一种用于制备活性炭的粘结剂、其制备方法及一种活性炭与流程

本发明涉及一种用于制备活性炭的粘结剂、其制备方法及一种活性炭。
背景技术：
：现有活性炭的生产过程中主要以煤焦油作为粘结剂用于一次炭粉的成型。一次碳粉可以理解为活化前经过炭化得到的炭粉。煤焦油中含有萘、苯酚、蒽、菲等成分，在热解过程中会释放到环境中造成污染，因此，从环保角度有必要开发对环境更友好的粘结剂。然而，由于煤焦油在热解过程中同时又起到造孔剂的作用并能够为活性炭提供骨架结构，而其他现有粘结剂往往又不能提供良好的造孔性能和对活性炭的骨架支撑强度，因此，目前的活性炭生产厂家仍不容易避免的使用到煤焦油。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种用于制备活性炭的粘结剂，其制备方法及一种活性炭。所述粘结剂是一种可以替代煤焦油，对于环境友好并有助于制备出性能优异的活性炭的粘结剂。为了实现上述目的，根据本说明书的第一个方面，提供了一种用于制备活性炭的粘结剂。该粘结剂由包括按质量份计的如下组分混合制成：40-70份淀粉；0.8-3份聚乙烯醇；10-40份碱式硅溶胶；1-15份石膏晶须；1-15份氧化铝；1-15份硅酸镁铝盐；以及为制备该粘结剂所需的水。本发明中使用的碱式硅溶胶是由二氧化硅粒子在水中分散的胶体溶液，其ph值通常在9-10的范围内，密度通常在1.1-1.3g/cm3的范围内。可选的，所述淀粉包含10-20份玉米淀粉和30-50份木薯淀粉。可选的，所述石膏晶须、氧化铝和硅酸镁铝盐中至少一种组分的粒径控制在150微米以下，优选在75微米以下。根据本说明书的第二个方面，提供了一种用于制备活性炭的粘结剂的制备方法，用于制备上述第一个方面的粘结剂。该制备方法包括：以所述淀粉和水为原料混合制取糊化淀粉乳液；以所述聚乙烯醇、碱式硅溶胶和水为原料混合制取造孔剂基液；将所述石膏晶须、氧化铝和硅酸镁铝盐与所述造孔剂基液以及糊化淀粉乳液混合制取所述粘结剂。可选的，所述以所述淀粉和水为原料混合制取糊化淀粉乳液的过程包括：取所述淀粉加入到按质量份计100-300份水中混匀并加热至不高于沸腾温度，然后加入氧化剂氧化，再加入碱液进行糊化，得到所述糊化淀粉乳液。可选的，所述以所述聚乙烯醇、碱式硅溶胶和水为原料混合制取造孔剂基液的过程包括：将所述聚乙烯醇溶于按质量份计50份的水中，再分别加入消泡剂和所述碱式硅溶胶，加热至不高于沸腾温度并充分搅拌得到所述造孔剂基液。可选的，所述氧化铝以粉煤灰的形式加入；并且/或者，所述硅酸镁铝盐以凹凸棒土的形式加入。根据本说明书的第三个方面，提供了一种活性炭。该活性炭由包括炭粉以及上述第一个方面的粘结剂或上述第二方面的制备方法制备得到的粘结剂在内的原料经混合、成型、高温活化工序制备而成。可选的，所述炭粉和粘结剂的用量按按质量份计分别为：炭粉50-70份，粘结剂20-50份。可选的，再将高温活化工序后得到的活性炭浸渍于碱式硅溶胶中，待活性炭充分吸附碱式硅溶胶后再将浸渍碱式硅溶胶的活性炭烘干，然后进行绝缘煅烧制得负载二氧化硅的活性炭。上述粘结剂中，淀粉和水用于形成粘结基，赋予粘结剂基本的粘结功能；聚乙烯醇溶于水中用于形成造孔基，赋予粘结剂造孔剂的功能；碱式硅溶胶、石膏晶须、氧化铝以及硅酸镁铝盐用于形成增强基，可确保活性炭的强度。