煤基活性炭、其制备方法及应用与流程

1.本发明涉及活性炭制备技术领域，具体而言，涉及一种煤基活性炭、其制备方法及应用。


背景技术：

2.活性炭的应用领域越来越广泛，已经从污水处理、饮用水净化、烟气净化领域向食品与医药的脱色领域发展。
3.目前，国内外大部分葡萄糖生产企业多采用粉末活性炭或木质活性炭对糖液进行脱色处理。然而，食品脱色领域中，粉末活性炭的使用过程中易飞扬粉尘，对人体健康及生产环境造成不良影响。另外，木质活性炭的制造需要大量木材，树木的砍伐会造成环境破坏。
4.因此，研究并开发出一种不易飞粉、成本低、且糖蜜值高的煤基活性炭对糖液进行脱色处理尤为重要。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种煤基活性炭、其制备方法及应用，以解决现有技术中的对糖液进行脱色处理时易产生飞粉、处理成本高以及脱色效果差问题。
6.为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种煤基活性炭的制备方法，该煤基活性炭的制备方法包括：准备包含第一煤基原料、第二煤基原料和添加剂的混合物作为待处理物料，对待处理物料依次进行压块成型和造粒，得到煤基颗粒；第一煤基原料的粘结指数不小于10，第二煤基原料为长焰煤；添加剂选自煤焦油沥青、石油沥青和煤直接液化残渣中的一种或多种；对煤基颗粒进行氧化处理，得到氧化产物；对氧化产物进行炭化处理，得到炭化产物；对炭化产物进行活化处理，得到煤基活性炭。
7.进一步地，按重量份计，待处理物料包含60～80份第一煤基原料，20～40份第二煤基原料及0.5～1份添加剂，且第一煤基原料、第二煤基原料及添加剂的总重量份数为100份；优选地，按重量份计，待处理物料包含70～80份第一煤基原料，20～30份第二煤基原料及0.8～1份添加剂，且第一煤基原料、第二煤基原料及添加剂的总重量份数为100份。
8.进一步地，第一煤基原料的粘结指数为10～12；优选第二煤基原料的灰分不高于3％，挥发分不小于38％，粘结指数为10～11。
9.进一步地，活化处理包括：以水蒸气为活化剂使炭化产物进行活化反应，得到煤基活性炭；其中，活化处理的温度为900～920℃，时间为4.5～5.5h。
10.进一步地，活化处理包括以下步骤：以≤20℃/min的升温速率使炭化产物升温至880～900℃后，开始通入水蒸气，继续升温至900～920℃进行活化反应，反应4.5～5.5h，经冷却后得到煤基活性炭。
11.进一步地，压块成型过程中，对待处理物料施加的压力为25～30mpa。
12.进一步地，造粒后得到的煤基颗粒的粒径为1～10mm，优选为3～8mm。
13.进一步地，氧化处理在氧气气氛中进行，氧气气氛中的氧含量为10～22vol％；优选氧化处理的温度为200～255℃，时间为2～3h。
14.进一步地，炭化处理在惰性气氛中进行，炭化处理的温度为500～555℃，时间为2～2.5h；优选地，炭化处理包括以下步骤：以8～10℃/min的升温速率使氧化产物升温至250℃，以8～10℃/min的升温速率使氧化产物从250℃升温至500～555℃进行炭化处理，反应2～2.5h后得到炭化产物。
15.进一步地，压块成型之前还包括对待处理物料进行研磨的步骤，使待处理物料中粒径≤44μm的物料的重量含量≥70％。
16.为了实现上述目的，本发明另一个方面还提供了一种煤基活性炭，该煤基活性炭由本技术提供的上述煤基活性炭的制备方法制得。
17.本发明的又一方面提供了一种由本技术提供的上述煤基活性炭的制备方法制得的煤基活性炭、或者本技术提供的上述煤基活性炭在食品脱色领域中的应用。
