一种表面陶化炭吸附材料的制备方法及设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及炭材料制备领域，尤其涉及一种表面陶化炭吸附材料的制备方法及设备。
【背景技术】
[0002]近年来，我国大气灰霾污染日趋严重，如何治霾已经成为人们关注的焦点问题。城市灰霾的元凶是PM2.5，是严重危害人体健康的污染物，其主要化学成分有水溶性无机盐、不溶性矿物质和含碳物质等，其中含碳物质又包括水溶性和非水溶性有机化合物及元素碳。活性炭材料从原理上可吸附去除包括S02、氮氧化物、烟尘粒子、汞、二恶英、呋喃、重金属、挥发性有机物及其他微量元素等在内的污染物，这些污染物与PM2.5主要污染物组分有机碳(OC)、元素碳(EC)、硝酸盐、硫酸盐、铵盐、钠盐(Na+)以及易产生PM2.5污染物的前驱物S02和NOx等相对应。因此，利用活性炭不同的结构与化学特征，实现不同物质的吸附降解功能，对于治理大气灰霾中的PM2.5污染物具有良好的潜力。
[0003]虽然活性炭具备净化吸附气相中存在的各类污染物的潜力，但是在工业烟气尾气净化应用领域多数集中在基础实验阶段。宄其原因，主要在于:实际工业烟气体积流量大，PM2.5污染物成分比较复杂、含量低且总量大等特点，使活性炭的应用必须同时解决以下三个问题:1)良好的多样吸附性，同时具备吸附PM2.5污染物中极性与非极性物质的良好潜力；2)良好成型强度，较高的抗压耐磨性能，使用过程损耗低，不造成新的炭粉尘污染；3)良好的热再生性能，脱附便捷，循环利用率高。显然，活性炭的物理化学性质决定自身不容易解决上述问题，尤其活性炭成型与加热法再生均会不同程度降低活性炭吸附性能，循环使用过程中挤压、冲刷与磨损也不可避免造成细颗粒炭粉尘次生污染。民用活性炭类空气净化材料因采用不同有机材质滤布作为炭载体而得到了广泛使用，但其不可再生脱附、循环使用困难以及制造成本高等特点无法直接移稹到大规模的工业烟气尾气深度净化场合中使用。因此，将无机多孔材料作为活性炭载体，在工业应用中表现出极大的优势。
[0004]活性炭易吸附非极性分子，对极性有机物特别是危害较大的卤代烃等吸附效果一般；无机陶质多孔材料如陶粒等也具有良好的吸附特性，其带有金属离子、不饱和电荷，表面呈强极性，对极性分子和不饱和分子有很强亲和力，对极化率大的非极性分子也有较高选择吸附优势，这在水质净化领域污染物去除方面已经得到应用。结合国内外的研宄，可以发现:将活性炭与陶粒材料有机组合，利用无机陶质多孔材料作为外壳，包裹内部活性炭芯，制备表面陶化活性炭材料，可以明显提高成型活性炭机械强度，同时相对独立地保持陶粒与活性炭各自良好的吸附特性，实现吸附功能互补，大大降低了成型活性炭的成本，扩展了活性炭的功能。制备表面陶化活性炭材料用于净化烟气中PM2.5污染物，需要着重解决以下两个方面的科学问题:一、实现在活性炭颗粒表面包裹高强度的陶质外壳，并合理控制陶炭界面反应，使内部活性炭颗粒在经历高温烧成后，依然保持良好强度与吸附性能；二、调控陶化表面的孔结构，使PM2.5污染物中的极性分子优先被陶化表层吸附，而非极性分子能够顺利透过表面陶层进入内部并被活性炭吸附，从而充分发挥组合优势。有关上述研宄，国内外未见相关报道。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种高强度、高吸附、多功能、低成本”表面陶化活性炭材料的制备方法。
[0006]为实现上述目的，本发明提供一种表面陶化炭吸附材料的制备方法，其特征在于，步骤为，
活性炭芯颗粒的制备:将活性炭粉末与粘结剂混合成型制备活性炭芯颗粒；
陶化料的制备:将无机混合料与调孔剂按一定比例混合研磨制成陶化料；
