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炭化温度对蜂窝活性炭孔结构和强度的影响

作者:河南华西环保 来源:河南华西环保 日期:2020/2/17 19:48:55 人气:

 蜂窝活性炭是一类内部构型有许多平行贯通孔道的新型复合功能活性炭;炭化是生产活性炭过程中的主要环节之一,炭化的目的是除去非碳元素,得到必要的强度并形成了初始的孔结构,活化过程不过是将炭化材料的孔结构在同一方向上发展,其中最重要的是炭化时的温度。本文总结以往的经验研究,在相同原料配比、挤出工艺条件和活化条件下,制备了不同炭化终温的蜂窝半焦和蜂窝活性炭样品,通过XRD和SEM测试分析了炭化温度对蜂窝活性炭性能的影响规律。

  一、蜂窝半焦的表征SEM分析
  图1是煤基蜂窝碎片经120℃、300℃、500℃、650℃和800℃下热处理后所得产物的SEM照片,可以看出,原料煤粉的粒径差异较大,在甲基纤维素MC、豆油和煤焦油的粘合作用下,煤粉颗粒之间的界限不明显,加热到300℃尽管煤颗粒仍然呈粘连状态,但是煤颗粒的棱角变得清晰,颗粒之间的空隙明显增多,说明添加的甲基纤维索MC发生了热分解,煤焦油中轻组分和豆油也有部分蒸发,煤粉颗粒之间的粘结程度有所降低,经500℃炭化后,煤颗粒的棱角消失,颗粒之间的粘连程度有所加强,这是由于煤是粘结性煤,在炭化温度300~500℃,煤颗粒发生熔融现象,并与外加煤焦油中的沥青相互粘结在一起,形成粘连结构。随着炭化温度的进一步升高,粘连程度明显提高,但宏观空隙依然存在。


 一(1)比表面积和孔结构分析

  表2为不同炭化温度下蜂窝半焦收率以及由吸附等温线数据计算的比表面积和孔容分布。从表中可以看出,煤基蜂窝的失重主要发生在500℃以下,但由于煤是弱粘结性煤,在300~500℃之间形成胶质体,抑制了孔隙的形成,炭化温度500℃得到蜂窝半焦样品的比表面积和总孔容极低,分别是1.6m2/g和0.0089cm2/g;尽管在500~700℃范围内失重量很小,但挥发分逸出形成的空隙数量明显增加,在700℃时,蜂窝半焦样品的比表面积和总孔容分别增加到40.2 m2/g和0. 0359cm3/g,而且孔分布数据表明以微孔和中孔的增加为主,从SEM分析可知,在此炭化温度为650℃时,胶质体发生了固化现象,因此挥发分逸出形成的孔隐得以保留,比表面积和孔容相应增大,但炭化温度继续升高到800℃后,比表面积和总孔容吸附又大幅度下降。在炭化温度为800℃时,炭化反应以缩聚反应为主,挥发分逸出主要为H2和CH4;使芳香区域更加有序化,其结果是丧失了一些开口孔隙和表面积。

 



  二、XRD分析

  图2是500℃、600℃、700℃和800℃下炭化物的X射线衍射分析图谱;所有样品清晰地显示,在衍射角等于25°和43°附近有两个分布寬的衍射峰,它们分别归属于002和100峰;随着炭化温度的升高,002峰的衍射强度逐渐增加,峰形变窄,表明平行排列的碳层面数减少,石墨状微晶层片在空间的排列有序性增强,层片取向程度增大,另一方面,随着炭化温度的升高,100峰的峰形变得尖锐,说明石墨状微晶的平行层面出现了增大趋势。


  二(1)炭化温度对蜂窝活性炭机械强度的影响

  图3显示了炭化温度对蜂窝活性炭机械强度的影响,由图可见,炭化温度500℃得到的蜂窝半焦和蜂窝活性炭的机械强度都较低;炭化温度为650℃时,蜂窝半焦和蜂窝活性炭的机械强度增加了2.5倍~3倍;随着炭化温度的进一步升高,蜂窝半焦和蜂窝活性炭的机械强度缓慢增加、蜂窝活性炭的机械强度小于相应炭化温度下蜂窝半焦的机械强度,这是由于活化过程产生了新的孔隙,增加了蜂窝活性炭的空隙率的结果。


  综上可见,炭化条件对活性炭产物孔结构的形成起着相当重要的作用,炭化温度对蜂窝活性炭机械强度的促进作用,此外,弱粘结性煤在炭化过程中,颗粒相互熔融,并发生缩聚反应,这些物理和化学变化也会影响最终活性炭的机械强度。

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