一种活性炭的制备方法 【技术领域】
本发明涉及活性炭领域， 具体涉及一种利用柠檬酸废渣制备活性炭的方法。背景技术 柠檬酸是一种应用广泛的有机酸， 可作为酸味剂和增稠剂， 还可以作为清洗剂使 用， 广泛用于食品、 饮料、 医药、 化工、 洗涤剂等行业。受出口刺激， 我国国内柠檬酸产量由 2001 年的 38 万吨增长到 2005 年的 70 万吨， 2006 年约 80 万吨， 年均增加 12.5％， 成为世界 第一柠檬酸生产大国， 产量约占世界的 70％。而目前多数企业在用发酵法生产柠檬酸过程 中， 大量的柠檬酸废渣没有综合利用， 直接外排。
活性炭， 是一种具有巨大比表面、 多孔结构的炭。按其原料分类可分为煤质活性 炭、 木质炭、 果壳炭和骨质炭 ； 按其形态可分为柱状炭、 破碎炭、 粉末炭和纤维活性炭。活性 炭的主要原料为煤、 木材、 果壳等富含碳元素的有机材料， 通过活化而形成具有吸附能力的 复杂的孔隙结构。孔隙中半径大于 20000nm 的为大孔， 介于 150-20000nm 的为中孔， 小于 150nm 的为微孔。 活性炭的吸附作用主要发生在这些空隙和表面上， 活性炭孔壁上大量的分 子可以产生强大的引力将水和空气中的杂质吸引到孔隙中。 活性炭的吸附可分为物理吸附 和化学吸附。 物理吸附主要发生在活性炭丰富的微孔中， 用于去除水和空气中杂质， 这些杂 质的分子直径必须小于活性炭的孔径。 不同的原材料和加工工艺造成活性炭不同的微孔结 构、 比表面积和孔径， 适用于不同的需求。活性炭不仅含有碳元素， 而且在其表面含有官能 团， 与被吸附的物质发生化学反应。介质中的杂质通过物理吸附和化学吸附不断进入活性 炭的多孔结构中， 使活性炭吸附饱和、 吸附效果下降。 吸附饱和后的活性炭需要进行活化再 生， 恢复其吸附能力， 重复使用。
目前， 活性炭广泛应用于水处理、 溶剂回收、 食品饮料提纯、 空气净化、 脱硫、 载体、 医药、 黄金提炼、 防毒、 半导体、 原子能及生物工程、 纳米材料、 高效催化剂载体等领域。
发明内容 为解决上述问题， 本发明的目的在于提供一种活性炭的制备方法， 可以对柠檬酸 废渣回收利用， 减轻废渣对环境造成的污染， 同时工艺简单、 无污染， 且生产成本低， 又取得 较高的循环经济效果。
为达到上述目的， 本发明采用的技术方案是 ： 一种活性炭的制备方法， 包括以下步 骤：
(1) 水 解 ： 在 反 应 釜 内 泵 入 质 量 浓 度 为 25 ％ -35 ％ 的 1800-2200L 盐 酸， 蒸汽 加热至 60-70 ℃， 再投入 800-1200kg 发酵法生产柠檬酸过程中产生的废渣， 蒸汽升温至 90-105℃， 水解反应 2-5.5 小时 ；
(2) 抽滤 ： 将上述水解后物料放入抽滤桶中进行抽滤， 抽滤后的碳渣用自来水漂 洗 2-3 次， 再用质量浓度为 1％ -3％的稀碱液漂洗至中性， 收集碳渣 ；
(3) 干 燥 ： 将 上 述 碳 渣 放 入 气 流 干 燥 器 进 行 干 燥， 气流干燥器进口温度为
140-160℃， 出口温度为 80-90℃， 干燥至碳渣含水量为 6％以下 ；
(4) 造粒 ： 将干燥好的碳渣按重量比 100 ∶ 5 的比例掺入胶粘剂， 充分混合后再挤 压成颗粒状， 制成颗粒碳渣 ；
(5) 碳化、 活化 ： 将颗粒碳渣采用连续式回转炉法在内热式回转炉里进行碳化、 活 化， 即得成品活性炭， 其中内热式回转炉炉头温度为 900-950 ℃， 炉尾温度为 200-250 ℃， 碳化区温度为 400-420℃， 活化区温度为 880-900℃， 碳化时间为 2-2.7 小时， 活化时间为 0.3-1 小时。
