聚醋酸乙烯酯成型活性炭研究

孔祥波

酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程系，甘肅 酒泉 735000

聚醋酸乙烯酯成型活性炭研究

孔祥波

酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程系，甘肅 酒泉 735000

聚醋酸乙烯酯成型活性炭以比表面積為1090 m2g-1的粉末活性炭為原料，以聚醋酸乙烯酯乳液為黏結(jié)劑，分別考察干燥溫度、黏結(jié)劑添加量對成型活性炭的抗壓強(qiáng)度、側(cè)壓強(qiáng)度、比表面積的影響，從而確定此次試驗(yàn)中最佳配方及處理?xiàng)l件。

成型活性炭；聚醋酸乙烯酯乳液；機(jī)械強(qiáng)度；比表面積

1.本研究的內(nèi)容及意義

成型活性炭具有較高的堆密度與強(qiáng)度，且無粉塵污染[1]。其形狀和尺寸是可以設(shè)計的，按照實(shí)際應(yīng)用的需求，以特定的形狀和尺寸，盡可能地節(jié)省空間，發(fā)揮活性炭的應(yīng)用效力。成型活性炭的這些優(yōu)點(diǎn)也使其在氣體儲存、水凈化、氣體凈化、電極、雙電層電容器、催化劑載體等方面得到了廣泛的應(yīng)用。其大單位體積表面積，使其作為吸附劑，將會在氣體儲存特別是在煤層氣中富集甲烷的應(yīng)用中有著廣闊的市場和前景。[2]

聚醋酸乙烯酯乳液是一種以水為分散介質(zhì)的乳液型膠粘劑, 不僅屬于環(huán)保無污染型產(chǎn)品, 而且還具有生產(chǎn)成本較低, 粘接強(qiáng)度高等特點(diǎn), 在許多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。[3]

2.實(shí)驗(yàn)部分

本實(shí)驗(yàn)選用的試劑和設(shè)備如下：粉末活性炭為比表面積約為1090 m2g-1，黏結(jié)劑為聚醋酸乙烯酯乳液，炭化爐為四川東風(fēng)儀器廠生產(chǎn)的電子爐，測量機(jī)械強(qiáng)度選擇的儀器為姜堰市銀河儀器廠生產(chǎn)的YHKC-2A 型顆粒強(qiáng)度測定儀，測量比表面積的儀器為北京市北分儀器系統(tǒng)公司產(chǎn)的ST－03A型比表面積孔徑測定儀。

2.1 活性炭

本實(shí)驗(yàn)所選用的活性炭為自制的活性炭，比表面積約為1090 m2g-1，堆積密度為0.2777g/ml，其性質(zhì)如表2.1所示。

表2.1 粉末活性炭性質(zhì)

2.2 實(shí)驗(yàn)所用藥品

本實(shí)驗(yàn)選用的聚醋酸乙烯酯乳液為映輝膠業(yè)有限公司出產(chǎn)的產(chǎn)品，牌號為BRJ-3904。質(zhì)量指標(biāo)如下：固含量39.0±2.0%，黏度≥4.0，PH 值4～6。

