金属化合物对太西无烟煤制备活性炭的研究

第23卷　第3期煤　炭　转　化V o l.23　No.3 2000年7月COA L CON V ERSIO N Jul.2000金属化合物对太西无烟煤制备活性炭的研究 张文辉1)　李书荣2)　陈　鹏3)　梁大明2)　王　岭2) 摘　要　用密度法分离富集了太西无烟煤镜质组、丝质组,研究了金属化合物NiO,Fe2O3等对太西无烟煤及富集的镜质组、丝质组制备活性炭吸附性能的影响.试验结果表明:加入NiO, Fe2O3等金属化合物可显著改善提高太西无烟煤及富集镜质组制备的活性炭吸附性能.其主要原因是NiO,Fe2O3等金属化合物具有催化活化反应的能力,改变了活化反应机理,从而改善了活性炭的孔结构,提高了活性炭的吸附性能.关键词　金属化合物,无烟煤,活性炭中图分类号　TQ424.10　引　言煤基活性炭是我国生产的主要活性炭产品之一,广泛用于环保、水处理、冶金、化工等领域,和果壳等高档活性炭相比,我国煤基活性炭存在比表面积低、中孔数量少和吸附性能差等问题.煤基活性炭吸附性能主要决定于原料煤性质及生产工艺等因素,在原料煤确定的条件下,生产工艺是影响活性炭吸附性能的主要因素.煤基活性炭生产工艺主要包括原料煤处理、炭化、活化等过程.国内外的试验研究表明[1～4]:金属化合物对炭化、活化过程有重要影响,直接影响碳和水蒸气等活化剂的活化反应速度.宁夏太西无烟煤是我国煤基活性炭生产的主要原料煤之一,以太西无烟煤为原料生产的煤基活性炭约占我国煤基活性炭总产量的60%.本文重点研究了NiO和Fe2O3等金属化合物对太西无烟煤制活性炭吸附性能的影响,试验发现在炭化、活化过程中加入NiO和Fe2O3等金属化合物可显著提高活性炭的吸附性能.1　实验部分1.1　原料煤及金属化合物选用太西无烟煤,其煤岩显微组分及工业分析结果见表1.表1　太西无烟煤煤岩显微组分及工业分析T able1　M acera l compo nents and pr ox imat e ana ly sis of T aix i anthracite*SampleM aceral components analys is/%Vitrin ite Sem i-vitr inite Fu sinite ExiniteProximate analys is/%,adM A V CTaixi anthr.69.3 5.924.80.0 1.31 2.527.0389.14 *W ight of per cen t. 采用密度法分离富集太西无烟煤煤岩显微组分.首先粉碎太西无烟煤,使其95%小于200目,然后加入比重液分选,用美国产HIT ACHI20PR—52D型全自动高速离心机进行分离,分离的煤岩显微组分用蒸馏水反复冲洗,然后过滤干燥.分离富集太西无烟煤镜质组、丝质组煤岩显微组分定量分析结果见第83页表2.试验的金属化合物为NiO, Fe2O3及二者按一定比例配制的混合物,混合物中加入一定量的催化剂助剂,分别用A,B和AB表示.各种金属化合物磨成粉后在成型过程中加入,加国家自然科学基金资助项目(59872013).　1)博士、高级工程师;2)高级工程师;3)教授、博士生导师,煤炭科学研究总院北京煤化学研究所,100013北京　收稿日期:2000-04-05入量为原煤量的1%.表2太西无烟煤分离富集的镜质组和丝质组定量分析结果　T able 1　M a cer al compo nents of vit rinite and fusiniteconcentra ted fr om T aix i anthr acite (%)*M aceral Vitrinite S emi-vitrin iteFus inite Exinite Vitrin ite 90.6 4.6 4.80.0Fus inite11.67.281.20.0 *W eig ht of p ercent.1.2　活性炭样品制备及测试活性炭样品制备工艺包括成型、炭化和活化等过程.成型采用卧式螺旋挤压机成型,加入煤焦油作为粘结剂,加入量为煤粉量的30%.炭化、活化均在小型外热式回转炉中进行,采用程序升温控制仪控制温度.炭化升温速度2℃/m in ,炭化终温600℃,恒温30min;活化温度为900℃,活化剂为过热水蒸气.碘值、亚甲兰等活性炭吸附指标检测均按国际GB 7702.7—87,GB 7702.3—87进行,活性炭比表面采用低温氮吸附法测定,用二参数BET 方程进行计算.2　结果与讨论在不同活化工艺条件下,以太西无烟煤为原料加金属化合物制备的活性炭试验结果见表3.从表3可以看出,在太西无烟煤中加入金属化表3　太西无烟煤制备活性炭试验结果T able 3　P ro per ties o f activ ated car bon prepared fr om T aix i anthra citeM etal com poundActivation temp./℃Yield /%Activation time/m inIod ine numb er/mg/g M ethylene b lue/mg/gS pecific s urface/m 2/g Pore s pecific volume/cm 3/g —90056　901030135　8440.43—90038　1201077165——A 90045　901075195　8950.44A 90040　120112225511420.55B 90047.5901100210　9270.47B 90022.51201133300——AB 90040　90114927011760.56AB90020　1201188330——合物后,对其制备的活性炭吸附性能有显著影响,其中以加入AB 金属化合物效果最好;在制备工艺相同的条件下,与没有加入金属化合物的太西无烟煤制活性炭性能相比,具有比表面积大、亚甲兰指标高和中孔发达等特点.煤不是均一物质,在显微镜下可分为镜质组、丝质组等显微组分,各种显微组分物理化学性质均有差异.[5]以分离富集的太西无烟煤镜质组为原料,加入金属化合物制备的活性炭试验结果见表4.从表4可以看出,在镜质组中加入金属化合物制备的活性炭吸附性能明显提高,其中以加入金属化合物AB 效果最好.在分离富集的丝质组中加入同样的金属化合物,则效果不明显(见第84页表5).这表明太西无烟煤镜质组和丝质组化学性质不同.由于制备活性炭的原料性质对活性炭的吸附性能具有重要影响,因此在活性炭制备中加入的金属化合物,应根据制备活性炭的原料性质进行选择,否则即使加入金属化合物也难以提高活性炭的吸附性能.物理活化法制备活性炭主要靠原料中碳与水蒸气、二氧化碳等活化剂发生不完全氧化反应,使煤中活性高的碳与活化剂反应,使反应后的固体物中形成各种各样的孔隙,使比表面积增大而具有吸附性能.