【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于活性碳制备，具体涉及一种高强度球形活性炭及其制备方法。
技术介绍
1、球形活性炭作为一种高效活性吸附材料，广泛应用于水体净化、空气净化、个体防护、医疗卫生、矿山安全等领域。目前主要是以ps(聚苯乙烯)球为原料，通过预炭化(或者磺化)、炭化、活化过程获得球形活性炭。其中，对ps球进行预炭化的主要目的是要把聚苯乙烯分子上的-h脱去，同时应保持高分子材料的高分子主要碳链结构不受到大的破坏，宏观外形结构不破碎、不粘连。
2、将高分子材料分子结构上的-h脱去的预炭化可以通过两个过程来实现：(1)将-h磺化，转为-so3h，再经炭化加热脱去-so3h；(2)将-h直接氧化炭化脱去。发烟硫酸对脱氢的处理主要是以磺化为主，表现在其so3的强氧化能力及酸性，但由于其强大的磺化能力，对聚苯乙烯分子反应中会出现过度磺化，从而影响主链的完整性，出现材料的外形破碎且对产物强度有不利影响。美国专利(us2008/0171648al)中直径为0.4mm～0.6mm的活性炭球的强度为5n～20n。另外，发烟硫酸的储存、运输和使用危险性大且不方便，反应中so3对金属腐蚀性强，需要使用特种钢材料，成本高，反应尾气含s高，环保处理压力大，尾气处理系统设计难度、使用成本高。浓硫酸对脱氢的处理主要是以炭化为主，表现在其酸性及一定的氧化性，但由于炭化反应能力不够强，因此需要相对长时间的加热，从而使对高分子长链的裂解作用等副反应相对更多的表现出来，出现产物炭化过程时间长，颗粒材料外表面产生相互粘连的情况，几乎无正产物。
1、(一)要解决的技术问题
2、本专利技术提出一种高强度球形活性炭及其制备方法，以解决如何制备高强度球形活性炭的技术问题。
3、(二)技术方案
4、为了解决上述技术问题，本专利技术提出一种高强度球形活性炭制备方法，该制备方法包括如下步骤：
5、s1.预炭化
6、将硫酸、促进剂、聚苯乙烯球和亚铁化合物混合均匀，先升温至200℃～240℃并保温20min～60min，再升温至250℃～300℃并保温60min～120min，得到预炭化的反应体系；
7、s2.炭化
8、炭化过程与预炭化过程连续完成或间歇式完成；
9、当炭化过程与预炭化过程连续完成时，在氮气或惰性气体保护气氛下，将温度为250℃～300℃的预炭化后的反应体系升温至500℃～600℃并保温60min～120min，得到炭化后的反应体系；
10、当炭化过程与预炭化过程间歇式完成时，将室温的预炭化后的反应体系先升温至120℃～160℃并保温10min～30min，再升温至500℃～600℃并保温60min～120min，其中温度升至300℃以上时向反应容器中通入氮气或惰性气体进行气氛保护，得到炭化后的反应体系；
11、s3.活化
12、活化过程与炭化过程连续完成或间歇式完成；
13、当活化过程与炭化过程连续完成时，在氮气或惰性气体保护气氛下，将温度为500℃～600℃的炭化后的反应体系升温至850℃～900℃并保温300min～900min，其中温度升至800℃以上时向反应容器中添加水蒸汽，得到球形活性炭；
14、当活化过程与炭化过程间歇式完成时，将室温的炭化后的反应体系升温至850℃～900℃并保温300min～900min，其中温度升至300℃以上时向反应容器中通入氮气或惰性气体进行气氛保护，温度升至800℃以上时再向反应容器中添加水蒸汽，得到球形活性炭。
15、进一步地，步骤s1中，硫酸与促进剂的混合体系中，硫酸与促进剂的摩尔比为6～11:1；聚苯乙烯单体需要脱去-h的摩尔数与硫酸的摩尔比为7:2.5～3.5；聚苯乙烯球和亚铁离子比例为1kg:0.01～0.1mol；促进剂为过氧化氢、过硫酸钾或过硫酸铵。
16、进一步地，步骤s1中，聚苯乙烯球的粒径为0.1mm～1.5mm。
17、进一步地，步骤s1中，聚苯乙烯球和硫酸的比例为1kg:30mol～33.5mol，聚苯乙烯球和促进剂的比例为1kg:3mol～5.2mol。
18、进一步地，步骤s1中，选用质量分数大于92％的浓硫酸；促进剂选用质量分数30％～40％的过氧化氢；亚铁化合物选用硫酸亚铁、氯化亚铁、氧化亚铁、氢氧化亚铁或碳酸亚铁。
19、进一步地，步骤s1中，在30min～60min内将温度升至200℃～240℃；在10min～30min内将温度升至250℃～300℃。
20、进一步地，步骤s1中，预炭化过程所使用的反应容器为转炉，转炉的线速度为0.5m/min～7m/min。
21、进一步地，步骤s1中，聚苯乙烯球的质量为1g～10kg时，反应容器与水平面呈30°～45°夹角进行旋转反应，直至反应体系无明显液体时再将反应容器放平。
22、进一步地，步骤s1中，预炭化过程所使用的反应容器的材料为玻璃、石英、碳钢或不锈钢。
23、进一步地，步骤s2中，对于每千克炭化后的反应体系，向反应容器中添加的水蒸汽流量为3m3/h～10m3/h。
24、(三)有益效果
