壓塊工藝條件下配煤對活性炭孔結構的調控作用
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摘 要：活性炭是一種廣泛使用的多孔吸附材料，在實際應用中，有許多類型的活性炭，每一種活性炭的制備方法各不相同。煤基活性炭是活性炭的重要組成部分。一般來說，以煤為基礎的活性炭的生產是直接激活原煤，并增加一定比例的粘結劑與粉狀煤的生產。煤基活性炭的成功制備具有社會經濟效益高、環境污染少、成本低等特點。
關鍵詞：活性炭；配煤；煙煤；孔結構
與傳統活性炭相比，以煤為基礎的活性炭具有良好的吸附性能、可調孔隙結構、孔隙均勻分布、高附加值和良好的社會經濟效益等特點。然而，以煤為基礎的活性炭的強度較低，使用的浮選率較高。為了解決這一問題，并結合影響活性炭生產的因素，研究了生產活性炭的技術存在的問題。
1 壓塊成型技術概述
粉末形成過程主要是在細粉形成后形成相同的形狀，但形成較大的粉末顆粒。隨著科學技術的發展，新材料和新工藝的發展，壓塊技術已經應用于越來越多的社會生產領域。
2 活性炭的制備
2.1 配煤方案
由于煙煤黏附力較弱，可由強度高、粉碎難度大的壓力機直接壓制成型。因此，采用煙煤分別與泰西煤和霍林河褐煤共混制備活性炭。以100：0、80：20、60：40、40：60和20：80為質量比，對煙煤和配煤進行了試驗研究。
2.2 制備工藝
原煤經0.074mm標準篩球磨機研磨至95%。在每次試驗中，將煤粉按確定的比例充分混合后放入模具。在60MPa的壓力下，制得直徑為25mm、厚度為8mm的蛋糕塊。自然風干24h后，將物料塊破碎成3 ～ 10mm的不規則顆粒。采用R50/500/12納伯瑟姆管式電阻爐對材料進行碳化活化處理。煤基活性炭炭化過程控制理論已經非常成熟，固相炭化主要可以通過控制升溫速率和炭化終溫來形成石墨化程度較低的炭化材料。煉焦過程使用氮氣作為保護氣體到5℃/min的速度溫度從室溫到600℃，溫控60min。碳化后，10℃/min溫度升溫速率達到最終溫度930℃，水汽通量的體積0.68毫升/（g，h）條件下激活，激活時間為180min。收益率CY炭化和活化燃燒損失率B作為實驗研究的重要參數。
2.3 樣品表征
按照GB/T 7702.7-2008《煤樣活性炭吸附碘值測定方法》和GB/T 7702.6-2008《煤樣活性炭吸附亞甲藍值測定方法》對活性炭樣品進行碘值和亞甲藍值測定；按照GB 7702.18-2008《煤基顆?；钚蕴拷固敲撋蕼y定試驗方法》對焦糖脫色指標進行了測定。采用自行研制的活性炭吸附--解吸等溫線法測定了活性炭的吸附--解吸等溫線。測定時相對壓力為p/p0=10-7～1。利用密度函數理論（DFT模型）計算了活性炭樣品的孔徑分布和孔隙體積參數。
3 結果
3.1 無煙煤對活性炭孔結構的調節作用
根據預先確定的配煤方案，采用煙煤和無煙煤配煤后制備活性炭樣品。通過對比實驗對活性炭碘值和亞甲藍值和焦糖脫色指數，分別和半徑約0.55，0.8，1.4nm以上相應的孔隙發達程度，質量的活性炭吸附吸附的三個特點可用于表征活性炭的孔隙結構參數，所得到的不同條件下煤的配比對粉煤灰侵蝕活性炭吸附性能參數、產焦率和活化失火率的影響如表1所示。
由表1可以看出，隨著無煙煤比例的增加，碳化產率呈現出不斷增加的趨勢，從78.4%提高到89.1%。這是因為進口泰西無煙煤的揮發性成分為7.5%，明顯低于某無煙煤的31.21%。活性炭的制備的碳化過程本質上是與煤的熱解過程一致，也就是說，在加熱過程中，原材料進行干燥的過程中，脫氣和熱分解先后在此期間大量揮發物的生成，主要包括可燃氣體CH4、H2和CO氣體焦油。在此過程中，固體殘渣的C/H比值逐漸增大，形成初步的孔隙結構，稱為碳化材料或活性炭前驅體。在煙煤中添加高固定碳、低揮發分的泰西無煙煤，意味著在炭化過程中可以形成氣態揮發分，更多的固體殘渣形成活性炭前驅體。因此，隨著無煙煤比例的逐漸增加，炭化產率也隨之增加。使用100%煙煤制備活性炭產品的碘值和亞甲藍值分別為579mg/g和128mg/g，毛孔還沒有完全開發，意味著在煙煤工藝條件激活的活性炭前體設置、激活終端溫度930℃，淺激活的激活時間為180min。這種淺活化法制備的活性炭孔隙雖不發育，但通常具有良好的抗壓性和耐磨性。
3.2 褐煤摻合對活性炭孔結構的影響
褐煤并非制備活性炭的理想煤，目前仍有相當數量的優質煙煤和無煙煤用于制備活性炭。近年來，它已被提出，褐煤可以用來生產活性炭產品豐富的大、中型毛孔，但這些研究主要集中在化學活化方法或添加劑，還有一些研究褐煤的監管效果的屬性在活性炭的孔隙結構。
總之，采用“煤粉成型+低速碳化+物理活化”工藝制備煤基活性炭。在給定的制備工藝條件下，原煤成為調節活性炭孔隙結構的重要因素。理論上，利用不同的原煤比可以改變活性炭前驅體的組成和結構，從而調整活性炭的孔隙結構。
參考文獻：
[1]雷清平，張文強，趙龍.高效壓塊活性炭的制備[J].潔凈煤技術，2018，24（S1）：75-79.
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