其中， 步骤 (2) 稀碱液为氢氧化钠溶液或氢氧化铵溶液。
其中， 步骤 (4) 中的胶粘剂为重焦油、 沥青或羧甲基纤维素 (CMC)。
其中， 步骤 (5) 中内热式回转炉筒体转速为 1-3r/min， 活化剂为水蒸气、 二氧化碳 或空气。
本发明采用连续式回转炉法制作活性炭， 碳化、 活化一道在内热式回转炉里完成， 筒体用钢板制成， 内衬耐火砖， 在中部外套大齿轮， 借以推动筒体转动， 两端各有一对齿轮， 支承筒体重量， 炉头、 炉尾均有密封装置， 炭化、 活化炉采用轻质柴油作为燃料， 采用温度自 控调节来达到。 同时， 本发明采用气体活化法， 活化剂通过炽热的碳层、 并于碳层发生活化反应进 行活化。
采用上述技术方案后， 因为对柠檬酸废渣进行了回收利用， 从而减轻废渣对环境 造成的污染 ； 并且采用气体活化法以柠檬酸废渣作为原料生产活性炭， 无污染， 安全环保， 工艺简单 ； 同时因为原料资源丰富， 生产成本低 ； 进一步也节约了治理环境污染的费用， 取 得较高的循环经济效果。另外， 本发明的水解反应的温度可提高到 90℃甚至 95℃以上， 从 而使反应时间大大缩短到 5.5 小时到 2 小时之间， 大大提高了生产效率并提升了中间产物 的产率。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。
实施例一
(1) 水解 ： 在反应釜内泵入质量浓度为 30％的盐酸 2000L， 蒸汽加热至 65℃， 再投 入 1000kg 柠檬酸废渣， 蒸汽升温至 100℃， 水解反应 2.5 小时。
(2) 抽滤 ： 将上述水解后物料放入抽滤桶中进行抽滤， 抽滤后的碳渣用自来水漂 洗 2 次， 再用质量浓度为 2％的氢氧化钠溶液漂洗至中性， 收集碳渣。
(3) 干燥 ： 将上述碳渣放入气流干燥器进行干燥， 气流干燥器进口温度为 150℃， 出口温度为 85℃， 干燥至碳渣含水量为 6％以下 ；
(4) 造粒 ： 将干燥好的碳渣按重量比 100 ∶ 5 的比例掺入羧甲基纤维素 (CMC)， 充 分混合后再挤压成颗粒状， 制成颗粒碳渣 ；
(5) 碳化、 活化 ： 将颗粒碳渣采用连续式回转炉法在内热式回转炉里进行碳化、 活 化， 即得成品活性炭， 其中内热式回转炉炉头温度为 920℃， 炉尾温度为 220℃， 碳化区温度 为 410℃， 活化区温度为 890℃， 碳化时间为 2.4 小时， 活化时间为 0.6 小时， 筒体转速为 2r/ min， 活化剂为空气。所得成品活性炭 136kg， 纯度为 92.5％。
实施例二
(1) 水解 ： 在反应釜内泵入质量浓度为 25％的盐酸 2200L， 蒸汽加热至 60℃， 再投 入 1200kg 柠檬酸废渣， 蒸汽升温至 105℃， 水解反应 5 小时。
(2) 抽滤 ： 将上述水解后物料放入抽滤桶中进行抽滤， 抽滤后的碳渣用自来水漂 洗 3 次， 再用质量浓度为 3％的氢氧化铵溶液漂洗至中性， 收集碳渣。
(3) 干燥 ： 将上述碳渣放入气流干燥器进行干燥， 气流干燥器进口温度为 140℃， 出口温度为 80℃， 干燥至碳渣含水量为 6％以下 ；
(4) 造粒 ： 将干燥好的碳渣按重量比 100 ∶ 5 的比例掺入重焦油， 充分混合后再挤 压成颗粒状， 制成颗粒碳渣 ；
