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解强:煤基活性炭定向制备:原理·方法·应用

2020-05-18

随着城市供水净化规模越来越大,以及国家出台了愈加严格的烟气污染物排放标准,吸附分离性能优良的活性炭越来越被广泛使用。

 

活性炭是一种由含碳物质加工得到的人工碳材料,几乎任何一种含碳的物质都可以用来生产活性炭,例如木材、果核、果壳、泥炭以及所有不同变质程度的煤、石油焦、合成高分子材料。与其他原料相比,煤炭来源广泛、价格低廉,煤基活性炭机械强度大、化学稳定性高。因此,煤已成为制造活性炭的主要原料,世界范围内煤基活性炭产量占活性炭总量的70%以上。


      活性炭最重要的应用是吸附分离,既用于液相吸附,如饮用水深度净化,废水处理,血液净化,化工产品、油品、油脂等的精制、脱色、除杂,也用于气相吸附,包括防毒面具,有机溶剂吸附回收及工业有机废气净化,烟气脱硫脱硝、空气净化等。此外,在催化、贵金属提取与回收以及航天、生命科学等领域也有广泛的应用。煤基活性炭适用于用量较大的城市供水净化、污水处理领域以及烟气中污染物的控制。

   

  虽然我国的活性炭工业早在20世纪50年代就起步了,目前的产能也已达到90万t/a,但由于一直没有完全突破活性炭生产的关键技术、尤其是精准量化调控活性炭孔结构的技术瓶颈,我国生产的煤质活性炭品种相对较少、质量不高,多作为基炭低价销售,一些具有特殊孔结构的活性炭,如超级电容器电极炭、汽油回收炭、垃圾焚烧烟道气净化炭等,国产活性炭的质量仍难满足要求而多依赖进口。

  

  为了深入理解活性炭材料结构性能关系的本质,为指导煤基活性炭的生产实践提供技术支撑,中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院解强教授结合团队在煤基活性炭制备、表征、改性及应用领域30余年的研究工作,系统介绍了煤基活性炭的定向制备原理、方法等。成果以《煤基活性炭定向制备:原理方法应用》为题(点击查看)在《煤炭科学技术》进行了网络首发。

  

  研究回顾了我国煤基活性炭工业的起源、发展历程,介绍了制备煤基活性炭的化学活化法、物理活化法、化学物理活化法。介绍了煤基活性炭生产的4种生产工艺,主要包括:原煤破碎颗粒活性炭生产工艺、柱状活性炭生产工艺、压块活性炭生产工艺、粉状活性炭生产工艺。研究着重讨论了活性炭定向制备的概念、原理、方法及应用,提出了我国活性炭工业发展面临的重要问题和亟待研究的课题。

  

  物理活化法是煤基活性炭制备的基本方法,原煤破碎活性炭、柱状活性炭及压块活性炭工艺是目前煤基活性炭的主要工业生产工艺,尤其是压块活性炭工艺,由于产能大、产品质量高且稳定并适于配煤、添加剂调孔,已成为新建、扩建活性炭企业的首选。

  

  孔结构、表面化学、形状、机械强度、流体力学性能等是影响活性炭应用的主要因素,“活性炭定向制备”是以用途对活性炭组成、结构和性能的要求为导向,制备具有适宜组成、孔结构、应用性能的活性炭产品,按照煤基活性炭定向制备涉及的指标及相互关系、影响因素、调控方法及难度,以孔结构调节为中心开发煤基活性炭定向制备技术成为主要策略。

  

  孔结构调控是在保证活性炭孔隙充分发育的前提下根据应用需求调节活性炭不同尺寸孔在总孔容中的比例,筛选原料煤、配煤、添加剂、优化工艺参数等措施,可以在不同程度上控制炭化过程,使炭化向生成各向同性、非石墨化、反应活性高、初生孔隙发达炭化物的方向发展,为活化阶段活化剂-炭基质间反应速度的调变打下基础,易于孔结构调控;煤基活性炭定向制备技术已应用于低灰高比表面积活性炭、磁性活性炭及兼有双电层电容和法拉第电容的高容量电极炭的研制。

  

  此外,在单种活性炭难以满足应用途径对活性炭提出的综合性能指标要求的情况下,配炭或是一种有效的解决途径。活性炭孔结构的精准量化调控、中孔活性炭的制备、配炭等研究尚待进一步深入;活性炭应用研究、利用西部高碱煤中内源性碱(土)金属调控煤质活性炭孔结构、开发洁净活性炭生产工艺,是煤基活性炭定向制备面临的新课题。


作者简介


  解 强(1965—),男,安徽淮南人,工学博士、哲学博士(PhD),中国矿业大学(北京)校学术委员会委员、教授(三级)、博士生导师。2009—2015年担任中国矿业大学(北京)化工系主任。


  1986年毕业于中国矿业学院并留校工作,分别于1992、1996年取得工学硕士、工学博士学位;1996年12月—2000年9月公派俄罗斯国立莫斯科矿业大学留学,获哲学博士学位(PhD);2002年由中国矿业大学调往中国矿业大学(北京)工作。


  主要研究领域包括:煤化学,煤化工;多孔炭材料(活性炭、活性半焦等)制备-改性-功能化及应用;固体废弃物(城市生活垃圾、生物质、煤系固体废弃物等)资源化利用技术;工业有机废气(VOCs)防治技术等。主持、完成的研究项目包括“973”项目、“863”项目、国家重点研发项目、国家自然科学基金项目、教育部“211”工程建设项目、教育部博士点科研专项基金以及多项企业委托项目。用中、英、俄文发表论文100余篇,SCI/Ei检索60余篇;著、编、译出版物计7部;获得授权国家发明专利和实用新型专利10余项。


  2000年度中国科学院“百人计划”入选者。中国化工学会煤化工利用专业委员会委员;第一、二届煤炭工业技术委员会洁净煤与煤化工技术专家委员会委员;中国煤炭加工利用协会煤质和煤炭检验分会理事;兵工学会活性炭专业委员会委员;中国林产学会活性炭专业委员会常务委员;中国环境科学学会固体废物分会委员暨专家委员会委员;中国环境保护产业协会废气净化委员会第五届委员会技术专家;中国环保产业挥发性有机污染物(VOCs)减排与控制技术创新联盟专家;中华环保联合会VOCs污染防治专业委员会顾问委员。《洁净煤技术》主编;《矿业科学学报》副主编;International Journal of Mining Science and Technology、《煤化工》《煤炭加工与综合利用》等期刊编委。


  责任编辑:宫在芹

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