上述粘结剂使用低价易得的淀粉形成粘结基，大大降低了活性炭生产中萘、苯酚、蒽、菲等成分在环境中的释放。由于该粘接剂碳含量很高，活化制备活性炭时可生成c-c键，可得到具有较高硬度和比表面积的活性炭。聚乙烯醇是一种环保的水溶性树脂，既与所述糊化淀粉乳液有较好的相容性，又能够通过固化成膜提高活性炭的干强度和降低溃散性。另外，在增强基中，碱式硅溶胶一方面可以帮助聚乙烯醇在水中的溶解；另一方面，碱式硅溶胶含有的二氧化硅可以和碳原子在高温之下生成碳硅(c-si)键，提高了化学键的稳定性，提升了活性炭的强度，延长了活性炭的使用寿命；再一方面，碱式硅溶胶与氧化铝胶联用生成莫来石，能够为活性炭提供硬度支持和耐酸碱腐蚀性能。此外，石膏晶须的加入可以在活性炭孔隙中生成晶体支撑活性炭的孔结构，同时石膏晶须也具有一定的吸附能力，能够支持活性炭的吸附性表现。氧化铝本身是耐酸碱腐蚀的材料，与碱式硅溶胶联用生成莫来石能够为活性炭提供硬度支持和耐酸碱腐蚀性能。硅酸镁铝盐本身具有一定的孔隙结构，孔隙通道中的沸石结构也提供了离子交换能力，并和水混匀也具有一定的粘结力。可见，在上述粘结剂中各组分的协同作用下，不仅有助于粘结剂本身的制备并确保粘结性能，同时降低了活性炭生产制造中的环境污染，并且还有助于制备出性能优异的活性炭。下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实施例的实践了解到。附图说明构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明下述实验例2样品sem图。图2为本发明下述实验例3样品sem图。图3为本发明下述实验例2氮气吸脱附曲线。图4为本发明下述实验例2孔径分布图。具体实施方式下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案、技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案、技术特征可以相互组合。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例的实施例通常仅是本发明的实施例的一分部实施例而不是全部实施例，因此，基于本发明的实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。实验方法制备粘结剂，使用粘结剂制备活性炭，对活性炭进行测试。测试内容包括抗压强度和碘吸附值。其中，抗压强度的具体测试方法为：用游标卡尺测量经过干燥后活性炭颗粒长度，然后将活性炭置于颗粒强度测定仪，施加压力，记录活性炭被压碎瞬时压力值，计算规定数量活性炭单位长度的平均受力值为强度值，其单位为n/cm。碘吸附值的具体测试方法为：在规定条件下，定量的试料与碘标准溶液充分振荡吸附后，用滴定法测定溶液剩余碘量，求出每个试料吸附碘的毫克数，绘制吸附等温线。用剩余碘浓度为0.02mol/l时每克活性炭吸附的碘量表示活性炭对碘的吸附值。实验例1一、粘结剂的制备制取糊化淀粉乳液：选取10g玉米淀粉和30g木薯淀粉加入到100ml水(约等于100g水)中，80℃水浴加热。加入2ml的10wt％双氧水和3ml的3wt％高锰酸钾溶液搅拌2h。