(5) 碳化、 活化 ： 将颗粒碳渣采用连续式回转炉法在内热式回转炉里进行碳化、 活 化， 即得成品活性炭， 其中内热式回转炉炉头温度为 900℃， 炉尾温度为 200℃， 碳化区温度 为 400℃， 活化区温度为 880℃， 碳化时间为 2.7 小时， 活化时间为 0.3 小时， 筒体转速为 1r/ min， 活化剂为水蒸气。
所得成品活性炭 160kg， 纯度为 92％。
实施例三
(1) 水解 ： 在反应釜内泵入质量浓度为 25％的盐酸 1800L， 蒸汽加热至 70℃， 再投 入 800kg 柠檬酸废渣， 蒸汽升温至 90℃， 水解反应 2 小时。
(2) 抽滤 ： 将上述水解后物料放入抽滤桶中进行抽滤， 抽滤后的碳渣用自来水漂 洗 2 次， 再用质量浓度为 1％的氢氧化钠溶液漂洗至中性， 收集碳渣。
(3) 干燥 ： 将上述碳渣放入气流干燥器进行干燥， 气流干燥器进口温度为 160℃， 出口温度为 90℃， 干燥至碳渣含水量为 6％以下 ；
(4) 造粒 ： 将干燥好的碳渣按重量比 100 ∶ 5 的比例掺入沥青， 充分混合后再挤压 成颗粒状， 制成颗粒碳渣 ；
(5) 碳化、 活化 ： 将颗粒碳渣采用连续式回转炉法在内热式回转炉里进行碳化、 活 化， 即得成品活性炭， 其中内热式回转炉炉头温度为 950℃， 炉尾温度为 250℃， 碳化区温度 为 420℃， 活化区温度为 900℃， 碳化时间为 2 小时， 活化时间为 1 小时， 筒体转速为 3r/min， 活化剂为二氧化碳。
所得成品活性炭 106kg， 纯度为 93.5％。
实施例四
(1) 水解 ： 在反应釜内泵入质量浓度为 35％的盐酸 2000L， 蒸汽加热至 68℃， 再投 入 1100kg 柠檬酸废渣， 蒸汽升温至 105℃， 水解反应 5.5 小时。
(2) 抽滤 ： 将上述水解后物料放入抽滤桶中进行抽滤， 抽滤后的碳渣用自来水漂 洗 3 次， 再用质量浓度为 2.5％的氢氧化铵溶液漂洗至中性， 收集碳渣。
(3) 干燥 ： 将上述碳渣放入气流干燥器进行干燥， 气流干燥器进口温度为 150℃， 出口温度为 85℃， 干燥至碳渣含水量为 6％以下 ；
(4) 造粒 ： 将干燥好的碳渣按重量比 100 ∶ 5 的比例掺入羧甲基纤维素 (CMC)， 充 分混合后再挤压成颗粒状， 制成颗粒碳渣 ；
(5) 碳化、 活化 ： 将颗粒碳渣采用连续式回转炉法在内热式回转炉里进行碳化、 活化， 即得成品活性炭， 其中内热式回转炉炉头温度为 910℃， 炉尾温度为 210℃， 碳化区温度 为 405℃， 活化区温度为 885℃， 碳化时间为 2.5 小时， 活化时间为 0.5 小时， 筒体转速为 2r/ min， 活化剂为空气。
所得成品活性炭 148kg， 纯度为 92.5％。
实施例五
(1) 水解 ： 在反应釜内泵入质量浓度为 30％的盐酸 2000L， 蒸汽加热至 70℃， 再投 入 1000kg 柠檬酸废渣， 蒸汽升温至 90℃， 水解反应 4 小时。
(2) 抽滤 ： 将上述水解后物料放入抽滤桶中进行抽滤， 抽滤后的碳渣用自来水漂 洗 3 次， 再用质量浓度为 3％的氢氧化铵溶液漂洗至中性， 收集碳渣。
(3) 干燥 ： 将上述碳渣放入气流干燥器进行干燥， 气流干燥器进口温度为 155℃， 出口温度为 88℃， 干燥至碳渣含水量为 6％以下 ；
(4) 造粒 ： 将干燥好的碳渣按重量比 100 ∶ 5 的比例掺入沥青， 充分混合后再挤压 成颗粒状， 制成颗粒碳渣 ；