在活性炭制备的活化工艺过程中主要发生以下化学反应: C+H 2O H 2+CO (1) C+CO 22CO(2)表4　太西无烟煤分离富集镜质组制备活性炭试验结果T able 4　Pr operties of activ ated carbon prepar ed fr om v itr init e co ncentr ated fro m T aixi anthracit eM etal com poundActivation temp./℃Yield /%Activation time/m inIod ine numb er/mg/g M ethylene b lue/mg/gS pecific s urface/m 2/g Pore s pecific volume/cm 3/g A 90039　901050210　8630.42A 90032.51201101255　9920.53B 90042　901083210　8280.44B 90032　120114228511410.56AB 90025　90118033012540.6483第3期 张文辉等　金属化合物对太西无烟煤制备活性炭的研究表5　太西无烟煤分离富集丝质组制备活性炭试验结果T able5　Pr operties of activ ated ca rbon prepar ed fr om fusinit e co ncentr ated fro m T aixi anthracit eCatalyst Activationtemp./℃Yield/%Activationtime/m inIod ine numb er/mg/gM ethyleneb lue/mg/gS pecific s urface/m2/gPore s pecific volume/cm3/gA90030.59010482258810.45 A90020　12010762709460.50 B90044　9010331957800.40 B90030　12011002709630.50 AB90045　90　9951808370.42 AB90037.512010872709940.50 国内外的试验研究表明[4],许多金属化合物对反应(1)和反应(2)具有催化作用,即当有金属化合物参与反应时,加快了化学反应速度,改变了其化学反应机理,使原来不能形成孔隙的炭化物发生化学反应,形成孔隙,使活性炭的比表面积增加,孔结构发生变化,吸附性能提高,加入的金属化合物实际上是活化反应的催化剂,只有加入具有催化反应(1)和反应(2)能力的金属化合物,才能改变活性炭的孔隙结构,提高活性炭的吸附性能;否则,即使加入金属化合物,也难以改善和提高活性炭的吸附性能.活性炭吸附性能的提高与加入的金属化合物的性质及种类有关.由于生产活性炭原料中碳的结构及性质不同,因此随着原料中碳性质的变化,能催化反应(1)和反应(2)的金属化合物也不相同,因此加入的金属化合物也应随之改变,否则即使加入金属化合物也不能提高活性炭的吸附性能,反而增加活性炭产品的灰分.从表2和表3可以看出,加入A B金属化合物可以显著提高活性炭吸附性能,这主要是因为AB 金属化合物具有催化反应(1)和反应(2)的功能.4　结　论在太西无烟煤或分离富集的镜质组中,加入AB金属化合物可以显著改善提高活性炭产品吸附性能;其主要原因是A B金属化合物具有催化活化反应的能力,改变了活化反应机理,从而改善了活性炭的孔结构,提高了活性炭的吸附性能.参　考　文　献1　Figueirdo J A,Rivera-U trilla J,Ferro-Garcia M A.Gasification of Active Carb ons of Differen t Texture Impregnated w ith Nick el,Cobalt and Iron.Car bon,1987,25(5):703～7082　M ats umoto S,Ph ilip L,Walk er J R.C har Gasification in Steam at1123K Catalyz ed by K,Na,C a,and Fe-Effect of H2,H2S an d COS.Carbon,1986,24(3):277～2853　富田彰,大冢康夫,宝田恭之.关于褐煤的催化气化研究.燃料化学学报,1988,16(2):111～1174　埃利奥特M A.煤利用化学:下册.北京:化学工业出版社,1991.93～1005　周师庸.应用煤岩学.北京:冶金工业出版社,1985.118～124EFFECT OF METAL COMPOUNDS ON THE PREPARATION OF ACTIVATED CARBON FROM TAIXI ANTHRACITEZhang Wenhui　Li Shurong　Chen Peng　Liang Daming and Wang Ling(Beij ing R esearch I nstitute of Coal Chemistry,CCRI,100013Beij ing) ABSTRACT　Vitrinite and fusinite are co ncentrated fro m T aix i anthracite w ith specific g rav-ity.Effects of NiO,Fe2O3on the preparation of activated carbon from Taixi anthr acite and V itri-nite and fusinite co ncentrated fro m Taix i anthr acite have been studied.It w as fo und in the ex peri-ment that adsor ption properties of activated carbon are improv ed by addition of NiO,Fe2O3in pr eparation of activated carbon.It is because that N iO,Fe2O3are capable o f cataly zing the activa-tio n reactio n and changes the mechanism o f activation reactio n.KEY WORDS　m etal com po unds,anthr acite,activ ated carbon84 煤　炭　转　化 2000年。