18.应用本发明的技术方案，第一煤基原料的引入能够提高煤基颗粒之间的粘结性，从而提升压块成型后所得产物的强度，对于抑制飞粉较为有益；第二煤基原料的引入能够促进煤基活性炭的中大孔形成，提高活化效果，从而提升产品的吸附性能和糖蜜值；添加剂的引入使压块成型后所得产物具有较高的初始强度，便于后续进行造粒，同样对于抑制飞粉较为有益。相比于仅采用单一煤种作为处理对象，将第一煤基原料、第二煤基原料和添加剂配合使用有利于后续碳骨架的形成与强度提升，同时有利于增加煤基活性炭的介孔数量，从而有利于提升产品的吸附性能和糖蜜值。
19.对氧化产物进行炭化处理能够使碳原子因失去氢、氧等非碳物质而重新组合，最后形成具有基本石墨微晶结构的炭化产物。该炭化产物由六角形不规则排列的碳原子平面构成，使得微晶结构之间存在空隙，从而形成煤基活性炭的初始孔隙。
20.对炭化产物进行活化处理使其发生活化反应，炭化产物部分被烧蚀并形成发达的孔隙结构，最终制得吸附性能优良的煤基活性炭。
21.此外，相比于粉末活性炭，采用本技术上述方法制得的煤基活性炭为颗粒状，不易飞粉，且成本低。
具体实施方式
22.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
23.正如背景技术所描述的，现有的对糖液进行脱色处理的方法存在易产生飞粉、处理成本高以及脱色效果差的问题。为了解决上述技术问题，本技术第一方面提供了一种煤基活性炭的制备方法，该煤基活性炭的制备方法包括：准备包含第一煤基原料、第二煤基原料和添加剂的混合物作为待处理物料，对待处理物料依次进行压块成型和造粒，得到煤基颗粒；第一煤基原料的粘结指数不小于10，第二煤基原料为长焰煤；添加剂包括但不限于煤焦油沥青、石油沥青和煤直接液化残渣中的一种或多种；对煤基颗粒进行氧化处理，得到氧化产物；对氧化产物进行炭化处理，得到炭化产物；对炭化产物进行活化处理，得到煤基活性炭。
24.第一煤基原料的引入能够提高煤基颗粒之间的粘结性，从而提升压块成型后所得
产物的强度，对于抑制飞粉较为有益；第二煤基原料的引入能够促进煤基活性炭的中大孔形成，提高活化效果，从而提升产品的吸附性能和糖蜜值；添加剂的引入使压块成型后所得产物具有较高的初始强度，便于后续进行造粒，同样对于抑制飞粉较为有益。相比于仅采用单一煤种作为处理对象，将第一煤基原料、第二煤基原料和添加剂配合使用有利于后续碳骨架的形成与强度提升，同时有利于增加煤基活性炭的介孔数量，从而有利于提升产品的吸附性能和糖蜜值。
25.对氧化产物进行炭化处理能够使碳原子因失去氢、氧等非碳物质而重新组合，最后形成具有基本石墨微晶结构的炭化产物。该炭化产物由六角形不规则排列的碳原子平面构成，使得微晶结构之间存在空隙，从而形成煤基活性炭的初始孔隙。
26.对炭化产物进行活化处理使其发生活化反应，炭化产物部分被烧蚀并形成发达的孔隙结构，最终制得吸附性能优良的煤基活性炭。
27.此外，相比于粉末活性炭，采用本技术上述方法制得的煤基活性炭为颗粒状，不易飞粉，且成本低。
28.在一种优选的实施方式中，按重量份计，待处理物料包含60～80份第一煤基原料，20～40份第二煤基原料及0.5～1份添加剂，且第一煤基原料、第二煤基原料及添加剂的总重量份数为100份。第一煤基原料、第二煤基原料及添加剂的重量份数包括但不限于上述范围，将其限定在上述范围内有利于进一步提升后续形成的碳骨架的强度，同时有利于进一步增加煤基活性炭的介孔数量，从而有利于进一步提升产品的吸附性能和糖蜜值。
29.为了更进一步提高碳骨架的强度，同时更进一步增加煤基活性炭的介孔数量，从而更进一步提升产品的吸附性能和糖蜜值，优选地，按重量份计，待处理物料包含70～80份第一煤基原料，20～30份第二煤基原料及0.8～1份添加剂，且第一煤基原料、第二煤基原料及添加剂的总重量份数为100份。
