复合颗粒材料及其制法 【发明背景】
本发明涉及一种制备复合颗粒材料的方法，特别是用于处理水溶液和汽相体系中的复合颗粒材料。这种复合颗粒材料可以增加其效果，抗磨耗。
现有技术中公知各种相关的，用于处理水溶液和汽相体系，特别是去除如铅等重金属的材料以及其制造方法有如美国专利5,053,139，它披露一种从水相中去除重金属的方法，而美国专利5,277,931则披露一种用于该方法中的复合离子交换材料。
美国专利5,277,931披露一种制备复合离子交换材料的工艺，其中首先将多孔颗粒与一种水性基本材料一道喷涂，随后再喷含有适当金属离子的浓缩的，酸性水溶液。该方法提供一种在载体料内没有沉积的，并且也未包裹多孔材料颗粒的复合材料。实践上按照这一专利提供的方法制成的复合材料并不那么抗磨耗。特别是，在包装和运输产品过程中会损失大量的原料，而这些材料对于终产品来讲是非常昂贵的。
很明显，人们需要一种复合颗粒材料以及制备这种材料的方法，而且这种材料要能够抗磨耗。
因此，本发明的目地在于提供一种复合颗粒材料，以及制造这种材料的方法。其中原料颗粒能够固定地黏附在载体料上，从而有效地降低或者减少磨耗。
本发明的另一发明目的是提供一种制备复合颗粒材料的方法，这种材料用于处理水溶液去除所含的重金属。
本发明的再一个发明目的在于提供一种在水溶液中去除不需要的重金属的具有优良选择性的复合颗粒材料。
本发明的目的以及优点将在下文中阐述。
发明概况
根据本发明所述，它提供一种制备复合颗粒材料的方法。该方法包括如下步骤采用一种具有原料软化温度的原料颗粒，具有载体软化温度(support softening temperature)的颗粒载体料以及一种比原料软化温度和载体软化温度低的软化温度的颗粒粘合材料；混合所述的原料，载体料以及粘合材料得到一种相当均匀的混合物；将所述的混合物的温度加热到大于等于粘合材料的软化温度，低于原料软化温度和载体软化温度，借此粘合材料将原料粘合到载体料上，从而得到一种复合颗粒材料。
按照本发明优选的技术方案，原料颗粒的粒径为约1至200微米，颗粒载体料的粒径约1至2500微米，而粘合材料的粒径为约1至150微米。
按照本发明另一优选的技术方案，该方法进一步包括在加热过程中搅拌混合物，从而使得复合颗粒材料保持松散的，非连续状态。
按照本发明另一优选的技术方案，加热和搅拌步骤在未加压的情况下进行，从而大大地减少载体料空隙中沉积。
附图简要说明
以下结合附图进一步描述本发明优选实施方案。其中，
图1为现有技术中的复合颗粒材料的图示；
图2为本发明之复合颗粒材料的图示。
本发明优选实施方案之详述
本发明涉及一种制备复合颗粒材料的方法，特别是一种用于去除水溶液和汽相体系中重金属污染物的复合颗粒材料。
根据本发明的技术方案，它提供一种能增加抗磨耗能力的复合颗粒材料的方法。该方法中，原料牢牢地粘合到颗粒载体料上，以这种方式能大大地减少或者降低由于磨耗而带来的原料的损耗。在加热工艺中使用其软化温度低于原料和载体料的软化温度的粘合材料，以提供一种理想的粘合方法，以下将详细描述之。
本发明的优点在于提供一种理想的复合颗粒材料，它具有增强的抗磨耗性能，并且在原料和载体料的孔隙内基本上不出现沉积，不包括原料和载体料的颗粒，从而产生一种具有理想特性的复合材料，例如它可以用来处理水溶液以去除铅和其它不需要的重金属。
参照附图1和2，同常规的复合材料相比，本发明进一步提供一种复合颗粒材料。图1示出一种现有技术中记载的将原料10直接用与载体料12复合材料。现有的复合材料是采用上述美国专利5,277,931的方法喷涂沉淀技术来制备复合材料的。人们发现按照图1所示的复合材料，它不能具有令人满意的抗磨耗性，特别是这种复合材料在运输，处理和使用的磨耗中会损耗大量的原料。原料的损耗会加大使用这种常规材料的成本。
