本发明属于活性炭制备技术领域，具体涉及一种轻质成型活性炭的制备工艺。
背景技术：
活性炭由于丰富的孔隙结构和巨大的比表面积，其吸附性能良好，可用于气体吸附、溶液中离子和有机物吸附、催化剂载体、电容器、电极材料等领域中。制备活性炭的原料非常丰富，有煤炭、各种生物质废弃料、工业废料、有机物质等。在制备活性炭过程中，活性炭产品一般为粉末活性炭和成型活性炭两种在技术不断发展中，对活性炭的性能要求不断提高，现有活性炭性能不能满足不断地需求。
现有制备成型活性炭工艺中，需加入粘结剂起到成型效果。随着粘结剂的不断加入所制备活性炭的孔结构会被大量破坏，而且活性炭的组成会发生变化，吸附效果降低，而且在实际应用过程中难以回收再利用。因此，制备一种既有丰富的孔结构又具有特定形状的活性炭势在必行。
技术实现要素：
本发明针对采用现有活性炭的制备工艺会破坏活性炭的孔结构导致吸附效果降低以及所制备的活性炭难以回收再利用的问题，提供一种轻质成型活性炭的制备工艺。
本发明采用如下技术方案：
一种轻质成型活性炭的制备工艺，包括如下步骤：
第一步，将棉纤维在活化剂溶液中完全浸润5min，直到完全润湿，取出后，在120℃下烘干，得到物质a；
第二步，将第一步中烘干的物质a置于马弗炉中，在250℃下预氧化1h，冷却后，得到碳质中间相；
第三步，将碳质中间相研磨至粒径小于0.075mm的研磨料后，按比例加入活化成型助剂，混合均匀后压片成型，得到炭片；
第四步，将碳片放入管式炉中，通入氮气，以5℃/min的升温速率，升温至600-800℃，炭化活化30min；
第五步，炭化结束后，以5℃/min的降温速率降温至200℃后，停止加热，自然冷却至50℃后，取出清洗烘干即为轻质成型活性炭。
第一步中所述活化剂和棉纤维的质量比为1:0.5-1.2。
第一步中所述棉纤维为废旧棉纤维。
第一步中所述活化剂为碳酸钾。
第三步中所述活化成型助剂为氯化锌，按照碳酸钾和氯化锌的质量比为1:0-0.4的比例加入活化成型助剂。
第三步中所述成型压力为10-25mpa。
进一步地，第三步中所述成型压力为20-25mpa。
进一步地，第四步中所述炭化活化温度为700℃。
第五步中所述清洗过程为：先用蒸馏水煮沸10min，再用浓度为1mol/l的盐酸煮沸10min，最后再用蒸馏水煮沸10min。
本发明中，棉纤维与碳酸钾溶液混合，有利于棉纤维与活化剂均匀混合。
待碳酸钾溶液完全润湿棉纤维之后，在120℃下保温1h，是为了蒸发掉多余的水分。
第二步中物质a为棉纤维与碳酸钾混合物，在250℃预氧化1h，可以保证碳酸钾与棉纤维发生化学反应，生成具有粘结作用的碳质中间相物质，有利于后续的成型。
氯化锌除了具有活化作用外，还具有成型作用，可以保持最终所制活性炭的形状，还可以提高活性炭表面的平整度。
本发明的有益效果如下：
1.本发明所制备的轻质成型活性炭时不需要额外添加粘结剂，仅在碳质中间相的粘结作用和活化成型助剂氯化锌的定型作用的协同作用下制备成型轻质活性炭。由于没有粘结剂的加入，所制备活性炭成分单一，没有较多的杂质，活性炭的密度较小，可在水面上长时间漂浮。
2.本发明所制备轻质成型活性炭的孔洞结构十分丰富，同时又具有特定的形状，可以说，既具有粉末活性炭的吸附性能又具有成型活性炭的成型效果。制备的活性炭从2米高处掉落10次仍能保持原形状，在水中漂浮时不会掉渣，具有实用效果；另外，活性炭的孔结构非常丰富，吸附性能优异。
3.采用本发明的制备工艺制备的轻质成型活性炭对亚甲基的吸附值可高达450mg/g。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的轻质成型活性炭的sem图；