再加入5ml的5wt％氢氧化钾进行糊化3h得到糊化淀粉乳液。制取造孔剂基液：称取1g聚乙烯醇粉末加入50ml水中，并同时加入1g聚硅氧烷和20g的30wt％碱式硅溶胶，80℃水浴加热2h，制备造孔剂基液。制取粘结剂：取5g石膏晶须，5g粉煤灰，5g凹凸棒土与上述造孔剂基液以及糊化淀粉乳液进行混匀0.5h制得粘结剂，放入80℃恒温水浴锅中备用。二、活性炭的制备竹炭预处理：将竹炭烘干至恒重后粉碎至200目。成型：取200g破碎后的竹炭粉，加入160g粘结剂搅拌20min，搅拌温度为80℃，搅拌速率为100r/min。混匀后选用5mm孔径磨具成型，液压机压力控制在10mpa，挤出成型，50℃烘干5h，得到柱状炭。高温活化：将成型得到的柱状炭在氮气保护下500℃高温造孔，得到柱状活性炭。负载二氧化硅：将造孔得到的柱状活性炭和30wt％碱式硅溶胶按照质量比1：2浸渍12h，烘干后在氮气保护下500℃高温固化，得到负载二氧化硅的柱状活性炭。实验例2一、粘结剂的制备制取糊化淀粉乳液：选取15g玉米淀粉和45g木薯淀粉加入到100ml水(约等于100g水)中，80℃水浴加热。加入2ml的10wt％双氧水和3ml的3wt％高锰酸钾溶液搅拌2h。再加入5ml的5wt％氢氧化钾进行糊化3h得到糊化淀粉乳液。制取造孔剂基液：称取1g聚乙烯醇粉末加入50ml水中，并同时加入1g聚硅氧烷和20g的30wt％碱式硅溶胶，80℃水浴加热2h，制备造孔剂基液。制取粘结剂：取5g石膏晶须，5g粉煤灰，5g凹凸棒土与上述造孔剂基液以及糊化淀粉乳液进行混匀0.5h制得粘结剂，放入80℃恒温水浴锅中备用。二、活性炭的制备竹炭预处理：将竹炭烘干至恒重后粉碎至200目。成型：取200g破碎后的竹炭粉，加入160g粘结剂搅拌20min，搅拌温度为80℃，搅拌速率为100r/min。混匀后选用5mm孔径磨具成型，液压机压力控制在10mpa，挤出成型，50℃烘干5h，得到柱状炭。高温活化：将成型得到的柱状炭在氮气保护下500℃高温造孔，得到柱状活性炭。负载二氧化硅：将造孔得到的柱状活性炭和30wt％碱式硅溶胶按照质量比1：2浸渍12h，烘干后在氮气保护下500℃高温固化，得到负载二氧化硅的柱状活性炭。实验例3一、粘结剂的制备制取糊化淀粉乳液：选取15g玉米淀粉和45g木薯淀粉加入到100ml水(约等于100g水)中，80℃水浴加热。加入2ml的10wt％双氧水和3ml的3wt％高锰酸钾溶液搅拌2h。再加入5ml的5wt％氢氧化钾进行糊化3h得到糊化淀粉乳液。制取造孔剂基液：称取1g聚乙烯醇粉末加入50ml水中，并同时加入1g聚硅氧烷和20g的30wt％碱式硅溶胶，80℃水浴加热2h，制备造孔剂基液。制取粘结剂：取10g石膏晶须，10g粉煤灰，10g凹凸棒土与上述造孔剂基液以及糊化淀粉乳液进行混匀0.5h制得粘结剂，放入80℃恒温水浴锅中备用。二、活性炭的制备竹炭预处理：将竹炭烘干至恒重后粉碎至200目。成型：取200g破碎后的竹炭粉，加入160g粘结剂搅拌20min，搅拌温度为80℃，搅拌速率为100r/min。混匀后选用5mm孔径磨具成型，液压机压力控制在10mpa，挤出成型，50℃烘干5h，得到柱状炭。高温活化：将成型得到的柱状炭在氮气保护下500℃高温造孔，得到柱状活性炭。