30.在一种优选的实施方式中，第一煤基原料的粘结指数为10～12。第一煤基原料的粘结指数包括但不限于上述范围，将其限定在上述范围内有利于进一步提高煤基颗粒之间的粘结性，从而有利于进一步提升压块成型后所得产物的强度。
31.在一种优选的实施方式中，第二煤基原料的灰分不高于3％，挥发分不小于38％，粘结指数为10～11。第二煤基原料的灰分、挥发分及粘结指数包括但不限于上述范围，将其限定在上述范围内有利于促进煤基活性炭的中大孔形成，有利于提高活化效果，从而有利于提升产品的吸附性能和糖蜜值。
32.在一种优选的实施方式中，活化处理包括：以水蒸气为活化剂使炭化产物进行活化反应，得到煤基活性炭；其中，活化处理的温度为900～920℃，时间为4.5～5.5h。相比于采用化学法进行活化，采用水蒸气作为活化剂更加环保，有利于减少酸碱试剂的用量和废液的产生，更易于扩孔造孔。相比于其它范围，将活化处理的温度和时间限定在上述范围内有利于提高煤基活性炭的比表面积和孔容，从而有利于提高煤基活性炭的吸附性能和糖蜜值。
33.在一种优选的实施方式中，活化处理包括以下步骤：以≤20℃/min的升温速率使炭化产物升温至880～900℃后，开始通入水蒸气，继续升温至900～920℃进行活化反应，反应4.5～5.5h，经冷却后得到煤基活性炭。将活化处理过程中上述各项参数限定在上述范围内有利于进一步提高煤基活性炭的比表面积和孔容，从而有利于进一步提高煤基活性炭的
吸附性能和糖蜜值。
34.在一种优选的实施方式中，压块成型过程中，对待处理物料施加的压力为25～30mpa。对待处理物料施加的压力包括但不限于上述范围，将其限定在上述范围内有利于后续得到孔结构更加稳定的煤基活性炭。
35.在一种优选的实施方式中，造粒后得到的煤基颗粒的粒径为1～10mm。煤基颗粒的粒径包括但不限于上述范围，将其限定在上述范围内有利于后续处理，从而有利于提高煤基活性炭的吸附性能。为了进一步提高后续处理的便捷性，优选为3～8mm。
36.在一种优选的实施方式中，氧化处理在氧气气氛中进行，氧气气氛中的氧含量为10～22vol％。氧气气氛中的氧含量包括但不限于上述范围，将其限定在上述范围内有利于增加煤基颗粒表面的含氧基团数量，从而有利于提高煤基活性炭的比表面积和孔容，从而有利于提高煤基活性炭的吸附性能和糖蜜值。
37.在一种优选的实施方式中，氧化处理的温度为200～255℃，时间为2～3h。氧化处理的温度和时间包括但不限于上述范围，将其限定在上述范围内有利于进一步增加煤基颗粒表面的含氧基团数量，有利于进一步形成孔洞骨架结构，从而有利于进一步提高煤基活性炭的吸附性能和糖蜜值。
38.在一种优选的实施方式中，炭化处理在惰性气氛中进行，炭化处理的温度为500～555℃，时间为2～2.5h。炭化处理的温度和时间包括但不限于上述范围，将其限定在上述范围内有利于改善煤基活性炭的初始孔隙，从而有利于提高后续制得的煤基活性炭的吸附性能和糖蜜值。
39.为了进一步改善煤基活性炭的初始孔隙，从而进一步提高后续制得的煤基活性炭的吸附性能和糖蜜值，优选地，炭化处理包括以下步骤：以8～10℃/min的升温速率使氧化产物升温至250℃，以8～10℃/min的升温速率使氧化产物从250℃升温至500～555℃进行炭化处理，反应2～2.5h后得到炭化产物。
40.在一种优选的实施方式中，压块成型之前还包括对待处理物料进行研磨的步骤，使待处理物料中粒径≤44μm的物料的重量含量≥70％。对待处理物料进行研磨并处理至上述程度有利于进行后续的压块成型工艺。