图2为本发明实施例1制备的轻质成型活性炭在水面上漂浮24h后的图；
图3为本发明实施例7制备的轻质成型活性炭的sem图；
图4为本发明实施例8制备的轻质成型活性炭的sem图。
具体实施方式
结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
将2.875g碳酸钾溶于15ml蒸馏水中，配制成碳酸钾溶液，将2g的棉纤维放入碳酸钾溶液中，用玻璃棒搅拌直到棉纤维完全润湿为止；接着将其放入120℃的烘箱中，保温1h；冷却之后，放入250℃的马弗炉中，高温反应1h，这时所得产物为碳质中间相；反应结束后直接将碳质中间相物质放在干燥环境中冷却至常温；将所得物质在干燥环境中用研钵研磨10min，用压片机压片；压片机压力为20mpa，保压5min；将压好的碳片放入管式炉中，通入氮气10min之后，设定好温度曲线为升温速率为5℃/min，开始加热，升至700℃保温30min后，降温速率为5℃/min，降至200℃，加热停止，自然冷却至50℃后将活性炭取出并清洗；先用蒸馏水煮沸清洗十分钟，接着用浓度为1mol/l的盐酸煮沸清洗10min，最后再用蒸馏水煮沸清洗10min；将其烘干即为所制的轻质成型活性炭。
本实施例碳酸钾与棉纤维比例为1：0.7、成型压力为20mpa、炭化活化温度为700℃，所制备的活性炭可成型，其内部孔洞非常丰富见图1；在水中时间漂浮可达14个小时，图2为在水中漂浮的活性炭产物，亚甲基的吸附值为185mg/g。
实施例2
将2.875g碳酸钾溶于15ml蒸馏水中，配制成碳酸钾溶液，将2g的棉纤维放入碳酸钾溶液中，用玻璃棒搅拌直到棉纤维完全润湿为止；接着将其放入120℃的烘箱中，保温1h；冷却之后，放入250℃的马弗炉中，高温反应1h，这时所得产物为碳质中间相；反应结束后直接将碳质中间相物质放在干燥环境中冷却至常温；将所得物质在干燥环境中用研钵研磨10min，用压片机压片；压片机压力为20mpa，保压5min；将压好的碳片放入管式炉中，通入氮气10min之后，设定好温度曲线为升温速率为5℃/min，开始加热，升至800℃保温30min后，降温速率为5℃/min，降至200℃，加热停止，自然冷却至50℃后将活性炭取出并清洗；先用蒸馏水煮沸清洗十分钟，接着用浓度为1mol/l的盐酸煮沸清洗10min，最后再用蒸馏水煮沸清洗10min；将其烘干即为所制的轻质成型活性炭。
本实施例碳酸钾与棉纤维比例为1：0.7、成型压力为20mpa、炭化活化温度为800℃，所制备活性炭可成型，其内部孔洞丰富，可长时间漂浮于水面上，可达13个小时，亚甲基的吸附值为410mg/g。
实施例3
将2.875g碳酸钾溶于15ml蒸馏水中，配制成碳酸钾溶液，将2g的棉纤维放入碳酸钾溶液中，用玻璃棒搅拌直到棉纤维完全润湿为止；接着将其放入120℃的烘箱中，保温1h；冷却之后，放入250℃的马弗炉中，高温反应1h，这时所得产物为碳质中间相；反应结束后直接将碳质中间相物质放在干燥环境中冷却至常温；将所得物质在干燥环境中用研钵研磨10min，用压片机压片；压片机压力为20mpa，保压5min；将压好的碳片放入管式炉中，通入氮气10min之后，设定好温度曲线为升温速率为5℃/min，开始加热，升至600℃保温30min后，降温速率为5℃/min，降至200℃，加热停止，自然冷却至50℃后将活性炭取出并清洗；先用蒸馏水煮沸清洗十分钟，接着用浓度为1mol/l的盐酸煮沸清洗10min，最后再用蒸馏水煮沸清洗10min；将其烘干即为所制的轻质成型活性炭。