實(shí)驗(yàn)選用無水乙醇為廣東光華化學(xué)廠有限公司出產(chǎn)的化學(xué)純試劑，相對密度為0.79。

2.3 成型活性炭的制備

本實(shí)驗(yàn)所采用的活性炭成型工藝流程如圖2.1。

圖2.1 成型活性炭制備的工藝流程圖

考察以聚醋酸乙烯酯乳液為黏結(jié)劑時不同條件對成型產(chǎn)品性能的影響具體實(shí)驗(yàn)操作順序如下：

（1）稱量約4克的粉末狀活性炭，將其烘干；

（2）分別稱取質(zhì)量分率為10%，15%，20%，25%，30%，35%的聚醋酸乙烯酯乳液，添加約3ml的水，并充分?jǐn)嚢?，使其均勻?/p>

（3）與活性炭混合，攪拌均勻；

（4）用壓片機(jī)將它們的混合物壓成顆粒狀；

（5）在100℃，150℃，200℃，250℃，300℃條件下分別進(jìn)行炭化60min；

（6）考察所得成型產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度和比表面積。

圖3.1 不同粘結(jié)劑添加量對所得成型產(chǎn)物抗壓強(qiáng)度的影響

圖3.2 不同粘結(jié)劑添加量對所得成型產(chǎn)物徑向強(qiáng)度的影響

2.4 成型活性炭機(jī)械強(qiáng)度的測定

將炭化后的成型活性炭經(jīng)姜堰市銀河儀器廠生產(chǎn)的YHKC-2A 型顆粒強(qiáng)度測定儀進(jìn)行強(qiáng)度的測定，分別測定其抗壓強(qiáng)度和徑向強(qiáng)度。

2.5 成型活性炭比表面積的測定

通過ST－03A型比表面積孔徑測定儀對成型活性炭的比表面積進(jìn)行測定，以氮?dú)鉃槲劫|(zhì)，在液氮溫度下（77K）進(jìn)行吸附，由BET方程計算比表面積。成型后比表面積的損失情況以活性炭的比表面積收率來衡量。

定義活性炭的比表面積收率：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

以聚醋酸乙烯酯為黏結(jié)劑時不同條件對所得成型產(chǎn)品性能的影響

3.1 不同黏結(jié)劑添加量對所得產(chǎn)品性能的影響

以處理溫度為100℃時制得的成型產(chǎn)品為例，考察不同黏結(jié)劑添加量對所得成型產(chǎn)物抗壓強(qiáng)度的影響，見圖3.1。以處理溫度為100℃時制得的成型產(chǎn)品為例，考察不同黏結(jié)劑添加量對所得成型產(chǎn)物徑向強(qiáng)度的影響，見圖3.2。

以處理溫度為100℃時制得的成型產(chǎn)品為例，考察不同黏結(jié)劑添加量對所得成型產(chǎn)物比表面積的影響，見圖3.3。

圖3.3 不同粘結(jié)劑添加量對所得成型產(chǎn)物比表面積的影響

圖3.4 不同干燥處理溫度對所得產(chǎn)品抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3.1、圖3.2、圖3.3可知，在相同干燥處理溫度的條件下，隨黏結(jié)劑添加量的不斷增加，所得成型產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度、徑向強(qiáng)度的變化趨勢為不斷增強(qiáng)，所得產(chǎn)品的比表面積的變化趨勢為不斷下降。但當(dāng)黏結(jié)劑添加量為30%時，所得成型產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度、徑向強(qiáng)度、比表面積均與黏結(jié)劑添加量為20%時所得成型產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度、徑向強(qiáng)度、比表面積相近，不符合整體變化趨勢。因?yàn)楫?dāng)黏結(jié)劑添加量達(dá)到百分之三十時，黏結(jié)劑顆粒之間開始連接?；ハ噙B接的黏結(jié)劑顆粒間形成空隙，從而產(chǎn)生新的孔徑結(jié)構(gòu)，使得所得成型產(chǎn)品的比表面積相較黏結(jié)劑添加量為25%時所得成型產(chǎn)品的比表面積反而有所上升，同時其抗壓強(qiáng)度、徑向強(qiáng)度反而有所下降。[4,5]

3.2 不同干燥處理溫度對所得產(chǎn)品性能的影響

以黏結(jié)劑添加量占所得成型產(chǎn)品的百分比為15%時制得的成型產(chǎn)品為例，考察不同干燥處理溫度對所得產(chǎn)品抗壓強(qiáng)度的影響，見圖3.4。以黏結(jié)劑添加量占所得成型產(chǎn)品的百分比為15%時制得的成型產(chǎn)品為例，考察不同干燥處理溫度對所得產(chǎn)品徑向強(qiáng)度的影響，見圖3.5。

