压块工艺条件下配煤对活性炭孔结构的调控作用
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摘 要：活性炭是一种广泛使用的多孔吸附材料，在实际应用中，有许多类型的活性炭，每一种活性炭的制备方法各不相同。煤基活性炭是活性炭的重要组成部分。一般来说，以煤为基础的活性炭的生产是直接激活原煤，并增加一定比例的粘结剂与粉状煤的生产。煤基活性炭的成功制备具有社会经济效益高、环境污染少、成本低等特点。
关键词：活性炭；配煤；烟煤；孔结构
与传统活性炭相比，以煤为基础的活性炭具有良好的吸附性能、可調孔隙结构、孔隙均匀分布、高附加值和良好的社会经济效益等特点。然而，以煤为基础的活性炭的强度较低，使用的浮选率较高。为了解决这一问题，并结合影响活性炭生产的因素，研究了生产活性炭的技术存在的问题。
1 压块成型技术概述
粉末形成过程主要是在细粉形成后形成相同的形状，但形成较大的粉末颗粒。随着科学技术的发展，新材料和新工艺的发展，压块技术已经应用于越来越多的社会生产领域。
2 活性炭的制备
2.1 配煤方案
由于烟煤黏附力较弱，可由强度高、粉碎难度大的压力机直接压制成型。因此，采用烟煤分别与泰西煤和霍林河褐煤共混制备活性炭。以100：0、80：20、60：40、40：60和20：80为质量比，对烟煤和配煤进行了试验研究。
2.2 制备工艺
原煤经0.074mm标准筛球磨机研磨至95%。在每次试验中，将煤粉按确定的比例充分混合后放入模具。在60MPa的压力下，制得直径为25mm、厚度为8mm的蛋糕块。自然风干24h后，将物料块破碎成3 ～ 10mm的不规则颗粒。采用R50/500/12纳伯瑟姆管式电阻炉对材料进行碳化活化处理。煤基活性炭炭化过程控制理论已经非常成熟，固相炭化主要可以通过控制升温速率和炭化终温来形成石墨化程度较低的炭化材料。炼焦过程使用氮气作为保护气体到5℃/min的速度温度从室温到600℃，温控60min。碳化后，10℃/min温度升温速率达到最终温度930℃，水汽通量的体积0.68毫升/（g，h）条件下激活，激活时间为180min。收益率CY炭化和活化燃烧损失率B作为实验研究的重要参数。
2.3 样品表征
按照GB/T 7702.7-2008《煤样活性炭吸附碘值测定方法》和GB/T 7702.6-2008《煤样活性炭吸附亚甲蓝值测定方法》对活性炭样品进行碘值和亚甲蓝值测定；按照GB 7702.18-2008《煤基颗粒活性炭焦糖脱色率测定试验方法》对焦糖脱色指标进行了测定。采用自行研制的活性炭吸附--解吸等温线法测定了活性炭的吸附--解吸等温线。测定时相对压力为p/p0=10-7～1。利用密度函数理论（DFT模型）计算了活性炭样品的孔径分布和孔隙体积参数。
3 结果
3.1 无烟煤对活性炭孔结构的调节作用
根据预先确定的配煤方案，采用烟煤和无烟煤配煤后制备活性炭样品。通过对比实验对活性炭碘值和亚甲蓝值和焦糖脱色指数，分别和半径约0.55，0.8，1.4nm以上相应的孔隙发达程度，质量的活性炭吸附吸附的三个特点可用于表征活性炭的孔隙结构参数，所得到的不同条件下煤的配比对粉煤灰侵蚀活性炭吸附性能参数、产焦率和活化失火率的影响如表1所示。
由表1可以看出，随着无烟煤比例的增加，碳化产率呈现出不断增加的趋势，从78.4%提高到89.1%。这是因为进口泰西无烟煤的挥发性成分为7.5%，明显低于某无烟煤的31.21%。活性炭的制备的碳化过程本质上是与煤的热解过程一致，也就是说，在加热过程中，原材料进行干燥的过程中，脱气和热分解先后在此期间大量挥发物的生成，主要包括可燃气体CH4、H2和CO气体焦油。在此过程中，固体残渣的C/H比值逐渐增大，形成初步的孔隙结构，称为碳化材料或活性炭前驱体。在烟煤中添加高固定碳、低挥发分的泰西无烟煤，意味着在炭化过程中可以形成气态挥发分，更多的固体残渣形成活性炭前驱体。因此，随着无烟煤比例的逐渐增加，炭化产率也随之增加。使用100%烟煤制备活性炭产品的碘值和亚甲蓝值分别为579mg/g和128mg/g，毛孔还没有完全开发，意味着在烟煤工艺条件激活的活性炭前体设置、激活终端温度930℃，浅激活的激活时间为180min。这种浅活化法制备的活性炭孔隙虽不发育，但通常具有良好的抗压性和耐磨性。
3.2 褐煤掺合对活性炭孔结构的影响
褐煤并非制备活性炭的理想煤，目前仍有相当数量的优质烟煤和无烟煤用于制备活性炭。近年来，它已被提出，褐煤可以用来生产活性炭产品丰富的大、中型毛孔，但这些研究主要集中在化学活化方法或添加剂，还有一些研究褐煤的监管效果的属性在活性炭的孔隙结构。
总之，采用“煤粉成型+低速碳化+物理活化”工艺制备煤基活性炭。在给定的制备工艺条件下，原煤成为调节活性炭孔隙结构的重要因素。理论上，利用不同的原煤比可以改变活性炭前驱体的组成和结构，从而调整活性炭的孔隙结构。
参考文献：
[1]雷清平，张文强，赵龙.高效压块活性炭的制备[J].洁净煤技术，2018，24（S1）：75-79.
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