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柱状活性炭制作流程详解

发布日期:2025-09-09 00:00:00 作者:宏森活性炭 点击:

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柱状活性炭以其圆柱状形态、高机械强度、均匀的孔隙结构及便捷的装填特性,广泛应用于气相吸附(如 VOCs 治理、脱硫脱硝)、液相吸附(如工业废水处理、饮用水净化)及气体分离等领域。其制作流程需围绕 “保证柱体强度” 与 “优化吸附性能” 双核心展开,具体步骤如下:

一、原料选择与预处理
1. 原料筛选
柱状活性炭对原料的 “成型适应性” 与 “机械强度贡献” 要求更高,主流原料及特性如下:
  • 煤质原料:以无烟煤、优质烟煤为主(占比超 80%),固定碳含量≥75%、灰分≤10%,制成的柱状炭抗压强度高、成本可控,适合工业大规模应用;

  • 木质原料:木屑、椰壳粉等需搭配煤质原料使用(单独使用易导致柱体易断),可提升产品比表面积,多用于高吸附需求场景(如食品级脱色);

  • 生物质原料:秸秆、稻壳等经碳化预处理后掺入,可降低生产成本,同时提升孔隙多样性。

2. 原料预处理
  • 粉碎研磨:通过颚式破碎机粗碎后,用球磨机或雷蒙磨研磨至 100-200 目粉末(比蜂窝活性炭原料更细,确保成型时原料与粘结剂均匀融合);

  • 干燥除水:在 110-130℃热风干燥机中烘干 4-6 小时,控制含水率≤3%(低于蜂窝活性炭的 5%,避免成型后柱体开裂);

  • 除杂提纯:采用磁选机去除金属杂质,通过气流筛分机分离过粗 / 过细颗粒,保证原料粒度均匀性(粒度偏差≤5%,否则影响柱体密度一致性)。

二、成型工艺(柱状炭核心差异化环节)
成型是决定柱状炭强度与形态的关键,需重点控制 “粘结剂配比” 与 “挤压参数”,步骤如下:
  1. 配料混合

  • 基础配比:原料粉末(80%-85%)+ 粘结剂(10%-20%)+ 助成型剂(1%-3%,如羧甲基纤维素钠)+ 水(3%-5%);

  • 粘结剂选择:优先用煤焦油沥青(软化点 80-120℃)或酚醛树脂,前者性价比高、可提升炭化后强度,后者适合低灰分需求场景;

  • 混合工艺:在双螺旋混合机中加热至 60-80℃(软化粘结剂),搅拌 30-60 分钟至形成均匀可塑性物料(手感细腻、无结块)。

  1. 挤压成型

  • 设备与模具:采用螺杆挤压成型机,搭配圆形模具(常见孔径 Φ3mm、Φ5mm、Φ8mm,长度可调节);

  • 关键参数:挤压压力 20-50MPa(高于蜂窝活性炭的 10-30MPa,确保柱体致密)、挤出速度 0.5-1m/min(匀速避免柱体断层);

  • 初步定型:挤出的连续圆柱条经输送带输送至切断机,按 3-10mm 长度切断(形成标准柱状坯体),避免堆叠挤压导致变形。

  1. 坯体固化

  • 自然晾干:将柱状坯体在通风阴凉处放置 4-8 小时,初步硬化;

  • 低温固化:送入烘干炉,以 2-5℃/min 速率升温至 120-150℃,恒温 2-3 小时(使粘结剂初步固化,提升坯体抗摔性,避免后续炭化开裂)。

三、炭化处理
炭化目的是去除坯体中的挥发分(焦油、水分、甲烷等),形成稳定碳骨架,为活化奠定基础,操作要点如下:
  1. 装炉排布:将固化后的柱状坯体均匀装入炭化炉(多为隧道炉或立式炭化炉),坯体间保留 2-3mm 间隙(避免受热膨胀粘连);

  1. 升温炭化

  • 氛围控制:通入氮气(纯度≥99.9%)作为保护气,防止坯体氧化;

  • 温度曲线:室温→200℃(升温速率 2℃/min,去除水分)→400℃(速率 3℃/min,去除轻质挥发分)→600-800℃(速率 5℃/min,去除重质挥发分),恒温 3-5 小时(比蜂窝炭更长,确保柱体内部挥发分充分排出);

  1. 冷却出料:炭化结束后,继续通氮气冷却至 80℃以下,取出炭化柱(呈黑色、质地坚硬,体积收缩率 15%-20%,初步形成微孔结构)。

四、活化处理
活化通过刻蚀碳骨架扩大孔隙、提升比表面积,需兼顾 “吸附性能” 与 “柱体强度”,主流工艺如下:
1. 物理活化法(工业主流)
  • 活化剂选择:以水蒸气(优先)或二氧化碳为活化剂,水蒸气可形成更丰富的微孔 - 中孔结构,适配柱状炭的气相吸附需求;

  • 活化操作

  • 设备:采用立式活化炉(便于柱状坯体均匀受热);

  • 参数控制:活化温度 850-1050℃(高于蜂窝炭的 800-1000℃,增强刻蚀效果)、活化剂流量 0.5-1.0m³/(h・kg 炭)、活化时间 3-8 小时(根据目标比表面积调整,比表面积每提升 100m²/g,活化时间约增加 1 小时);

  • 强度控制:当活化率(炭失重率)达到 30%-40% 时停止(过度活化会导致柱体抗压强度下降,低于 90%);

  • 后处理:活化后通氮气冷却至室温,用去离子水冲洗 2-3 次,去除表面灰分(控制灰分≤8%)。

2. 化学活化法(特种需求场景)
  • 适用场景:制备高比表面积(≥1500m²/g)的柱状炭,如贵金属回收、高浓度有机废水处理;

  • 工艺要点

  • 活化剂预处理:在原料粉碎后加入氢氧化钾或磷酸(用量为原料质量的 1.5-2.5 倍),混合均匀后再成型;

  • 活化温度:450-650℃(低于物理活化),恒温 2-4 小时,无需保护气;

  • 脱附清洗:用 5%-10% 盐酸溶液浸泡 4-6 小时,再用去离子水冲洗至 pH=6-7,去除残留活化剂(避免二次污染)。

五、后处理与质量检测
1. 后处理
  • 筛选分级:通过振动筛按直径(Φ3mm/Φ5mm/Φ8mm)和长度(3-5mm/6-10mm)分级,去除破碎、变形的次品(次品率控制≤3%);

  • 干燥定型:在 100-120℃烘干 2-3 小时,控制含水率≤5%(防止储存时受潮结块);

  • 包装储存:采用内衬塑料袋的编织袋包装(每袋 25kg 或 50kg),储存于通风干燥处,避免阳光直射。

2. 核心质量检测指标
  • 机械强度:抗压强度≥95%(用颗粒强度测定仪检测,施加 10N 压力无破碎为合格,高于蜂窝炭的侧压强度要求);

  • 吸附性能:碘值≥850mg/g(微孔指标)、亚甲蓝吸附值≥180mg/g(中孔指标)、苯吸附量≥20%(气相吸附指标);

  • 孔隙结构:比表面积≥1000m²/g、微孔容积≥0.4cm³/g;

  • 理化指标:灰分≤8%、装填密度 0.45-0.6g/cm³(柱状炭特有指标,影响吸附塔装填量)、pH 值 6-9。


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关键词:柱状活性炭

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