以粘結(jié)劑添加量占所得成型產(chǎn)品的百分比為15%時制得的成型產(chǎn)品為例，考察不同干燥處理溫度對所得產(chǎn)品比表面積的影響，見圖3.6。

由圖3.4、圖3.5、圖3.6可知，隨干燥處理溫度的上升，所得成型產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度的變化趨勢為不斷下降，所得產(chǎn)品的比表面積的變化趨勢為不斷上升。因?yàn)樵跓崽幚磉^程中，聚醋酸乙烯酯分子鏈斷裂、分解，使得活性炭被堵塞的部分孔道打開。

4.小結(jié)

圖3.5 不同干燥處理溫度對所得產(chǎn)品徑向強(qiáng)度的影響

圖3.6 不同干燥處理溫度對所得產(chǎn)品比表面積的影響

本實(shí)驗(yàn)以自制的比表面積約為1090 m2g-1煤質(zhì)粉末活性炭為原料，使用的黏結(jié)劑為聚醋酸乙烯酯，考察了在聚醋酸乙烯酯添加量，不同的炭化溫度等條件下，成型后的活性炭機(jī)械強(qiáng)度和比表面積的變化情況；考慮到黏結(jié)劑添加量和處理溫度對強(qiáng)度、比表面積、操作難度、經(jīng)濟(jì)條件等各方面的影響，確定此次試驗(yàn)中最佳配方及處理?xiàng)l件為：粉末活性炭為120～160目，聚醋酸乙烯酯添加量為20%，干燥處理溫度為100℃，干燥處理時間為60min。在此條件下得到的成型產(chǎn)品性能為：抗壓強(qiáng)度11.022Mpa、徑向強(qiáng)度9.043N/cm、比表面積為所用粉末活性炭的86.70%。

本實(shí)驗(yàn)配方的優(yōu)勢：①不需高溫處理，操作簡單，節(jié)約能源。在目前已知的應(yīng)用于活性炭成型領(lǐng)域的黏結(jié)劑中，酚醛樹脂需經(jīng)過800℃高溫的炭化處理，羧甲基纖維素也需要在200℃以上處理使其發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。[6]②成本低廉。相對于同樣不需高溫處理即可應(yīng)用于活性炭成型領(lǐng)域的聚乙烯醇縮丁醛，聚醋酸乙烯酯的價格僅為其的10%～20%，有利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。③無毒無害，不污染環(huán)境。且因近年來聚醋酸乙烯酯在木材市場的大量應(yīng)用，來源十分廣泛。所得成型產(chǎn)品不僅具有較好的機(jī)械強(qiáng)度，且比表損失率較低。

[1] Zhao B Y, Hirose T, Okabe T, et al.Woodceramics prepared from wood powder/penolated wood composite. J Porous Mater,2002, (9):195

[2] Lozano-CastóellD, Cazorla-Amorós D,Linares-Solano A, et al. Activated carbon monoliths for methane storage: influence of binder[J].Carbon, 2002, 40(15): 2817-2825.

[3] Nagle D C， Byme C E. Carbonized wood for advanced materials applications. Carbon,1997, 35(2):259

[4]陳進(jìn)富, 劉曉君.馮英明.黏結(jié)劑對天然氣型炭吸附劑的作用機(jī)理研究[J]. 天然氣工業(yè).2004, 24(12): 108-110

[5] 左宋林, 高尚愚, 周建斌. 活性炭及基材種類對活性炭成型物性能的影響[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報.2000, 24(2):55-59

[6] 高尚愚, 安部郁夫, 周建斌，等. 膠接過程對活性炭孔隙結(jié)構(gòu)影響的研究[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè). 2000, 20(3): 60-63

[7] 李建剛. 成型活性炭的制備及其甲烷吸附性能的研究[D]. 山西：中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所.2004

孔祥波，男，甘肅永靖人，1974年生，本科，碩士，酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程系講師，主要從事化工專業(yè)工科化學(xué)及化工儀表及自動化教學(xué)。