一种基于蜂窝活性炭的过滤材料及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及活性炭过滤材料技术领域，具体涉及一种基于蜂窝活性炭的过滤材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.活性炭已广泛应用于空气净化和废气治理，目前常用的是颗粒活性炭，气流在颗粒活性炭中的阻力较大。近年来开发了蜂窝活性炭，它具有开孔率高、几何表面积更大、扩散路程短，对气流阻力小等优点，蜂窝活性炭在工业烟气的脱硝脱硫处理、有机废气净化处理、有机溶剂回收、气体净化与储存以及催化剂载体等领域有巨大的应用潜力，而且因其气流阻力比颗粒状活性炭小得多，深受用户的欢迎，其需求量越来越大。
3.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，它们不仅包含活性炭比表面积高、空隙结构可控、耐酸碱等优点，而且有独特的蜂窝结构，具有开孔率高、压降低、抗粉尘堵塞能力强的优点，在气体分离和净化、溶剂回收、催化剂载体等方面有广泛的应用前景。
4.蜂窝活性炭的制备方法有涂炭法和整体挤出法。涂炭法一般采用蜂窝陶瓷作载体，使用的含碳原料有酚醛树脂、糠醇聚合物、沥青等。涂炭法得到的蜂窝活性炭保留了陶瓷蜂窝抗压强度高的特点，但是受陶瓷蜂窝空隙率的限制，吸附容量低，仅适用作催化剂载体。蜂窝活性炭可通过挤出酚醛树脂与成型助剂的混合物，然后经过固化、炭化、活化得到。这类蜂窝活性炭的比表面积与原料物理混合后的比表面积十分接近，机械强度随热处理温度的升高而增加。与涂炭法相比，整体挤出法制成的蜂窝活性炭的炭含量和比表面积高，适用范围更广。但是这类蜂窝活性炭的孔隙结构以微孔为主，适合于吸附较小分子的物质，应用领域和范围有一定的局限性。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种既具有发达的微孔结构又具有丰富的中孔结构的蜂窝活性炭及其制备方法和应用。
6.本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
7.s1、以重量份数计，取炭质前驱体80-100份、粘结剂10-20份以及甲酸钠1-5份；
8.s2、将炭质前驱体用的恒温烘箱烘干并粉碎过100-150目筛，得到炭质前驱体粉；
9.s3、取炭质前驱体粉和甲酸钠混合后搅拌均匀，得到混合料；
10.s4、取混合料与粘结剂混合后搅拌均匀，得到粘性物料；
11.s5、利用油压机将粘性物料压制成蜂窝块状，得到湿坯体；
12.s6、将湿坯体置于烘箱烘干，得到干坯体；
13.s7、将干坯体置于马弗炉，进行高温炭化；
14.s8、将高温炭化后的坯体转移至活化炉，高温下通入掺杂有雾化盐酸的水蒸气进
行活化，活化结束后冷却至室温，即制得过滤材料。
15.作为本发明一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法的进一步优化：所述炭质前驱体为糠醛渣碳粉、煤粉或竹粉。
16.作为本发明一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法的进一步优化：所述粘结剂为竹焦油或煤焦油。
17.作为本发明一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法的进一步优化：所述甲酸钠为粉碎成180-200目的细粉。
18.作为本发明一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法的进一步优化：所述湿坯体的尺寸为150mm
×
150mm
×
150mm，其蜂窝孔的直径为5-10mm的圆孔。
19.作为本发明一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法的进一步优化：所述烘干具体为：将湿坯体置于烘箱中，在100-120℃温度下烘干10-18h。
20.作为本发明一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法的进一步优化：所述高温炭化具体为：以5℃/min的升温速率加热到350-400℃并保温60-90min，然后再以5℃/min的升温速率加热到550-650℃并保温45-60min，最后冷却至室温。
