褐煤半焦掺杂焦粉制备活性炭研究

王石维，陈科宇

（1.中国矿业大学（北京），化学与环境工程学院, 北京，100083；2 .公路养护技术国家工程研究中心，北京，100095）

0 引言

活性炭是一种孔隙发达的多孔材料在工业生产、环境保护、宇航、海洋作业和尖端科学等领域也有着广泛的应用[1]。褐煤的煤化程度低、热值低，是有待开发利用的煤炭资源，褐煤制备活性炭就是其有效利用的途径[2]。褐煤含碳低、水分大、质软又对利用褐煤制备活性炭带来困难，因此研究褐煤制备活性炭有实际意义。褐煤半焦是弱粘性煤在隔绝空气的条件下，低温干馏受热分解出来的产物，所得的可燃性固体产物色黑多孔，主要成分是碳、灰分和挥发分。因为尚未热解完全，半焦内部含有较多的氢和氧，含有丰富的孔隙及表面结构。焦粉是冶金、化工、电石等生产企业将工业焦炭破碎时产生的副产物，因其粒度较小故被废弃，对环境造成污染。废弃焦粉具有固定碳含量高、灰分、挥发分低、强度高、原料易得[3]。本文将褐煤半焦掺杂20%焦粉制备活性炭，着重研究活性炭的活化工艺并对活性炭进行表征分析。

1 实验

1.1 原料性质

实验选取来自内蒙的褐煤，该类型的褐煤在煤炭资源储备很大，具有一定的代表性。焦粉来自内蒙乌海焦化厂，该焦粉是焦化厂常见的废料，具有代表性。

1.2 实验步骤

实验采用内蒙褐煤，粉碎到100目。然后马弗炉中干馏，条件为：升温速率为5℃/min，干馏时间为30min，干馏温度为600℃，制得活性焦。将制得的活性焦与焦粉按质量比4∶1的比例掺杂，加入煤焦油作为粘结剂，制得料条。由于活性半焦掺杂了焦粉，并且成型过程中添加了粘结剂，所以要对料条进行二次炭化。为保证实验的连续性，本实验将二次炭化和活化一步进行。但二次炭化的工艺参数固定，其参数条件为：升温速率10℃/min，炭化温度600℃，炭化时间60min。然后通过改变不同的活化参数，最终得到炭化活化后的多组样品。对活性炭进行烧失率和碘吸附值的测定，分析活化温度对活性炭性能的影响。

2 结果与讨论

2.1 实验方案与结果

编号 T/℃ 时间/h 水蒸气通量/(kgh)碘值/(mg/g)烧蚀率/%1 750 2.5 1.0 320.1 22.32 800 2.5 1.0 365.3 23.93 850 2.5 1.0 400.4 28.84 900 2.5 1.0 399.6 30.15 950 2.5 1.0 398.2 31.56 850 2.5 0.5 200.7 16.17 850 2.5 1.5 403.2 28.38 850 2.5 2.0 404.5 27.19 850 1.5 1.0 312.6 18.210 850 3.5 1.0 340.9 39.3

随着温度的不断升高，从而形成了较为发达的孔隙结构，因此活性炭的吸附性能也就同步增强了。但是温度过高，炭水反应过于剧烈，不利于微孔的形成，碘值下降。但其最终活性炭成品烧失率逐渐下降。其机理在于：随着活化温度的升高，炭和水蒸气的反应速率加快。活性炭的碘吸附值会随着水蒸气流量的不断增加，在经历一个极大值后会逐渐降低。这是因为活化反应会首先将微晶间隙中的无定形碳活化，这时便形成了微孔结构。随着水蒸气通量的增大，烧失率逐渐增大。碘值随着活化时间的延长先增大后减小。其原因是原来闭塞的微孔到一定时间后绝大部分已经打开，自这时以后继续进行的活化反应便开始消耗微晶层上的碳，因此原来的微孔便不断的被扩大，到一定的程度后，相邻的微孔壁便会由于被完全消耗而形成最终的中孔和大孔。活性炭的烧失率随着活化时间的增加而逐渐增大。综上所述，从产品性能考虑，活化温度、时间、水通量为850℃、2.5h和1.0kgh较为适宜。

2.2 活性炭孔径分布和吸附脱附等温曲线

取掺杂20%焦粉的褐煤半焦在850℃下进行高温水蒸气活化2.5h，水蒸气1.0kg/(kg料h）得到的活性炭粉破碎至200目以下进行N2等温吸附测试其孔径分布和吸附脱附等温曲线。

图1 掺杂20%焦粉褐煤半焦活性炭孔径分布

图2 掺杂20%焦粉活性炭N2等温吸附脱附曲线

从图1可以看出，活性炭微孔和中孔都相对丰富，孔径在2-6nm的中孔为主。在P/P0为0.5-0.9之间出现了吸附脱附滞后环，这证明活性炭粉含有大量的中孔，并且中孔占较大的比例，这与孔径分布图保持一致。随着压力的继续升高，没有出现吸附平台区，反而曲线有一个微小上翘，这说明随着压力的升高，活性炭粉对N2的吸附能力继续增大，活性炭中含有一定数量的大孔。掺杂焦粉之后的活性焦的中孔数目增加较多，王坤等人的研究表明焦粉经活化之后的活性炭主要以中孔为主，基本不含微孔[3]；所以掺杂焦粉之后制得的活性炭中孔数目的增加可能主要是焦粉的贡献。

3 结论

（1）褐煤半焦掺杂20%焦粉制备活性炭，最佳活化工艺为：活化温度900 C、水蒸气通量为1.0kg/(kg料h）、活化时间为2.5h。（2）褐煤半焦掺杂20%焦粉之后制得的活性炭中孔数目有较大的增加。

[1]陈雯,刘中华,范艳青等.褐煤活性炭的制备与性能研究[J].煤炭转化,2004(02):45-47.

[2]张彩荣,叶道敏,崔永君等.用废弃的半焦焦粉制活性炭工业性试验研究[J].煤炭转化,1999(02):75-78.

[3]王坤等.废弃焦粉及半焦的脱灰活化研究.[J]选煤技术,2012(06):38-41.