外表覆盖陶化生料壳的炭颗粒的制备:将所述活性炭芯颗粒作为母球，利用表面粘附造粒装置将所述陶化料均匀粘附在炭芯颗粒表面，得到外表覆盖陶化生料壳的炭颗粒；干燥:对所述外表覆盖陶化生料壳的炭颗粒进行干燥；
预热及高温烧结处理:对干燥后的物料进行中温预热及高温烧结处理；
冷却:烧结后的产品通氮气冷却至室温后出料，得到表面陶化活性炭颗粒。
[0007]进一步，所述活性炭粉末是成型难度高的木质物理法粉末活性炭。
[0008]任选的，所述的粘结剂为用于活性炭成型的普通无机粘结剂或有机粘结剂，成型粒度>5_，成型颗粒强度满足粘附造粒时不粉碎即可；重量添加比例为小于30%。
[0009]进一步，所述调孔剂为碳酸钙、可溶性淀粉或明胶；重量添加比例小于10%。
[0010]进一步，所述无机混合料由膨润土、娃藻土、高岭土、页岩、河沙、玻璃粉、粉煤灰、城市污水厂污泥或河床底泥中的一种或一种以上混合配制；混合后主要化学成分控制在如下重量范围内 -S12:48%-68% ；A1203:15%-20% ；Fe203:3%-8%; CaO+MgO: 2%-8% ；K2CHNa20:4%-10%，C:3%_6%，粒度控制为100目以下。其中，CaO+MgO为一类物质，在生成陶化壳层的作用相似，两者占总物料比的和在控制范围内即可；同理，K2CHNa2O也是归为碱金属类，为一类物质，两者占总物料比的和在控制范围内即可。
[0011]进一步，所述外表覆盖陶化生料壳的炭颗粒的制备步骤为，将所述活性炭芯颗粒作为母球，放在表面粘附造粒装置中，喷入硅酸钠溶液搅拌；优选搅拌20分钟，让活性炭颗粒充分浸润硅酸钠溶液；再将所制备的陶化料倒入表面粘附造粒装置中，继续搅拌10?30min，待活性炭颗粒表面已被陶化料粉末完全包裹后，即得到外表覆盖陶化生料壳的炭颗粒；
优选的，所述喷入硅酸钠溶液的质量分数为10-20%，所述硅酸钠溶液制备方法为将硅酸钠粉末与水按1:4?8质量比混合，添加0.1%醋酸，在80-90°C条件下搅拌加热均匀。
[0012]进一步，所述干燥步骤中，干燥温度小于等于105°C，干燥后含水率降至2%以下； 任选的，所述预热及高温烧结处理步骤中，预热温度为400-600°C，预热时间为10-20
分钟；高温烧结温度为1150-1400°C，烧结终恒温时间为10-15分钟；
任选的，所述冷却步骤中，冷却速度控制在〈20 °C /min。
[0013]另一方面，本发明还保护所述表面陶化炭吸附材料的制备方法制备得到的表面陶化炭吸附材料。
[0014]所述制备得到的表面陶化炭吸附材料用于吸附极性或非极性污染物，优选的，吸附去除重金属或有机污染物。
[0015]另一方面，本发明还保护所述制备得到的表面陶化炭吸附材料用于废水、废气或废泥中污染物处理的用途。
[0016]另一方面，本发明还提供一种所述表面陶化炭吸附材料的制备方法的设备，其特征在于，由定量给料装置(1、2、8和9)，混合装置(3)、成型装置(4)、输送装置(5、11、13、14和16)、表面粘附造粒装置(6)、雾化喷射加湿装置(7)、混合细磨装置(10)、筛分装置(12)、干燥装置(15)、中温预热装置(17)、高温烧结装置(18)和冷却装置(19)组成；
其中1#定量给料装置(I)出口与混合装置(3)入口相连；2#定量给料装置(2)出口与混合装置(3)入口相连；混合装置(3)出口与成型装置(4)相连；成型装置(4)出口与1#输送装置(5 )相连；1#输送装置(5 )出口与表面粘附造粒装置(6 )入口相连；表面粘附造粒装置(6)配有雾化喷射加湿装置7 ；
3#定量给料装置(8)出口与混合细磨装置(10)入口相连；4#定量给料装置(