负载二氧化硅：将造孔得到的柱状活性炭和30wt％碱式硅溶胶按照质量比1：2浸渍12h，烘干后在氮气保护下500℃高温固化，得到负载二氧化硅的柱状活性炭。实验例4一、粘结剂的制备制取糊化淀粉乳液：选取15g玉米淀粉和45g木薯淀粉加入到100ml水(约等于100g水)中，80℃水浴加热。加入2ml的10wt％双氧水和3ml的3wt％高锰酸钾溶液搅拌2h。再加入5ml的5wt％氢氧化钾进行糊化3h得到糊化淀粉乳液。制取造孔剂基液：称取1g聚乙烯醇粉末加入50ml水中，并同时加入1g聚硅氧烷和20g的30wt％碱式硅溶胶，80℃水浴加热2h，制备造孔剂基液。制取粘结剂：取10g石膏晶须，10g粉煤灰，5g凹凸棒土与上述造孔剂基液以及糊化淀粉乳液进行混匀0.5h制得粘结剂，放入80℃恒温水浴锅中备用。二、活性炭的制备竹炭预处理：将竹炭烘干至恒重后粉碎至200目。成型：取200g破碎后的竹炭粉，加入160g粘结剂搅拌20min，搅拌温度为80℃，搅拌速率为100r/min。混匀后选用5mm孔径磨具成型，液压机压力控制在10mpa，挤出成型，50℃烘干5h，得到柱状炭。高温活化：将成型得到的柱状炭在氮气保护下500℃高温造孔，得到柱状活性炭。负载二氧化硅：将造孔得到的柱状活性炭和30wt％碱式硅溶胶按照质量比1：2浸渍12h，烘干后在氮气保护下500℃高温固化，得到负载二氧化硅的柱状活性炭。实验例5一、粘结剂的制备制取糊化淀粉乳液：选取15g玉米淀粉和45g木薯淀粉加入到100ml水(约等于100g水)中，80℃水浴加热。加入2ml的10wt％双氧水和3ml的3wt％高锰酸钾溶液搅拌2h。再加入5ml的5wt％氢氧化钾进行糊化3h得到糊化淀粉乳液。制取造孔剂基液：称取1g聚乙烯醇粉末加入50ml水中，并同时加入1g聚硅氧烷和20g的30wt％碱式硅溶胶，80℃水浴加热2h，制备造孔剂基液。制取粘结剂：取10g石膏晶须，5g粉煤灰，5g凹凸棒土与上述造孔剂基液以及糊化淀粉乳液进行混匀0.5h制得粘结剂，放入80℃恒温水浴锅中备用。二、活性炭的制备竹炭预处理：将竹炭烘干至恒重后粉碎至200目。成型：取200g破碎后的竹炭粉，加入160g粘结剂搅拌20min，搅拌温度为80℃，搅拌速率为100r/min。混匀后选用5mm孔径磨具成型，液压机压力控制在10mpa，挤出成型，50℃烘干5h，得到柱状炭。高温活化：将成型得到的柱状炭在氮气保护下500℃高温造孔，得到柱状活性炭。负载二氧化硅：将造孔得到的柱状活性炭和30wt％碱式硅溶胶按照质量比1：2浸渍12h，烘干后在氮气保护下500℃高温固化，得到负载二氧化硅的柱状活性炭。实验例6一、粘结剂的制备制取糊化淀粉乳液：选取15g玉米淀粉和45g木薯淀粉加入到100ml水(约等于100g水)中，80℃水浴加热。加入2ml的10wt％双氧水和3ml的3wt％高锰酸钾溶液搅拌2h。再加入5ml的5wt％氢氧化钾进行糊化3h得到糊化淀粉乳液。制取造孔剂基液：称取0.85g聚乙烯醇粉末加入50ml水中，并同时加入1g聚硅氧烷和20g的30wt％碱式硅溶胶，80℃水浴加热2h，制备造孔剂基液。制取粘结剂：取10g石膏晶须，5g粉煤灰，5g凹凸棒土与上述造孔剂基液以及糊化淀粉乳液进行混匀0.5h制得粘结剂，放入80℃恒温水浴锅中备用。