本实施例碳酸钾与棉纤维比例为1：0.7、成型压力为20mpa、炭化活化温度为600℃，所制备活性炭可成型，其内部孔洞丰富，可长时间漂浮于水面上，可达20个小时，亚甲基的吸附值为160mg/g。
实施例4
将2.875g碳酸钾溶于15ml蒸馏水中，配制成碳酸钾溶液，将2g的棉纤维放入碳酸钾溶液中，用玻璃棒搅拌直到棉纤维完全润湿为止；接着将其放入120℃的烘箱中，保温1h；冷却之后，放入250℃的马弗炉中，高温反应1h，这时所得产物为碳质中间相；反应结束后直接将碳质中间相物质放在干燥环境中冷却至常温；将所得物质在干燥环境中用研钵研磨10min，用压片机压片；压片机压力为10mpa，保压5min；将压好的碳片放入管式炉中，通入氮气10min之后，设定好温度曲线为升温速率为5℃/min，开始加热，升至700℃保温30min，降温速率为5℃/min，降至200℃，加热停止，自然冷却至50℃后将活性炭取出并清洗；先用蒸馏水煮沸清洗十分钟，接着用浓度为1mol/l的盐酸煮沸清洗10min，最后再用蒸馏水煮沸清洗10min；将其烘干即为所制的轻质成型活性炭。
本实施例碳酸钾与棉纤维比例为1：0.7、成型压力为10mpa、炭化活化温度为700℃，所制备活性炭可成型，其内部孔洞丰富，可长时间漂浮于水面上，可达15个小时，亚甲基的吸附值为180mg/g。
实施例5
将2.875g碳酸钾溶于15ml蒸馏水中，配制成碳酸钾溶液，将2g的棉纤维放入碳酸钾溶液中，用玻璃棒搅拌直到棉纤维完全润湿为止；接着将其放入120℃的烘箱中，保温1h；冷却之后，放入250℃的马弗炉中，高温反应1h，这时所得产物为碳质中间相；反应结束后直接将碳质中间相物质放在干燥环境中冷却至常温；将所得物质在干燥环境中用研钵研磨10min，用压片机压片；压片机压力为25mpa，保压5min；将压好的碳片放入管式炉中，通入氮气10min之后，设定好温度曲线为升温速率为5℃/min，开始加热，升至700℃保温30min，降温速率为5℃/min，降至200℃，加热停止，自然冷却至50℃后将活性炭取出并清洗；先用蒸馏水煮沸清洗十分钟，接着用浓度为1mol/l的盐酸煮沸清洗10min，最后再用蒸馏水煮沸清洗10min；将其烘干即为所制的轻质成型活性炭。
本实施例碳酸钾与棉纤维比例为1：0.7、成型压力为25mpa、炭化活化温度为700℃，所制备活性炭可成型，其内部孔洞丰富，可长时间漂浮于水面上，可达20个小时，亚甲基的吸附值为300mg/g。
实施例6
将2.875g碳酸钾溶于15ml蒸馏水中，配制成碳酸钾溶液，称量1.5g的棉纤维放入碳酸钾溶液中，用玻璃棒搅拌直到棉纤维完全润湿为止；接着将其放入120℃的烘箱中，保温1h；冷却之后，放入250℃的马弗炉中，高温反应1h，这时所得产物为碳质中间相；反应结束后直接将碳质中间相物质放在干燥环境中冷却至常温，称量此时所得料的质量为3.1625g；将所得物质在干燥环境中用研钵研磨10min，取2g研磨料加入干燥的氯化锌0.5g，完全混匀后用压片机压片；压片机压力为20mpa，保压5min；将压好的碳片放入管式炉中，通入氮气10min之后，设定好温度曲线为升温速率为5℃/min，开始加热，升至700℃保温30min，降温速率为5℃/min，降至200℃，加热停止，自然冷却至50℃后将活性炭取出并清洗；先用蒸馏水煮沸清洗10min，接着用浓度为1mol/l的盐酸煮沸清洗10min，最后再用蒸馏水煮沸清洗10min；将其烘干即为所制的轻质成型活性炭。
