脫硫脫硝活性炭的制備及強(qiáng)度優(yōu)化
1、制備方法
就生產(chǎn)活性炭的原材料來(lái)說(shuō)，煤質(zhì)和木質(zhì)的活性炭較為常見(jiàn)。工業(yè)煙氣凈化所需的活性炭量較大，常用煙煤、褐煤等廉價(jià)易得的材料制備活性炭。一些農(nóng)業(yè)廢棄物如廢茶、核桃殼、松子殼等也可以作為活性炭的原材料。
活性炭的制備方法主要包括預(yù)處理、成型、碳化、活化四步。原料的預(yù)處理包括脫灰和預(yù)氧化。脫灰過(guò)程可豐富活性炭的孔結(jié)構(gòu)，提高吸附性能，但成本較高。預(yù)氧化處理可降低活化溫度，提高吸附性能和產(chǎn)率。成型方法主要有兩種：碳質(zhì)前軀體直接碳化和粉狀活性炭人工成型。如：將松子殼直接于350~600℃下炭化，篩分出粒度10mm的炭化料使用水蒸氣在750~900℃下活化，得到活性炭的碘吸附值高達(dá)950mg/g。此種前驅(qū)體直接炭化成型的方法制備的活性炭，雖然可以獲得高的比表面積及吸附性能，但是高溫活化過(guò)程容易造成成型顆粒結(jié)構(gòu)的坍塌和機(jī)械強(qiáng)度的降低。
以粉狀白酒糟活化炭為原料，以羧甲基纖維素（CMC）為增稠劑、煤焦油和酒糟活性炭灰分堿處理溶出液來(lái)粘結(jié)成型，4MPa成型壓力下制得的成型活性炭碘吸附能力在600mg/g以上，經(jīng)500~800熱處理，側(cè)壓強(qiáng)度保持在120N/cm以上。近年來(lái)化學(xué)自成型法逐漸被廣泛研究，即使用磷酸或氯化鋅等脫水劑作用于木質(zhì)活性炭，使木質(zhì)素或纖維素進(jìn)行水解、脫水、縮合等反應(yīng)，直接生成具有一定比表面積的活性炭。使用50%的磷酸浸漬杉木屑，溶脹后捏合成型，于450℃下保溫1h直接制得比表面積在1600m2/g以上的活性炭。自成型法需耗費(fèi)大量的脫水劑，成本較高，且一般以天然植物為原料，經(jīng)炭化和活化后主要轉(zhuǎn)化為較為疏松的無(wú)定形炭，機(jī)械強(qiáng)度較差，強(qiáng)度太低容易使活性炭在運(yùn)輸過(guò)程中粉塵化，不適合大批量的工業(yè)應(yīng)用。
2、機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)化
將活性炭進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，對(duì)強(qiáng)度的要求是必不可少的。波濤活性炭廠家選取了幾種來(lái)自不同產(chǎn)地的市場(chǎng)上常見(jiàn)的活性炭，研究發(fā)現(xiàn)煤質(zhì)活性炭的機(jī)械強(qiáng)度明顯優(yōu)于椰殼活性炭。以土耳其瀝青質(zhì)（含40%灰分）為碳源，經(jīng)高溫加壓膨脹預(yù)炭化和三步升溫炭化，制備了平均孔徑150μm的泡沫碳，其密度為800kg/m3，經(jīng)1323K炭化后，抗壓強(qiáng)度由瀝青原材料的10MPa提高到了18MPa，瀝青中高含量的灰分為泡沫碳的機(jī)械強(qiáng)度提供了支持。將其與煤質(zhì)、煤焦油瀝青質(zhì)、石油瀝青質(zhì)以及三井公司的AR瀝青質(zhì)泡沫碳（萘經(jīng)過(guò)催化聚合得到）進(jìn)行了密度和抗壓強(qiáng)度的對(duì)比，此四種碳材料密度分別在160~800、560~670、340和200~600kg·m-3，相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度分別為2.5~18.7、8~18.2、3.9和1~4MPa。
發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致碳骨架脆弱，機(jī)械強(qiáng)度降低。目前工業(yè)上主要使用粉末狀原料通過(guò)添加粘結(jié)劑經(jīng)擠壓成型，高溫炭化制得所需形狀的活性炭。此方法主要通過(guò)添加粘結(jié)劑來(lái)達(dá)到成型和強(qiáng)度要求，關(guān)鍵在于粘結(jié)劑的選擇和炭化活化工藝條件的控制。無(wú)機(jī)粘結(jié)劑容易提高活性炭的強(qiáng)度，但是添加過(guò)多容易導(dǎo)致比表面積的降低，降低脫硫脫硝性能。而有機(jī)粘結(jié)劑在后續(xù)煅燒過(guò)程中碳化變?yōu)槭杷傻臒o(wú)定型碳，對(duì)機(jī)械強(qiáng)度的提高程度有限。波濤活性炭廠家發(fā)現(xiàn)椰殼活性炭的抗壓強(qiáng)度很難達(dá)到5MPa以上，而焦油活性炭則比較容易，以聚乙烯醇縮丁醛（PVB）為粘結(jié)劑，鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）為增塑劑，通過(guò)混合、成型硬化及900℃炭化處理，發(fā)現(xiàn)高的成型壓力下得到的活性炭的抗壓強(qiáng)度也相應(yīng)的較高，在400MPa的成型壓力下，焦油活性炭的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到6.02MPa（密度0.55g·cm-3），而相應(yīng)的椰殼活性炭的抗壓強(qiáng)度為其比表面積為4.50MPa（密度0.59g·cm-3）。
以太西煤為原料，添加了15%的天然粘結(jié)劑NPA，200kN成型壓力下成型，經(jīng)炭化和水蒸氣活化制得活性炭，800℃下活化，當(dāng)活化時(shí)間由90min延長(zhǎng)至180min時(shí)，活性炭的機(jī)械強(qiáng)度由93.04%減小到88.32%。使用陜西榆林廢棄的半焦，以煤焦油為粘結(jié)劑，經(jīng)600℃碳化，800℃下使用CO2活化制備了耐壓強(qiáng)度在11.21MPa的柱狀活性焦，相應(yīng)的平均脫硫率達(dá)到90%。