二、活性炭的制备竹炭预处理：将竹炭烘干至恒重后粉碎至200目。成型：取200g破碎后的竹炭粉，加入160g粘结剂搅拌20min，搅拌温度为80℃，搅拌速率为100r/min。混匀后选用5mm孔径磨具成型，液压机压力控制在10mpa，挤出成型，50℃烘干5h，得到柱状炭。高温活化：将成型得到的柱状炭在氮气保护下500℃高温造孔，得到柱状活性炭。负载二氧化硅：将造孔得到的柱状活性炭和30wt％碱式硅溶胶按照质量比1：2浸渍12h，烘干后在氮气保护下500℃高温固化，得到负载二氧化硅的柱状活性炭。实验例7一、粘结剂的制备制取糊化淀粉乳液：选取15g玉米淀粉和45g木薯淀粉加入到100ml水(约等于100g水)中，80℃水浴加热。加入2ml的10wt％双氧水和3ml的3wt％高锰酸钾溶液搅拌2h。再加入5ml的5wt％氢氧化钾进行糊化3h得到糊化淀粉乳液。制取造孔剂基液：称取1.15g聚乙烯醇粉末加入50ml水中，并同时加入1g聚硅氧烷和20g的30wt％碱式硅溶胶，80℃水浴加热2h，制备造孔剂基液。制取粘结剂：取10g石膏晶须，5g粉煤灰，5g凹凸棒土与上述造孔剂基液以及糊化淀粉乳液进行混匀0.5h制得粘结剂，放入80℃恒温水浴锅中备用。二、活性炭的制备竹炭预处理：将竹炭烘干至恒重后粉碎至200目。成型：取200g破碎后的竹炭粉，加入160g粘结剂搅拌20min，搅拌温度为80℃，搅拌速率为100r/min。混匀后选用5mm孔径磨具成型，液压机压力控制在10mpa，挤出成型，50℃烘干5h，得到柱状炭。高温活化：将成型得到的柱状炭在氮气保护下500℃高温造孔，得到柱状活性炭。负载二氧化硅：将造孔得到的柱状活性炭和30wt％碱式硅溶胶按照质量比1：2浸渍12h，烘干后在氮气保护下500℃高温固化，得到负载二氧化硅的柱状活性炭。实验例8一、粘结剂的制备制取糊化淀粉乳液：选取15g玉米淀粉和45g木薯淀粉加入到100ml水(约等于100g水)中，80℃水浴加热。加入2ml的10wt％双氧水和3ml的3wt％高锰酸钾溶液搅拌2h。再加入5ml的5wt％氢氧化钾进行糊化3h得到糊化淀粉乳液。制取造孔剂基液：称取1.3g聚乙烯醇粉末加入50ml水中，并同时加入1g聚硅氧烷和20g的30wt％碱式硅溶胶，80℃水浴加热2h，制备造孔剂基液。制取粘结剂：取10g石膏晶须，5g粉煤灰，5g凹凸棒土与上述造孔剂基液以及糊化淀粉乳液进行混匀0.5h制得粘结剂，放入80℃恒温水浴锅中备用。二、活性炭的制备竹炭预处理：将竹炭烘干至恒重后粉碎至200目。成型：取200g破碎后的竹炭粉，加入160g粘结剂搅拌20min，搅拌温度为80℃，搅拌速率为100r/min。混匀后选用5mm孔径磨具成型，液压机压力控制在10mpa，挤出成型，50℃烘干5h，得到柱状炭。高温活化：将成型得到的柱状炭在氮气保护下500℃高温造孔，得到柱状活性炭。负载二氧化硅：将造孔得到的柱状活性炭和30wt％碱式硅溶胶按照质量比1：2浸渍12h，烘干后在氮气保护下500℃高温固化，得到负载二氧化硅的柱状活性炭。实验例9一、粘结剂的制备制取糊化淀粉乳液：选取10g玉米淀粉和30g木薯淀粉加入到100ml水(约等于100g水)中，80℃水浴加热。加入2ml的10wt％双氧水和3ml的3wt％高锰酸钾溶液搅拌2h。