(5) 碳化、 活化 ： 将颗粒碳渣采用连续式回转炉法在内热式回转炉里进行碳化、 活 化， 即得成品活性炭， 其中内热式回转炉炉头温度为 9040℃， 炉尾温度为 230℃， 碳化区温 度为 415℃， 活化区温度为 895℃， 碳化时间为 2.2 小时， 活化时间为 0.8 小时， 筒体转速为 1.5r/min， 活化剂为二氧化碳。 所得成品活性炭 140kg， 纯度为 92.5％。
实施例六
(1) 水解 ： 在反应釜内泵入质量浓度为 30％的盐酸 1800L， 蒸汽加热至 65℃， 再投 入 900kg 柠檬酸废渣， 蒸汽升温至 95℃， 水解反应 3.5 小时。
(2) 抽滤 ： 将上述水解后物料放入抽滤桶中进行抽滤， 抽滤后的碳渣用自来水漂 洗 2 次， 再用质量浓度为 1％的氢氧化钠溶液漂洗至中性， 收集碳渣。
(3) 干燥 ： 将上述碳渣放入气流干燥器进行干燥， 气流干燥器进口温度为 145℃， 出口温度为 83℃， 干燥至碳渣含水量为 6％以下 ；
(4) 造粒 ： 将干燥好的碳渣按重量比 100 ∶ 5 的比例掺入重焦油， 充分混合后再挤 压成颗粒状， 制成颗粒碳渣 ；
(5) 碳化、 活化 ： 将颗粒碳渣采用连续式回转炉法在内热式回转炉里进行碳化、 活 化， 即得成品活性炭， 其中内热式回转炉炉头温度为 930℃， 炉尾温度为 215℃， 碳化区温度 为 410 ℃， 活化区温度为 890 ℃， 碳化时间为 2.5 小时， 活化时间为 0.5 小时， 筒体转速为 2.5r/min， 活化剂为空气。
所得成品活性炭 120kg， 纯度为 95％。
实施例七
(1) 水解 ： 在反应釜内泵入质量浓度为 25％的盐酸 2200L， 蒸汽加热至 75℃， 再投 入 1100kg 柠檬酸废渣， 蒸汽升温至 100℃， 水解反应 4.5 小时。
(2) 抽滤 ： 将上述水解后物料放入抽滤桶中进行抽滤， 抽滤后的碳渣用自来水漂 洗 3 次， 再用质量浓度为 2.5％的氢氧化钠溶液漂洗至中性， 收集碳渣。
(3) 干燥 ： 将上述碳渣放入气流干燥器进行干燥， 气流干燥器进口温度为 150℃， 出口温度为 85℃， 干燥至碳渣含水量为 6％以下 ；
(4) 造粒 ： 将干燥好的碳渣按重量比 100 ∶ 5 的比例掺入羧甲基纤维素 (CMC)， 充 分混合后再挤压成颗粒状， 制成颗粒碳渣 ；
(5) 碳化、 活化 ： 将颗粒碳渣采用连续式回转炉法在内热式回转炉里进行碳化、 活 化， 即得成品活性炭， 其中内热式回转炉炉头温度为 900℃， 炉尾温度为 200℃， 碳化区温度 为 410℃， 活化区温度为 890℃， 碳化时间为 2.6 小时， 活化时间为 0.4 小时， 筒体转速为 2r/ min， 活化剂为空气。
所得成品活性炭 146kg， 纯度为 93％。
上述具体实施例 1-7 中， 本发明均采用连续式回转炉法制作活性炭， 碳化、 活化一 道在内热式回转炉里完成， 筒体用钢板制成， 内衬耐火砖， 在中部外套大齿轮， 借以推动筒 体转动， 两端各有一对齿轮， 支承筒体重量， 炉头、 炉尾均有密封装置， 炭化、 活化炉采用轻 质柴油作为燃料， 采用温度自控调节来达到。
同时， 本发明采用气体活化法， 活化剂通过炽热的碳层、 并于碳层发生活化反应进 行活化。
本发明采用气体活化法以柠檬酸废渣作为原料制备活性炭， 因为对柠檬酸废渣进 行了回收利用， 从而减轻废渣对环境造成的污染 ； 并且采用气体活化法以柠檬酸废渣作为 原料生产活性炭， 无污染、 安全环保， 工艺简单 ； 同时因为原料资源丰富， 生产成本低 ； 进一 步也节约了治理环境污染的费用， 取得较高的循环经济效果。7