参照附图2，经14处所示本发明之复合颗粒材料。材料14包括一种初级颗粒材料16，支持颗粒材料18以及粘合材料20，它将原料颗粒16粘合在载体料的颗粒18上。
粘合材料20优选为牢固地粘合或者黏附到载体料18和原料16上，结果是覆盖了载体料18相对小部分的表面积，所以粘合材料20不能覆盖载体料18。
原料(primary material)
本发明之原料16可以优选于以下材料，它包括无机水合金属氧化物，无定形金属硅酸盐，沸石及其它们的混合物，更优选的是无机水合氧化钛或者硅酸盐，无机水合氧化锡或者硅酸盐以及它们的混合物，最优选的是硅酸钛，硅酸锡和它们的混合物。
本发明之原料优选的是在最终复合产品中具有系列特性的材料，这种特性包括与一种用复合颗粒材料拟处理的介质中的不需要的组分或者成分的离子交换能力。本发明中可以使用各种原料，用来处理水溶液以除去不需要的重金属，例如铅、镉、锌、铬、汞等等。特别优选的原料包括硅酸钛和硅酸锡，它们可用于制备复合颗粒材料来去除铅。当然，本发明中可以使用大量的其它材料或者吸着剂介质，以达到亲和性来除去不需要的成分。
本发明的原料可以优选进行微粒化或者粉末状的形式。原料颗粒的粒径优选为约1之200微米，最优选为小于等于200微米。在所述的范围内原料实际上有相当均匀的粒径。
载体料(Support Material)
载体料可以适当地选用各种多孔或者无孔材料，也可以选用能够提供在介质中除去不需要组分的其它活性的材料。例如这种载体料包括炭，特别是活性炭颗粒，玻璃珠或者玻璃球；有孔或者无孔的火山石；塑料殊或者塑料球；塑料纤维；木纤维；炭纤维；陶瓷介质；耐火或非耐火土；硅藻土；金属颗粒；磁铁材料；硅胶；不锈锰钢；有机纤维；赛璐璐纤维；丙烯酸纤维，金钢砂等等。特别优选的载体料是活性炭，尤其是活性炭颗粒。
载体料的粒径优选为约1之2500微米。在这一范围内，实际上载体料有相当均匀的粒径，这种粒径比原料粒径大。
粘合材料
所述的粘合材料可以是各种粘合剂包括结晶热塑性聚合物，热塑性聚合物，结晶聚合物和它们的混合物，优选为聚烯烃，酰胺和它们的混合物。特别优选的粘合材料的例子包括聚乙烯，聚丙烯，乙烯乙酸乙烯酯和它们混合物。
粘合材料可以为颗粒状，其粒径为1至150微米。优选的是，粘合剂的粒径小于等于30微米。在这一范围内，粘合材料实际上具有相当均匀的粒径。
本发明对于原料和载体料来讲，优选提供了粘合材料的相对软化温度，即Vicat软化点，粘合材料的软化温度比原料和载体料要低得多，这一点下文将会讨论。典型的粘合材料的软化温度为250华氏度至400华氏度。在低温时，粘合材料的软化温度，即Vicat软化点介于150至275华氏度之间，更优选的是170至265华氏度之间。
工艺方法
以下将描述本发明制备复合颗粒材料的方法。按照本发明所述，制备本发明之复合材料要经过预先选择一定数量的原料，载体料以及粘合材料进行混合，从而得到一种相对均匀的混合物，加热该混合物，使其温度达到足以软化粘合材料，结果是粘合材料颗粒开始变形，变粘稠，并且足以能够将其粘合到所有周围的原料和载体料的颗粒上，在经过冷却和混合物或者使该混合物的温度降到室温，使得原料和载体料之间的粘合材料的粘合变得更加牢固，因此而得到复合颗粒材料，这种材料特别能够抗磨耗，特别能够减少原料的损耗，而这些方面常规方法制成的材料是无法达到的。
原料，载体料和粘合材料都具有软化温度，其中粘合材料的软化温度比原料和载体料的软化温度低的多。粘合材料的软化温度优选是比原料软化温度和载体料的软化温度低，从而能将混合物的温度加热到粘合材料软化温度，而不影响原料和载体料。对于低温的应用，所述的粘合材料的软化温度，即Vicat软化点可为150华氏度至275华氏度之间，优选为170至265度之间。通过加入这种具有特殊软化温度特性的粘合材料，可将热度提高到粘合材料软化点，并开始粘合到原料和载体料上，达到理想的结果，而且对原料和载体料本身无不良影响。