再加入5ml的5wt％氢氧化钾进行糊化3h得到糊化淀粉乳液。制取造孔剂基液：称取1g聚乙烯醇粉末加入50ml水中，并同时加入1g聚硅氧烷和20g的30wt％碱式硅溶胶，80℃水浴加热2h，制备造孔剂基液。制取粘结剂：取5g石膏晶须，5g粉煤灰，5g凹凸棒土与上述造孔剂基液以及糊化淀粉乳液进行混匀0.5h制得粘结剂，放入80℃恒温水浴锅中备用。二、活性炭的制备竹炭预处理：将竹炭烘干至恒重后粉碎至200目。成型：取200g破碎后的竹炭粉，加入160g粘结剂搅拌20min，搅拌温度为80℃，搅拌速率为100r/min。混匀后选用5mm孔径磨具成型，液压机压力控制在10mpa，挤出成型，50℃烘干5h，得到柱状炭。高温活化：将成型得到的柱状炭在氮气保护下500℃高温造孔，得到柱状活性炭。实验例10一、粘结剂的制备制取糊化淀粉乳液：选取10g玉米淀粉和30g木薯淀粉加入到100ml水(约等于100g水)中，80℃水浴加热。加入2ml的10wt％双氧水和3ml的3wt％高锰酸钾溶液搅拌2h。再加入5ml的5wt％氢氧化钾进行糊化3h得到糊化淀粉乳液。制取造孔剂基液：称取1g聚乙烯醇粉末加入50ml水中，并同时加入1g聚硅氧烷和40g的30wt％碱式硅溶胶，80℃水浴加热2h，制备造孔剂基液。制取粘结剂：取5g石膏晶须，5g粉煤灰，5g凹凸棒土与上述造孔剂基液以及糊化淀粉乳液进行混匀0.5h制得粘结剂，放入80℃恒温水浴锅中备用。二、活性炭的制备竹炭预处理：将竹炭烘干至恒重后粉碎至200目。成型：取200g破碎后的竹炭粉，加入180g粘结剂搅拌20min，搅拌温度为80℃，搅拌速率为100r/min。混匀后选用5mm孔径磨具成型，液压机压力控制在10mpa，挤出成型，50℃烘干5h，得到柱状炭。高温活化：将成型得到的柱状炭在氮气保护下500℃高温造孔，得到柱状活性炭。测试结果实验例1-10所得样品抗压强度与碘吸附值如表1所示。表1实验例抗压强度(n/cm)碘吸附值(mg/g)实验例1154.0979.2实验例2168.9991.5实验例3171.2980.5实验例4173.8999.8实验例5178.91010.0实验例6180.6948.1实验例7177.61000.8实验例8176.31025.2实验例9145.9983.2实验例10168.31008.5如表1所示为各实施例制备的样品的碘吸附值接近1000mg/g，同时具有较高的抗压强度，可见随着所述粘结剂中粘结基及增强基的比例增加，对活性炭的吸附能力和力学性能都有所提高。由图1和图2的sem图可以发现，实验例2制备的活性炭结构疏松，孔隙结构发达，实验例2对比实验例3发现，提高增强基的添加量，得到的活性炭结构趋于致密化，形成稳定的陶瓷结构骨架，材料的抗压强度有所提高。图3为实施例2制备的活性炭的氮气吸脱附曲线，曲线为ι型等温线，曲线的出现，表征了微孔吸附剂上的微孔填充现象，说明材料为微孔材料。通时根据bet分析，实验例2制备的活性炭比表面积为1100m2/g，从孔径分布图4的孔径分布图可以看出微孔孔径尺寸主要为3-5nm，表明该竹质活性炭微孔结构发达。以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他优选实施方式和实施例，都应当属于本发明保护的范围。当前第1页12