21.作为本发明一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法的进一步优化：所述活化过程的温度具体为：以5℃/min的升温速率加热到800-850℃并保温1-6h。
22.本发明还提供一种基于蜂窝活性炭的过滤材料，该过滤材料由上述方法制备得到。
23.本发明还提供一种蜂窝活性炭的过滤材料在油烟净化中的应用。
24.本发明具有以下有益效果：本发明在蜂窝活性炭的制备过程中，向炭质前驱体中掺杂有甲酸钠微粉，在进行高温碳化时，当坯体温度达到350℃以上后，分散在炭质前驱体内部的甲酸钠发生分解，生产碳酸钠，分解过程伴随有气体的生成，气体的逃逸过程会在炭体内部形成孔位。同时，本发明的炭坯体在进行活化时，在水蒸气中掺杂盐酸雾，携带有盐酸的水蒸气进入炭坯体的微孔中，与孔内存留的碳酸钠发生反应，反应过程中同样伴随有气体的生成，该气体的生成是在前置微孔中出现的，因此会进一步放大孔位的孔径。通过上述过程能够在活性炭的内部既具有发达的微孔结构，又具有丰富的中孔，适用性更强。
附图说明
25.图1为实施例2制备得到蜂窝活性炭的电镜照片。
具体实施方式
26.为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容并不局限于下面的实施例。
27.一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
28.s1、以重量份数计，取炭质前驱体80-100份、粘结剂10-20份以及甲酸钠1-5份；
29.其中，炭质前驱体为糠醛渣碳粉、煤粉或竹粉；煤粉为无烟煤煤粉、肥煤煤粉或者两者的混合物。
30.其中，粘结剂为竹焦油或煤焦油；
31.其中，甲酸钠为粉碎成180-200目的细粉；
32.s2、将炭质前驱体用的恒温烘箱烘干并粉碎过100-150目筛，得到炭质前驱体粉；
33.s3、取炭质前驱体粉和甲酸钠混合后搅拌均匀，得到混合料；
34.s4、取混合料与粘结剂混合后搅拌均匀，得到粘性物料；
35.s5、利用油压机将粘性物料压制成蜂窝块状，得到湿坯体；
36.其中，湿坯体的尺寸为150mm
×
150mm
×
150mm，其蜂窝孔的直径为5-10mm的圆孔；
37.s6、将湿坯体置于烘箱烘干，得到干坯体；
38.其中，烘干操作具体为：将湿坯体置于烘箱中，在100-120℃温度下烘干10-18h；
39.s7、将干坯体置于马弗炉，进行高温炭化；
40.高温炭化具体为：以5℃/min的升温速率加热到350-400℃并保温60-90min，然后再以5℃/min的升温速率加热到550-650℃并保温45-60min，最后冷却至室温；
41.s8、将高温炭化后的坯体转移至活化炉，高温下通入掺杂有雾化盐酸的水蒸气进行活化，活化结束后冷却至室温，即制得过滤材料；
42.活化过程的温度具体为：以5℃/min的升温速率加热到800-850℃并保温1-6h。
43.《实施例1》
44.一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
45.s1、取糠醛渣碳粉1kg、竹焦油100g以及甲酸钠15g。
46.s2、将糠醛渣碳粉用的恒温烘箱烘干并粉碎过150目筛；甲酸钠为粉碎成200目的细粉，得到甲酸钠微粉。
47.s3、取糠醛渣碳粉和甲酸钠混合后搅拌均匀，得到混合料。
48.s4、取混合料与竹焦油混合后搅拌均匀，得到粘性物料。
49.s5、利用油压机将粘性物料压制成蜂窝块状，得到尺寸为150mm
×
150mm
×
150mm，其蜂窝孔的直径为10mm的圆孔的湿坯体。
50.s6、将湿坯体置于烘箱中，在100℃温度下烘干18h，得到干坯体。
51.s7、将干坯体置于马弗炉，以5℃/min的升温速率加热到350℃并保温90min，然后再以5℃/min的升温速率加热到550℃并保温45min，最后冷却至室温。
52.s8、将高温炭化后的坯体转移至活化炉，以5℃/min的升温速率加热到800℃并保温6h，加热过程中通入掺杂有雾化盐酸的水蒸气进行活化，活化结束后冷却至室温，即制得过滤材料。