41.本技术第二方面还提供了一种煤基活性炭，该煤基活性炭由本技术提供的上述煤基活性炭的制备方法制得。本技术提供的上述煤基活性炭具有优异的吸附性能和高糖蜜值，脱色效果好，且不易产生飞粉。
42.优选地，本技术中提供的煤基活性炭的煤基活性炭的糖蜜值可以达到≥250mg/g、碘值可以达到≥1100mg/g、亚甲蓝吸附值可以达到≥210mg/g。
43.本技术第三方面还提供了一种由本技术提供的上述煤基活性炭的制备方法制得的煤基活性炭、或者本技术提供的上述煤基活性炭在食品脱色领域中的应用。本技术提供的上述煤基活性炭具有优异的吸附性能和高糖蜜值，脱色效果好，且不易产生飞粉，尤其适合应用于食品脱色领域。
44.以下结合具体实施例对本技术作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本技术所要求保护的范围。
45.实施例1
46.一种煤基活性炭的制备方法，包括：
47.(1)准备托克逊县国能黑山煤矿烟煤作为第一煤基原料(粘结指数为12)，哈密保利吉朗德煤矿原煤作为第二煤基原料(灰分为1.9％，挥发分为37％，粘结指数为11)，将70重量份的托克逊县国能黑山煤矿烟煤、29重量份的哈密保利吉朗德煤矿原煤以及1重量份的煤直接液化残渣混合，得到待处理物料；对该待处理物料依次进行压块成型和造粒，且压块成型过程中，对待处理物料施加的压力为28mpa，造粒后得到的煤基颗粒的粒径为8mm，且滚筒强度大于90％；
48.(2)在氧气气氛中对上述制得的煤基颗粒进行氧化处理，其中，氧气气氛中的氧含量为21vol％，氧化处理的温度为250℃，氧化处理3h后得到氧化产物；
49.(3)在惰性气氛中对上述制得的氧化产物进行炭化处理，具体地，以10℃/min的升温速率使氧化产物升温至250℃，以10℃/min的升温速率使氧化产物从250℃升温至550℃进行炭化处理，反应2.5h后得到炭化产物；该炭化产物的滚筒强度大于96％；
50.(4)对上述制得的炭化产物进行活化处理，具体地，采用小型活化炉(石家庄市恒业机械厂)，以10℃/min的升温速率使炭化产物升温至920℃，通入蒸馏水且在120滴/min的试验条件下，活化反应5.5h后，得到煤基活性炭。
51.煤基活性炭的检测指标如下：滚筒强度为97％，堆比重为467，亚甲蓝吸附值为215mg/g，糖蜜吸附值为271mg/g，碘吸附值为1103mg/g。
52.实施例2
53.与实施例1的区别在于：按重量份计，待处理物料包含70重量份第一煤基原料、29.5重量份第二煤基原料及0.5重量份煤直接液化残渣。
54.实施例3
55.与实施例1的区别在于：按重量份计，待处理物料包含60重量份第一煤基原料、39重量份第二煤基原料及1重量份煤直接液化残渣。
56.实施例4
57.与实施例1的区别在于：按重量份计，待处理物料包含50重量份第一煤基原料、48重量份第二煤基原料及2重量份煤直接液化残渣。
58.实施例5
59.与实施例1的区别在于：活化处理过程不同，具体地，以5℃/min的升温速率使炭化产物升温至880℃后，开始通入水蒸气，继续升温至920℃进行活化反应，反应4.5h后，得到煤基活性炭。
60.实施例6
61.与实施例1的区别在于：活化处理过程不同，具体地，以9℃/min的升温速率使炭化产物升温至900℃后，开始通入水蒸气进行活化反应，反应5.5h后，得到煤基活性炭。
62.实施例7
63.与实施例1的区别在于：活化处理的温度为860℃，时间为4h。
64.实施例8
65.与实施例1的区别在于：氧气气氛中的氧含量为10vol％；氧化处理的温度为200℃，时间为3h。
66.实施例9