25、本专利技术提出一种高强度球形活性炭及其制备方法，一方面采用硫酸和促进剂体系，利用硫酸与促进剂反应生成过一硫酸(h2so5)，使该体系在短时间内氧化性显著增强，且有一定酸性，在保护高分子主链结构的基础上实现-h的脱去；另一方面添加铁离子，能够抑制对反应容器的腐蚀，反应条件温和，对反应容器的材料要求相对较低，同时还有利于提高球形活性炭的产率及强度。
26、本专利技术的有益效果具体包括：
27、1.本专利技术采用硫酸和促进剂体系进行预炭化，相对于发烟硫酸，一方面腐蚀性降低，反应容器可以采用玻璃、石英、普通碳钢以及不锈钢材料，降低了反应器材料要求，从而有利于降低生产成本，另一方面反应条件相对温和，通过合理的反应比例设计可以在保护高分子主链结构的基础上有效实现-h的脱去；相对于浓硫酸，硫酸与促进剂生成过一硫酸(h2so5)并溶解于硫酸中，该体系在短时间内氧化性增强显著，且有一定酸性，有着适于ps球预炭化效果的氧化性与酸性，反应时间明显缩短，副反应表现少，反应过程中颗粒宏观外形结构完好。
28、2.本专利技术在反应过程中添加铁离子，能够抑制对反应容器的腐蚀，对反应容器的材料要求相对较低；同时在一定程度上抑制产物粘连现象、提高产物的产率及提高产物的强度，这是因为反应过程中部分fe2+进入到材料内部能够形成fes以及无定形fesn，fes的强度非常高，但由于含量并不高，没有晶型的表现，也没有影响原本炭的结构，只是填充在空缺的空间中，提升了产物的强度，而对其它性质基本无影响。
29、3.本专利技术的预炭化过程中采用分段升温方式，可以确保ps充分磺化以及氧化炭化的同时有效避免ps骨架结构坍塌以及过度炭化，有利于环保、提高反应安全性以及提高反应产率本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高强度球形活性炭制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的高强度球形活性炭制备方法，其特征在于，步骤S1中，硫酸与促进剂的混合体系中，硫酸与促进剂的摩尔比为6～11:1；聚苯乙烯单体需要脱去-H的摩尔数与硫酸的摩尔比为7:2.5～3.5；聚苯乙烯球和亚铁离子比例为1kg:0.01～0.1mol；促进剂为过氧化氢、过硫酸钾或过硫酸铵。
3.如权利要求1所述的高强度球形活性炭制备方法，其特征在于，步骤S1中，聚苯乙烯球的粒径为0.1mm～1.5mm。
4.如权利要求1所述的高强度球形活性炭制备方法，其特征在于，步骤S1中，聚苯乙烯球和硫酸的比例为1kg:30mol～33.5mol，PS球和促进剂的比例为1kg:3mol～5.2mol。
5.如权利要求1所述的高强度球形活性炭制备方法，其特征在于，步骤S1中，选用质量分数大于92％的浓硫酸；促进剂选用质量分数30％～40％的过氧化氢；亚铁化合物选用硫酸亚铁、氯化亚铁、氧化亚铁、氢氧化亚铁或碳酸亚铁。
6.如权利要求1所述的高强度球形活性炭制
7.如权利要求1所述的高强度球形活性炭制备方法，其特征在于，步骤S1中，预炭化过程所使用的反应容器为转炉，转炉的线速度为0.5m/min～7m/min。
8.如权利要求1所述的高强度球形活性炭制备方法，其特征在于，步骤S1中，聚苯乙烯球的质量为1g～10kg时，反应容器与水平面呈30°～45°夹角进行旋转反应，直至反应体系无明显液体时再将反应容器放平。
9.如权利要求1所述的高强度球形活性炭制备方法，其特征在于，步骤S1中，预炭化过程所使用的反应容器的材料为玻璃、石英、碳钢或不锈钢。
10.如权利要求1所述的高强度球形活性炭制备方法，其特征在于，步骤S2中，对于每千克炭化后的反应体系，向反应容器中添加的水蒸汽流量为3m3/h～10m3/h。
...【技术特征摘要】
1.一种高强度球形活性炭制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的高强度球形活性炭制备方法，其特征在于，步骤s1中，硫酸与促进剂的混合体系中，硫酸与促进剂的摩尔比为6～11:1；聚苯乙烯单体需要脱去-h的摩尔数与硫酸的摩尔比为7:2.5～3.5；聚苯乙烯球和亚铁离子比例为1kg:0.01～0.1mol；促进剂为过氧化氢、过硫酸钾或过硫酸铵。
3.如权利要求1所述的高强度球形活性炭制备方法，其特征在于，步骤s1中，聚苯乙烯球的粒径为0.1mm～1.5mm。
4.如权利要求1所述的高强度球形活性炭制备方法，其特征在于，步骤s1中，聚苯乙烯球和硫酸的比例为1kg:30mol～33.5mol，ps球和促进剂的比例为1kg:3mol～5.2mol。
5.如权利要求1所述的高强度球形活性炭制备方法，其特征在于，步骤s1中，选用质量分数大于92％的浓硫酸；促进剂选用质量分数30％～40％的过氧化氢；亚铁化合物选用硫酸亚铁、氯化亚铁、氧化亚铁、...
【专利技术属性】
技术研发人员：苗婷，胡晓春，张鸿鹏，周朝华，汤华民，杨阳，马兰，朱月峰，徐彩霞，王玥，程振兴，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军防化学院，
类型：发明
国别省市：
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