根据本发明的方案，优选是以足够数量的原料，载体料和粘合材料充分混合，其中粘合材料的量为至少占混合物重量的5％，优选为5％至25％之间。
在加热过程中，要充分搅拌原料，载体料和粘合材料的混合物，或者使其保持在流动状，目的是要在混合和加热步骤中保持稳定的介质流动状态。要保持这种状态，要使用大量的各种装置，例如加热转鼓，螺条混合机，搅拌机或者挤出机等等。装置流动态能够防止连续固体结构的形成，而不是在原料和载体料颗粒之间形成的那种结构，因此可以得到所需要的，一种实质上是非连续的颗粒型终产品。在加热步骤之外，优选是连续进行一段时间的混合物的搅拌或者流动，目的是使加热过的混合物冷却，或返回至室温。
按照本发明之实施方案，混合加热优选在大气压下进行，以减少诸如粘合材料等物质在原料和载体料空隙中沉淀，而人们认为这些空隙对于终产品的选择性以及活性，例如处理水溶液，去除重金属等方面有用处。本发明的混合和加热优选是近可能在接近大气压下进行，即，不加压，以减少或者避免出现某些物质的沉积。
按照本发明之实施方案，原料，载体料和粘合材料的颗粒可以在上述的范围内分成许多不同的大小。但优选的这三种材料的颗粒要相当均匀，而且载体料颗粒要比原料颗粒大。颗粒材料的大小可以通过研磨，筛选，粉碎或者其它方法来完成。
彻底混合每一种原料，载体以及粘料颗粒，得到相当均匀的颗粒混合物。如上所述，混合物内的粘料颗粒优选是至少占混合物总重量的5％，优选为5-25％。用原料和载体颗粒平衡混合物，根据终产品的特性来调节它。
一旦彻底混合了颗粒材料，对所述的混合物加热，使混合物的温度升高至高于粘料的软化温度，而且这个温度也比原料和载体料的软化温度低。优选的是，当粘合材料是聚烯烃或者聚酰胺聚合物基团时，将所述的混合物加热到接近粘料的熔点的温度。最优选的情况是，进行加热是为了使粘料的软化温度保持在约25度，从而，粘料并不软化，在软化点时，它容易流动，并覆盖原料和载体的内孔。
在加热过程中，按照本发明，混合物也预先搅拌以防止形成连续的结构。由于考虑上述情况，按照本发明，加热和搅拌过程在大气压下预先进行，以避免在原料和载体料的孔空间必然形成的材料的解吸附。
经过足够的加热混合物之后，使粘料处于粘稠状，并与邻近的原料和载体颗粒接触，然后将混合物的温度调回到室温，优选的是，同时连续搅拌或者混合，以至于进一步形成连续的结构。在混合物冷却和/或降到室温的过程中，粘料固化，从而使粘料牢固地与原料颗粒粘合到载体上。
与美国专利5,277,931所使用的喷涂工艺的配料相比，可以发现本方面之方法形成的复合颗粒材料大大地改善了抗磨耗性能。
按照本方面之实施方案，至少原料和载体中有一个是陶瓷离子交换介质，它的解吸附孔容积(desorption pore volume)为0.03-0.25之间立方分米/克，所以得到的复合颗粒材料具有理想的活性和再生特性。
根据本发明之另一技术方案，利用氧化钛或者硅酸盐，聚烯烃或者聚酰胺粘料，再加上有颗粒性活性炭，陶瓷介质，或耐火泥构成的载体可以制备出复合颗粒材料。
根据本发明之另一技术方案，如上所述的原料和载体料之一，或者两者都可以是沸石，优选的是硅铝酸盐，例如A级沸石等等，它可以被浸渍或者伴有活性介质或者诸如钾，钠，钙等离子，或者是任何一种特殊的材料，这种材料具有用本发明的复合颗粒材料处理污染物的活性。沸石可以是本领域技术人员公知的各类沸石。具有特殊组分和摩尔比的的沸石可以用于本发明，以得到理想特性的终产品。
很清楚本发明并不限于本文的描述，本文的描述只是接受实施本发明的最佳实施方案，人们可以调节其形式、大小组分的安排以及详细的操作等等。本发明意在包罗所有的这种调整，而这种调整仅限于权利要求范围之内。