一种孔径可控的竹质活性炭及其制备方法与流程

文档序号：11508730阅读：261来源：国知局

本发明涉及竹质活性炭制备技术领域，尤其是涉及一种孔径可控的竹质活性炭及其制备方法。

背景技术：

活性炭是一种吸附能力很强的功能性炭材料，其具有特殊的微晶结构、孔隙发达、比表面积巨大，因此被作为优良的吸附剂，具有物理吸附和化学吸附的双重特性，可以有选择的吸附液相和气相中的各种物质，以达到脱色精制、消毒除臭和去污提纯等目的，已广泛应用于食品、饮料、医药、水处理、气体净化与回收、化工、冶炼、农业等领域。近年来，随着经济的不断发展和人们生活水平的逐步提高，人们对空气、食品、药品、饮用水的安全性、纯净度等生存环境提出更高要求，活性炭的市场需求不断扩大。对活性炭需求量急增，而且对活性炭的吸附性、可控性、安全性要求越来越高。因此竹质活性炭以微孔构造明显，易于形成固体物炭比表面积、吸附性能和孔径分布等方面都有其自身的特点，使其成为发展的重点。

目前，竹质活性炭的获得主要有物理活化法和化学活化法。wang等采用一次绝氧干馏工艺、干燥磨粉、捏合、挤压成型、养护定型、二次绝氧干馏工艺及活化的工艺过程制备柱状竹质活性炭，一次绝氧干馏工艺为柱状竹炭塑形提供基础保证，二次绝氧干馏工艺通过控制投料量和炉窑转速保证了柱状成型产品的强度。活化时掺配0.5～5%的颗粒煤，改善了活化炉内气体氛围，使柱状竹质活性炭的基本结构产出了不饱和价，提高了柱状竹质活性炭的强度和吸附性能；gao等将35目以下、含水率12~20%的竹屑与磷酸溶液a混合并进行捏合10~30min，然后与400~650℃的烟气进行逆流直接接触3.5~4.5h，以使其炭化并活化，经洗涤、干燥和粉碎后，得到竹质活性炭。cheng等将木质或竹质原料粉碎，筛选出粒径为1~2mm的原料，并烘干至恒重，在氮气保护下以10~20℃/min的速率升温至300~400℃，并保温30~60min，自然冷却至室温，与活化剂充分混合后，在氮气保护下以5~10℃/min的速率升温至600~800℃，并保温60~120min，自然冷却至室温，并停止通氮气。将产物倒入稀盐酸中加热煮沸，再用蒸馏水洗涤至中性，干燥即得到活性炭。jin等以活性炭、柠檬酸、白醋、氯化钙、硅胶、改性凹凸棒土及水为原料，将凹凸棒土、玉石粉、高岭土送入煅烧炉中，在870~890℃下煅烧2~3h，取出，洒上交联剂，再放入适量水中研磨，调节研磨液ph值为4~5，研磨1~2小时，得到100~150目浆料，再调节研磨液ph值为中性，加入其它剩余成分，继续研磨，得到200~300目浆料，喷雾干燥，即得活性炭。wang等将酚类与醛类按比例加入水中，并加入催化剂，在搅拌的条件下加热升温到85~90℃，然后添加分散剂，继续搅拌20~60min后，加入固化剂和造孔剂，继续搅拌2~5h，冷却到室温，过滤得到树脂球。将树脂球在氮气保护下由室温升温至700~1000℃炭化，然后再通入二氧化碳或水蒸气进行活化，自然降温至室温，得到酚醛树脂基球状活性炭。

在物理活化法制备竹质活性炭时，通常需要500℃以上高温热解碳化竹材，使c-c键、c-o键及c=0键断裂，非碳元素如氢、氧挥发，进而形成裂缝，进一步以水蒸气或二氧化碳作为氧化剂在800~1000℃的高温使部分碳化物燃烧形成多孔的竹质活性炭。然而该方法由于通过高温破坏c-c、c-o、c=0键，因此反应温度高、耗时长、能耗高，且得到的活性炭比表面积低，孔径不可控；化学活化法制备竹质活性炭时，使用化学活化剂使竹材中的c-c键、c-o键及c=0键断裂，在较低温度下即可完成活化，不但时间短，而且能耗低，获得的活性炭比表面积大。然而，由于采用了化学活性剂，残留较多，需要对活性炭后期处理，甚至会造成污染，使其应用受到限制。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种孔径可控的竹质活性炭的制备方法，可以解决传统方法反应温度高、耗时长、能耗高、比表面积低、孔径不可控等缺陷，最主要的，创造性的应用壳聚糖凝胶及柠檬酸进行混炼和捏合，然后进行剪切及水蒸气活化，使活性炭孔径可控，品质高，且强度高，吸附能力强。