53.《实施例2》
54.一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
55.s1、取无烟煤煤粉1kg、煤焦油200g以及甲酸钠50g。
56.s2、将无烟煤煤粉用的恒温烘箱烘干并粉碎过100目筛；甲酸钠为粉碎成180目的细粉，得到甲酸钠微粉。
57.s3、取无烟煤煤粉和甲酸钠混合后搅拌均匀，得到混合料。
58.s4、取混合料与煤焦油混合后搅拌均匀，得到粘性物料。
59.s5、利用油压机将粘性物料压制成蜂窝块状，得到尺寸为150mm
×
150mm
×
150mm，其蜂窝孔的直径为5mm的圆孔的湿坯体。
60.s6、将湿坯体置于烘箱中，在120℃温度下烘干10h，得到干坯体。
61.s7、将干坯体置于马弗炉，以5℃/min的升温速率加热到380℃并保温80min，然后
再以5℃/min的升温速率加热到600℃并保温50min，最后冷却至室温。
62.s8、将高温炭化后的坯体转移至活化炉，以5℃/min的升温速率加热到800℃并保温5h，加热过程中通入掺杂有雾化盐酸的水蒸气进行活化，活化结束后冷却至室温，即制得过滤材料(过滤材料的电镜照片如图1所示)。
63.《实施例3》
64.一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
65.s1、取竹粉1kg、煤焦油150g以及甲酸钠35g。
66.s2、将竹粉用的恒温烘箱烘干并粉碎过150目筛；甲酸钠为粉碎成200目的细粉，得到甲酸钠微粉。
67.s3、取竹粉和甲酸钠混合后搅拌均匀，得到混合料。
68.s4、取混合料与煤焦油混合后搅拌均匀，得到粘性物料。
69.s5、利用油压机将粘性物料压制成蜂窝块状，得到尺寸为150mm
×
150mm
×
150mm，其蜂窝孔的直径为8mm的圆孔的湿坯体。
70.s6、将湿坯体置于烘箱中，在100℃温度下烘干10h，得到干坯体。
71.s7、将干坯体置于马弗炉，以5℃/min的升温速率加热到350℃并保温60min，然后再以5℃/min的升温速率加热到650℃并保温45min，最后冷却至室温。
72.s8、将高温炭化后的坯体转移至活化炉，以5℃/min的升温速率加热到850℃并保温1h，加热过程中通入掺杂有雾化盐酸的水蒸气进行活化，活化结束后冷却至室温，即制得过滤材料。
73.《实施例4》
74.一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
75.s1、取糠醛渣碳粉1kg、竹焦油100g以及甲酸钠15g。
76.s2、将糠醛渣碳粉用的恒温烘箱烘干并粉碎过150目筛；甲酸钠为粉碎成200目的细粉，得到甲酸钠微粉。
77.s3、取糠醛渣碳粉和甲酸钠混合后搅拌均匀，得到混合料。
78.s4、取混合料与竹焦油混合后搅拌均匀，得到粘性物料。
79.s5、利用油压机将粘性物料压制成蜂窝块状，得到尺寸为150mm
×
150mm
×
150mm，其蜂窝孔的直径为5mm的圆孔的湿坯体。
80.s6、将湿坯体置于烘箱中，在120℃温度下烘干15h，得到干坯体。
81.s7、将干坯体置于马弗炉，以5℃/min的升温速率加热到390℃并保温80min，然后再以5℃/min的升温速率加热到580℃并保温50min，最后冷却至室温。
82.s8、将高温炭化后的坯体转移至活化炉，以5℃/min的升温速率加热到820℃并保温3h，加热过程中通入掺杂有雾化盐酸的水蒸气进行活化，活化结束后冷却至室温，即制得过滤材料。
83.《实施例5》
84.一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
85.s1、取糠醛渣碳粉1kg、煤焦油100g以及甲酸钠40g。
86.s2、将糠醛渣碳粉用的恒温烘箱烘干并粉碎过100目筛；甲酸钠为粉碎成200目的细粉，得到甲酸钠微粉。
87.s3、取糠醛渣碳粉和甲酸钠混合后搅拌均匀，得到混合料。
88.s4、取混合料与煤焦油混合后搅拌均匀，得到粘性物料。
89.s5、利用油压机将粘性物料压制成蜂窝块状，得到尺寸为150mm
×
150mm
×
150mm，其蜂窝孔的直径为10mm的圆孔的湿坯体。