67.与实施例1的区别在于：氧气气氛中的氧含量为22vol％；氧化处理的温度为255
℃，时间为2h。
68.实施例10
69.与实施例1的区别在于：氧气气氛中的氧含量为8vol％；氧化处理的温度为180℃，时间为5h。
70.对比例1
71.与实施例1的区别在于：待处理物料由托克逊县国能黑山煤矿烟煤和煤直接液化残渣(同实施例1)构成，且按重量份计，待处理物料包含97重量份托克逊县国能黑山煤矿烟煤和3重量份煤直接液化残渣，未引入第二煤基原料。其余制备过程与实施例1相同，最终制得产物1。
72.对比例2
73.与实施例1的区别在于：未对炭化产物进行活化处理。其余制备过程与实施例1相同，最终制得产物2。
74.对比例3
75.与实施例1的区别在于：未对氧化产物进行炭化处理，直接进行活化处理。其余制备过程与实施例1相同，最终制得产物3。
76.本技术上述全部实施例制得的煤基活性炭和对比例制得的产物1至3的检测指标如表1所示。
77.表1
[0078][0079]
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
[0080]
比较实施例1和对比例1可知，相比于仅采用单一煤种作为处理对象，将第一煤基原料、第二煤基原料和添加剂配合使用有利于后续碳骨架的形成与强度提升，同时有利于增加煤基活性炭的介孔数量，从而有利于提升产品的吸附性能和糖蜜值。
[0081]
比较实施例1和对比例2可知，对炭化产物进行活化处理使其发生活化反应，炭化产物部分被烧蚀并形成发达的孔隙结构，最终制得吸附性能优良的煤基活性炭。
[0082]
比较实施例1和对比例3可知，对氧化产物进行炭化处理能够使碳原子因失去氢、氧等非碳物质而重新组合，最后形成具有基本石墨微晶结构的炭化产物，从而形成煤基活
性炭的初始孔隙。
[0083]
比较实施例1至4可知，第一煤基原料、第二煤基原料及煤直接液化残渣的重量份数包括但不限于本技术优选范围，将其限定在本技术优选范围内有利于进一步提升后续形成的碳骨架的强度，同时有利于进一步增加煤基活性炭的介孔数量，从而有利于进一步提升产品的吸附性能和糖蜜值。
[0084]
比较实施例1、5至7可知，相比于其它范围，将活化处理过程中上述各项参数限定在本技术优选范围内有利于进一步提高煤基活性炭的比表面积和孔容，从而有利于进一步提高煤基活性炭的吸附性能和糖蜜值。
[0085]
比较实施例1、8至10可知，氧气气氛中的氧含量、氧化处理的温度和时间包括但不限于本技术优选范围，将其限定在本技术优选范围内有利于进一步增加煤基颗粒表面的含氧基团数量，有利于进一步形成孔洞骨架结构，从而有利于进一步提高煤基活性炭的吸附性能和糖蜜值。
[0086]
需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式例如能够以除了在这里描述的那些以外的顺序实施。
[0087]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种煤基活性炭的制备方法，其特征在于，所述煤基活性炭的制备方法包括：准备包含第一煤基原料、第二煤基原料和添加剂的混合物作为待处理物料，对所述待处理物料依次进行压块成型和造粒，得到煤基颗粒；所述第一煤基原料的粘结指数不小于10，所述第二煤基原料为长焰煤；所述添加剂选自煤焦油沥青、石油沥青和煤直接液化残渣中的一种或多种；对所述煤基颗粒进行氧化处理，得到氧化产物；对所述氧化产物进行炭化处理，得到炭化产物；对所述炭化产物进行活化处理，得到所述煤基活性炭。2.