本实施例碳酸钾与棉纤维比例为1：0.5、碳酸钾与氯化锌比例为1:0.27、成型压力为20mpa、炭化活化温度为700℃，所制备活性炭可成型，其内部孔洞丰富，可长时间漂浮于水面上，可达一周时间，亚甲基的吸附值为240mg/g。
本实施例中2g研磨料中包含的碳酸钾质量为2.875×2÷3.1625=1.82g，碳酸钾与氯化锌之比为1:0.27。
实施例7
将2.875g碳酸钾溶于15ml蒸馏水中，配制成碳酸钾溶液，称量2g的棉纤维放入碳酸钾溶液中，用玻璃棒搅拌直到棉纤维完全润湿为止；接着将其放入120℃的烘箱中，保温1h；冷却之后，放入250℃的马弗炉中，高温反应1h，这时所得产物为碳质中间相；反应结束后直接将碳质中间相物质放在干燥环境中冷却至常温，称量此时所得料的质量为3.3698g；将所得物质在干燥环境中用研钵研磨10min，取2g研磨料加入干燥的氯化锌0.5g，完全混匀后用压片机压片；压片机压力为20mpa，保压5min；将压好的碳片放入管式炉中，通入氮气10min之后，设定好温度曲线为升温速率为5℃/min，开始加热，升至700℃保温30min，降温速率为5℃/min，降至200℃，加热停止，自然冷却至50℃后将活性炭取出并清洗；先用蒸馏水煮沸清洗10min，接着用浓度为1mol/l的盐酸煮沸清洗10min，最后再用蒸馏水煮沸清洗10min；将其烘干即为所制的轻质成型活性炭。
本实施例碳酸钾与棉纤维比例为1：0.7、碳酸钾与氯化锌比例为1:0.30、成型压力为20mpa、炭化活化温度为700℃，所制备活性炭可成型，其内部孔洞丰富，可长时间漂浮于水面上，可达一周时间，其孔结构见图3，亚甲基的吸附值为320mg/g。
本实施例中2g研磨料中包含的碳酸钾质量为2.875×2÷3.3698=1.71g，碳酸钾与氯化锌之比为1:0.30。
实施例8
将2.875g碳酸钾溶于15ml蒸馏水中，配制成碳酸钾溶液，分别称量3.5g的棉纤维放入碳酸钾溶液中，用玻璃棒搅拌直到棉纤维完全润湿为止；接着将其放入120℃的烘箱中，保温1h；冷却之后，放入250℃的马弗炉中，高温反应1h，这时所得产物为碳质中间相；反应结束后直接将碳质中间相物质放在干燥环境中冷却至常温，称量此时所得料的质量为4.6528g；将所得物质在干燥环境中用研钵研磨10min，取2g研磨料加入干燥的氯化锌0.5g，完全混匀后用压片机压片；压片机压力为20mpa，保压5min；将压好的碳片放入管式炉中，通入氮气10min之后，设定好温度曲线为升温速率为5℃/min，开始加热，升至700℃保温30min，降温速率为5℃/min，降至200℃，加热停止，自然冷却至50℃后将活性炭取出并清洗；先用蒸馏水煮沸清洗10min，接着用浓度为1mol/l的盐酸煮沸清洗10min，最后再用蒸馏水煮沸清洗10min；将其烘干即为所制的轻质成型活性炭。
本实施例碳酸钾与棉纤维比例为1：1.2、碳酸钾与氯化锌比例为1:0.40、成型压力为20mpa、炭化活化温度为700℃，所制备活性炭可成型，其内部孔洞丰富，可长时间漂浮于水面上，，可达一周时间，其孔结构见图4，亚甲基的吸附值为450mg/g。
本实施例中2g研磨料中包含的碳酸钾质量为2.875×2÷4.6528=1.23g，碳酸钾与氯化锌之比为1:0.40。
对比例
由国家标准gb/t13803.2-1999中规定一级品的亚甲蓝吸附值大于135mg/g。市售活性炭的亚甲基蓝吸附值在100-180mg/g之间。