90.s6、将湿坯体置于烘箱中，在120℃温度下烘干16h，得到干坯体。
91.s7、将干坯体置于马弗炉，以5℃/min的升温速率加热到350℃并保温85min，然后再以5℃/min的升温速率加热到600℃并保温50min，最后冷却至室温。
92.s8、将高温炭化后的坯体转移至活化炉，以5℃/min的升温速率加热到800℃并保温5h，加热过程中通入掺杂有雾化盐酸的水蒸气进行活化，活化结束后冷却至室温，即制得过滤材料。
93.《对比例1》
94.一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
95.s1、取糠醛渣碳粉1kg以及煤焦油100g。
96.s2、将糠醛渣碳粉用的恒温烘箱烘干并粉碎过150目筛。
97.s3、取糠醛渣碳粉与煤焦油混合后搅拌均匀，得到粘性物料。
98.s4、利用油压机将粘性物料压制成蜂窝块状，得到尺寸为150mm
×
150mm
×
150mm，其蜂窝孔的直径为10mm的圆孔的湿坯体。
99.s5、将湿坯体置于烘箱中，在100℃温度下烘干18h，得到干坯体。
100.s6、将干坯体置于马弗炉，以5℃/min的升温速率加热到350℃并保温90min，然后再以5℃/min的升温速率加热到550℃并保温45min，最后冷却至室温。
101.s7、将高温炭化后的坯体转移至活化炉，以5℃/min的升温速率加热到800℃并保温6h，加热过程中通入水蒸气进行活化，活化结束后冷却至室温，即制得过滤材料。
102.《对比例2》
103.一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
104.s1、取无烟煤煤粉1kg以及煤焦油200g。
105.s2、将无烟煤煤粉用的恒温烘箱烘干并粉碎过100目筛。
106.s3、取无烟煤煤粉与煤焦油混合后搅拌均匀，得到粘性物料。
107.s4、利用油压机将粘性物料压制成蜂窝块状，得到尺寸为150mm
×
150mm
×
150mm，其蜂窝孔的直径为5mm的圆孔的湿坯体。
108.s5、将湿坯体置于烘箱中，在120℃温度下烘干10h，得到干坯体。
109.s6、将干坯体置于马弗炉，以5℃/min的升温速率加热到380℃并保温80min，然后再以5℃/min的升温速率加热到600℃并保温50min，最后冷却至室温。
110.s7、将高温炭化后的坯体转移至活化炉，以5℃/min的升温速率加热到800℃并保温5h，加热过程中通入水蒸气进行活化，活化结束后冷却至室温，即制得过滤材料。
111.《机械性能》
112.取实施例1-5以及对比例1-2制得的活性炭过滤材料，按照国标进行机械强度的检测。将过滤材料切割成40mm
×
35mm的小块，用水砂纸将径向打磨平整，得到测试样品。挤压速度控制在(2.5
±
0.1)mm/min，压力增加直至样品破碎，然后由最大压力除以横截面积(包括空隙面积)得到机械强度值。为了减少实验误差，取4个样品的平均值为该样品的抗压强
度。测试结果如下表所示。
113.试验组实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5对比例1对比例2机械强度(mpa)8.98.68.79.29.38.99.1
114.由上表可以看出，实施例1-5制备得到的活性炭材料与对比例1-2制备得到的活性炭材料的机械强度差别不大，申请人由此认为，在炭质前驱体中掺杂甲酸钠微粉并不会影响最终活性炭材料的机械强度。
115.《过滤性能》
116.取实施例1-5以及对比例1-2制得的活性炭过滤材料置于净化器中作为过滤内芯，以模拟油烟为待净化油烟，经过净化器处理后(风速1m/s)，测定吸附前与吸附后的细颗粒物浓度，计算去除率。模拟油烟至少可以通过以下方法得到：采用油浴锅(120-140℃)加热丙三醇，产生的油烟经过荷电装置进行颗粒物的荷电(荷电电压20000v)，即得到模拟油烟。
117.实施例1-5以及对比例1-2的油烟细颗粒物去除率结果如下表：
118.试验组实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5对比例1对比例2去除率(％)91.986.592.991.886.779.178.3