根据权利要求1所述的煤基活性炭的制备方法，其特征在于，按重量份计，所述待处理物料包含60～80份所述第一煤基原料，20～40份所述第二煤基原料及0.5～1份所述添加剂，且所述第一煤基原料、所述第二煤基原料及所述添加剂的总重量份数为100份；优选地，按重量份计，所述待处理物料包含70～80份所述第一煤基原料，20～30份所述第二煤基原料及0.8～1份所述添加剂，且所述第一煤基原料、所述第二煤基原料及所述添加剂的总重量份数为100份。3.根据权利要求1或2所述的煤基活性炭的制备方法，其特征在于，所述第一煤基原料的粘结指数为10～12；优选所述第二煤基原料的灰分不高于3％，挥发分不小于38％，粘结指数为10～11。4.根据权利要求1至3中任一项所述的煤基活性炭的制备方法，其特征在于，所述活化处理包括：以水蒸气为活化剂使所述炭化产物进行活化反应，得到所述煤基活性炭；其中，所述活化处理的温度为900～920℃，时间为4.5～5.5h。5.根据权利要求4所述的煤基活性炭的制备方法，其特征在于，所述活化处理包括以下步骤：以≤20℃/min的升温速率使所述炭化产物升温至880～900℃后，开始通入所述水蒸气，继续升温至900～920℃进行所述活化反应，反应4.5～5.5h，经冷却后得到所述煤基活性炭。6.根据权利要求1至5中任一项所述的煤基活性炭的制备方法，其特征在于，所述压块成型过程中，对所述待处理物料施加的压力为25～30mpa。7.根据权利要求6所述的煤基活性炭的制备方法，其特征在于，所述造粒后得到的所述煤基颗粒的粒径为1～10mm，优选为3～8mm。8.根据权利要求1至7中任一项所述的煤基活性炭的制备方法，其特征在于，所述氧化处理在氧气气氛中进行，所述氧气气氛中的氧含量为10～22vol％；优选所述氧化处理的温度为200～255℃，时间为2～3h。9.根据权利要求1至8中任一项所述的煤基活性炭的制备方法，其特征在于，所述炭化处理在惰性气氛中进行，所述炭化处理的温度为500～555℃，时间为2～2.5h；优选地，所述炭化处理包括以下步骤：以8～10℃/min的升温速率使所述氧化产物升温至250℃，以8～10℃/min的升温速率使所述氧化产物从250℃升温至500～555℃进行所述炭化处理，反应2～2.5h后得到所述炭化产物。10.根据权利要求1至9中任一项所述的煤基活性炭的制备方法，其特征在于，所述压块
成型之前还包括对所述待处理物料进行研磨的步骤，使所述待处理物料中粒径≤44μm的物料的重量含量≥70％。11.一种煤基活性炭，其特征在于，所述煤基活性炭由权利要求1至10中任一项所述的煤基活性炭的制备方法制得。12.一种由权利要求1至10中任一项所述的煤基活性炭的制备方法制得的煤基活性炭、或者权利要求11所述的煤基活性炭在食品脱色领域中的应用。

技术总结
本发明提供了一种煤基活性炭、其制备方法及应用。该制备方法包括：准备包含第一煤基原料、第二煤基原料和添加剂的混合物作为待处理物料，对待处理物料依次进行压块成型和造粒，得到煤基颗粒；第一煤基原料的粘结指数不小于10，第二煤基原料为长焰煤；添加剂选自煤焦油沥青、石油沥青和煤直接液化残渣中的一种或多种；对煤基颗粒进行氧化处理，得到氧化产物；对氧化产物进行炭化处理，得到炭化产物；对炭化产物进行活化处理，得到煤基活性炭。相比于仅采用单一煤种作为处理对象，将采用上述待处理物料有利于后续碳骨架的形成与强度提升，同时有利于增加煤基活性炭的介孔数量，从而有利于提升产品的吸附性能和糖蜜值。提升产品的吸附性能和糖蜜值。


技术研发人员：赵荣善 曾旭旭 王成 闫志富 罗富 王宇翔 申甄华 张雁江 李晋 李海山
受保护的技术使用者：国家能源集团新疆能源有限责任公司
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/7/28