 24%的多孔陶瓷球 120℃烘干 1 小时后放入带有夹套的容器中,抽真空 30 分钟,真空表压为 -0.08MPa,将热固

性酚醛树脂浸渍液吸入容器中,使多孔陶瓷球在浸渍液内浸渍 16 小时 ;浸渍用容器夹套内循环水的温度为 40℃。将浸渍有酚醛树脂的多孔陶瓷球从容器内取出,在室温下放置 8 小时后,放入烘箱内进行固化处理,70℃起温,每小时升温 10℃,在 150℃温度下保温 2 小时。将固化好的材料在氮气环境中进行碳化处理,150℃起温,每分钟升温 2℃,升温到 800℃,在该温度下进行炭化处理 60 分钟,在氮气环境中冷却至室温。将炭化处理后的复合材料在KOH 饱和溶液中浸渍 24 小时,在烘箱中 120℃烘干 8 小时,在氮气环境中 150℃起温,每分钟升温 8℃,升温到 800℃进行活化处理 20 分钟,在氮气环境中冷却至室温。用 10%的HCl溶液酸洗得到的材料,水洗至中性,得到活性炭含量为 4.25%的陶瓷- 活性炭材料,其中活性炭的比表面积为 1350m2/g。

[0021] 实施例 2 将孔隙率为 50%多孔陶瓷球 120℃烘干 1 小时后放入带有夹套的容器中,抽真空 30 分钟,真空表压为 -0.04MPa,将热固性酚醛树脂浸渍液 ( 指标同实施例 1)吸入容器中,使多孔陶瓷球在浸渍液内浸渍 16 小时 ;浸渍用容器夹套内循环水的温度为

30℃。将浸渍有酚醛树脂的多孔陶瓷球从容器内取出,在室温下放置 12 小时后,固化该浸渍有酚醛树脂的多孔陶瓷球,70℃起温,每小时升温 10℃,在 150℃温度下保温 2 小时。将固化好的材料在氮气环境中 150℃起温,每分钟升温 2℃,升温到 600℃进行炭化处理 60 分钟,在氮气环境中冷却至室温。重复浸渍 - 固化 - 炭化工艺。将两轮浸渍 - 固化 - 炭化工艺处理后的复合材料在KOH 饱和溶液中浸渍20 小时,在烘箱中 120℃烘干12 小时后在氮气环境中150℃起温,每分钟升温8℃,升温到800℃进行活化处理30 分钟,在氮气环境中冷却至室温。用 10%的HCl 溶液酸洗得到的材料,水洗至中性,得到活性炭含量为 14.37%的陶瓷 - 活性炭材料,其中活性炭的比表面积为 620m2/g。

[0022] 实施例 3 将孔隙率为 34%的多孔陶瓷管 120℃烘干 1 小时后放入带有夹套的容器中,抽真空 30 分钟,真空表压为 -0.08MPa,将热固性酚醛树脂浸渍液 ( 指标同实施例 1)吸入容器中,使多孔陶瓷管在浸渍液内浸渍 16 小时 ;浸渍用容器夹套内循环水的温度为


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60℃。将浸渍有酚醛树脂的多孔陶瓷球从容器内取出,在室温下放置 20 小时后,固化该浸渍有酚醛树脂的多孔陶瓷管,70℃起温,每小时升温 10℃,在 150℃温度下保温 2 小时。将固化好的材料在氮气环境中 150℃起温,每分钟升温 2℃,升温到 800℃进行炭化处理 60 分钟,在氮气环境中冷却至室温。将炭化处理后的复合材料在 NaOH 饱和溶液中浸渍 24 小时, 在烘箱中 120℃烘干 12 小时后在氮气环境中 150℃起温,每分钟升温 8℃,升温到 800℃进行活化处理 10 分钟,在氮气环境中冷却至室温。用 10%的HCl 溶液酸洗得到的材料,水洗至中性,得到活性炭含量为 5.5%的陶瓷- 活性炭材料,其中活性炭的比表面积为 850m2/g。[0023] 实施例 4 将孔隙率为 24%的多孔陶瓷板 120℃烘干 1 小时后放入带有夹套的容器中,抽真空 30 分钟,真空表压为 -0.06MPa,将热固性酚醛树脂浸渍液 ( 指标同实施例 1)吸入容器中,使多孔陶瓷板在浸渍液内浸渍 16 小时 ;浸渍用容器夹套内循环水的温度为

30℃。将浸渍有酚醛树脂的多孔陶瓷球从容器内取出,在室温下放置 8 小时后,固化该浸渍有酚醛树脂的多孔陶瓷板,70℃起温,每小时升温 10℃,在 150℃温度下保温 2 小时。将固化好的材料在氮气环境中150℃起温,每分钟升温2℃,升温到800℃进行炭化处理60 分钟,通入过饱和水蒸汽活化处理 30 分钟,在氮气环境中冷却至室温。用 10%的HCl 溶液酸洗得到的材料,水洗至中性,得到活性炭含量为 4.82%的陶瓷- 活性炭材料,其中活性炭的比表面积为 930m2/g。

[0024] 实施例 5 采用热塑性酚醛树脂、六次甲基四胺和工业酒精配制成浸渍液,热塑

性树脂、六次甲基四胺和溶剂之间的比例为 100 ∶ 10 ∶ 80,热塑性酚醛树脂的软化点为 110℃,聚合速度为 110 秒,配制成浸渍液的粘度 210mPas(25℃ )。将孔隙率为 27%的多孔陶瓷板 120℃烘干 1h 后放入带有夹套的容器中,抽真空 30 分钟,真空表压为 -0.05MPa,将浸渍液吸入容器中,使多孔陶瓷板在浸渍液内浸渍 16 小时 ;浸渍用容器夹套内循环水的温度为 50℃。将浸渍有酚醛树脂的多孔陶瓷板从容器内取出,在室温下放置 20 小时后,放入烘箱内进行固化处理,70℃起温,每小时升温 15℃,在 150℃温度下保温 2 小时。将固化好的材料在氮气环境中150℃起温,每分钟升温2℃,升温到800℃进行炭化处理60 分钟,在氮气环境中冷却至室温。将炭化处理后的复合材料在 KOH 饱和溶液中浸渍 20 小时,在烘箱中120℃烘干12 小时后在氮气环境中150℃起温,每分钟升温8℃,升温到800℃进行活化处理

20 分钟,在氮气环境中冷却至室温。用 10%的HCl 溶液酸洗得到的材料,水洗至中性,得到活性炭含量为 4.24%的陶瓷 - 活性炭材料,其中活性炭的比表面积为 1240m2/g。

公司主营:防水蜂窝活性炭、耐水蜂窝活性炭、蜂窝状活性炭等产品。