为实现上述目的，本发明涉及的具体技术方案如下：

一种孔径可控的竹质活性炭的制备方法，通过将竹质材料微细化处理后，与壳聚糖凝胶混炼，使壳聚糖凝胶均匀分散于竹质材料中，进一步与柠檬酸捏合使柠檬酸塑化竹质内部，然后通过胶体磨剪切挤压机使竹材在低温下连续剪切活化，再在高温下用水蒸汽活化，水洗后烘干，得到孔径可控的竹质活性炭，具体步骤如下：

（1）将天然竹屑加入到超细竹粉机中，调节机体内的细度分析器的螺栓，调至所需细度后，开启竹粉机，得到微细化处理的竹粉；然后将竹粉与壳聚糖凝胶按一定比例加入到混炼机中，设置转速及温度，一定时间后出料，使壳聚糖凝胶均匀分散于竹粉中；加入一定质量的柠檬酸，利用柠檬酸塑化竹质内部，使竹粉具有一定塑性；

（2）将经步骤（1）增塑后的竹质材料加入乳化细度可达2~50μm，转速设置为700~900r/min的胶体磨机中，调整转齿与定齿之间的间隙为2~4mm，使竹质胶体在通过间隙时受到强大的剪切力、摩擦力、高频振动及高速漩涡等物理作用，从而达到超细粉碎和乳化效果，并实现初步活化；

（3）对步骤（2）所得的乳化竹质微粉进行微波辐射水蒸气活化，合理设置微波功率、活化时间、炭水比、水蒸气流量、活化温度，然后进行水洗并烘干，即可得到孔径可控的竹质活性炭。

优选的，步骤（1）所述天然竹屑的含水率应为15%~20%。

优选的，步骤（1）所述超细竹粉机的微细化处理的细度设置为40~60目。

优选的，步骤（1）所述混炼机的转速为30~60r/min，混炼温度为60-80℃，混炼时间为2.5~3.5h。

优选的，步骤（1）所述壳聚糖凝胶的使用量为竹粉质量的10%~20%。

优选的，步骤（1）所述柠檬酸的使用量为竹粉质量的5%~10%。

优选的，步骤（3）所述活化处理的微波功率为600~800w，活化温度为300~400℃，活化时间为30~60min；

优选的，步骤（3）所述活化处理的水蒸气流量为3~3.5ml/min，炭水比为1:3~1:2；

优选的，步骤（3）所述烘干处理的温度为90~100℃，时间为8~10h。

一种孔径可控的竹质活性炭，由上述方法制备得到，具有均匀可控的孔径。

通常，竹质活性炭的制备采用纯物理或纯化学的方法，他们都有各自的优缺点，而本方法通过物理与化学相结合的过程，明显克服了传统方法的缺陷。利用壳聚糖凝胶及柠檬酸分别对竹质微粉进行混炼和捏炼，增加其塑性，使其便于剪切加工。在剪切过程中，由于其本身的重量或外部压力加压产生向下的螺旋冲击力，在通过转子与定子间隙时受到强大的剪切摩擦、高频振动及高速漩涡，从而有效乳化、分散、均质和粉碎，在此过程中，竹粉得到了初步活化。为进一步增大其比表面积，进一步活化，提高吸附能力，再在微波辐射下进行水蒸气物理活化。由于竹粉已具备一定活性，其化学键处于高能态，加上微波的辅助作用，水蒸气活化仅需要300~400℃的条件即可，而常规水蒸气活化需要800~1000℃才可破坏竹粉中的c-c键、c-o键及c=0键，可见反应温度明显降低，反应时间也缩短，减小了能耗，同时减弱了水蒸气对竹质活性炭孔径的不确定影响，易于得到多孔的，比表面积大的竹质活性炭产品。

进一步的，一种孔径可控的竹质活性炭的备方法，使壳聚糖凝胶均匀分散于竹质材料中，进一步与柠檬酸捏合使柠檬酸塑化竹质内部，然后通过胶体磨剪切挤压机使竹材在低温下连续剪切活化，再在高温下用水蒸汽活化，水洗后烘干，通过壳聚糖凝胶使得得到的竹质活性炭孔径均匀可控。

本发明提供了一种孔径可控的竹质活性炭及其制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：

1.本发明制备方法通过柠檬酸和机械力物理活化，可降低水蒸气活化的反应温度，缩短反应时间，降低能耗。

2.本发明采用的壳聚糖凝胶使得竹质活性炭孔径均匀，比表面积大，孔径可得到有效控制。

4.本发明制备方法成本较低，工艺可操作性强，无污染，可实现规模化工业生产。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。

实施例1