119.由上表可以看出，实施例1-5制备得到的活性炭过滤材料表现出来的过滤性能要明显优于对比例1和2。申请人认为这是由于本发明在蜂窝活性炭的制备过程中，向炭质前驱体中掺杂有甲酸钠微粉，在后续的高温炭化以及活化过程中，阶段性地伴随有气体的生成，能够在活性炭的内部形成发达的微孔结构和中孔结构，进而表现出更为优越的吸附过滤性能。
120.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

技术特征：
1.一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：s1、以重量份数计，取炭质前驱体80-100份、粘结剂10-20份以及甲酸钠1-5份；s2、将炭质前驱体用的恒温烘箱烘干并粉碎过100-150目筛，得到炭质前驱体粉；s3、取炭质前驱体粉和甲酸钠混合后搅拌均匀，得到混合料；s4、取混合料与粘结剂混合后搅拌均匀，得到粘性物料；s5、利用油压机将粘性物料压制成蜂窝块状，得到湿坯体；s6、将湿坯体置于烘箱烘干，得到干坯体；s7、将干坯体置于马弗炉，进行高温炭化；s8、将高温炭化后的坯体转移至活化炉，高温下通入掺杂有雾化盐酸的水蒸气进行活化，活化结束后冷却至室温，即制得过滤材料。2.如权利要求1所述一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法，其特征在于：所述炭质前驱体为糠醛渣碳粉、煤粉或竹粉。3.如权利要求1所述一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法，其特征在于：所述粘结剂为竹焦油或煤焦油。4.如权利要求1所述一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法，其特征在于：所述甲酸钠为粉碎成180-200目的细粉。5.如权利要求1所述一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法，其特征在于：所述湿坯体的尺寸为150mm
×
150mm
×
150mm，其蜂窝孔的直径为5-10mm的圆孔。6.如权利要求1所述一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法，其特征在于：所述烘干具体为：将湿坯体置于烘箱中，在100-120℃温度下烘干10-18h。7.如权利要求1所述一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法，其特征在于：所述高温炭化具体为：以5℃/min的升温速率加热到350-400℃并保温60-90min，然后再以5℃/min的升温速率加热到550-650℃并保温45-60min，最后冷却至室温。8.如权利要求1所述一种基于蜂窝活性炭的过滤材料的制备方法，其特征在于：所述活化过程的温度具体为：以5℃/min的升温速率加热到800-850℃并保温1-6h。9.一种基于蜂窝活性炭的过滤材料，其特征在于：由权利要求1-8中任一权利要求所述方法制备得到。10.如权利要求9所述基于蜂窝活性炭的过滤材料在油烟净化中的应用。

技术总结
本发明公开了一种基于蜂窝活性炭的过滤材料及其制备方法和应用，方法包括：S1、取炭质前驱体、粘结剂以及甲酸钠；S2、将炭质前驱体烘干并粉碎过筛；S3、取炭质前驱体粉和甲酸钠混合后搅拌均匀；S4、取混合料与粘结剂混合后搅拌均匀；S5、利用油压机将粘性物料压制成蜂窝块状，得到湿坯体；S6、将湿坯体置于烘箱烘干；S7、高温炭化；S8、高温下通入掺杂有雾化盐酸的水蒸气进行活化，活化结束后冷却至室温，即制得过滤材料。本发明在蜂窝活性炭的制备过程中，向炭质前驱体中掺杂有甲酸钠微粉，在后续的高温炭化以及活化过程中，阶段性地伴随有气体的生成，能够在活性炭的内部形成发达的微孔结构和中孔结构，进而表现出更为优越的吸附过滤性能。滤性能。滤性能。


技术研发人员：林鹂 江平 许泉 陈忠诚 林婵娟 何东方
受保护的技术使用者：福建省鑫森炭业股份有限公司
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/7/25