聚醋酸乙烯酯成型活性炭研究

孔祥波

酒泉職業技術學院化學工程系，甘肅 酒泉 735000

聚醋酸乙烯酯成型活性炭研究

孔祥波

酒泉職業技術學院化學工程系，甘肅 酒泉 735000

聚醋酸乙烯酯成型活性炭以比表面積為1090 m2g-1的粉末活性炭為原料，以聚醋酸乙烯酯乳液為黏結劑，分別考察干燥溫度、黏結劑添加量對成型活性炭的抗壓強度、側壓強度、比表面積的影響，從而確定此次試驗中最佳配方及處理條件。

成型活性炭；聚醋酸乙烯酯乳液；機械強度；比表面積

1.本研究的內容及意義

成型活性炭具有較高的堆密度與強度，且無粉塵污染[1]。其形狀和尺寸是可以設計的，按照實際應用的需求，以特定的形狀和尺寸，盡可能地節省空間，發揮活性炭的應用效力。成型活性炭的這些優點也使其在氣體儲存、水凈化、氣體凈化、電極、雙電層電容器、催化劑載體等方面得到了廣泛的應用。其大單位體積表面積，使其作為吸附劑，將會在氣體儲存特別是在煤層氣中富集甲烷的應用中有著廣闊的市場和前景。[2]

聚醋酸乙烯酯乳液是一種以水為分散介質的乳液型膠粘劑, 不僅屬于環保無污染型產品, 而且還具有生產成本較低, 粘接強度高等特點, 在許多領域都得到了應用。[3]

2.實驗部分

本實驗選用的試劑和設備如下：粉末活性炭為比表面積約為1090 m2g-1，黏結劑為聚醋酸乙烯酯乳液，炭化爐為四川東風儀器廠生產的電子爐，測量機械強度選擇的儀器為姜堰市銀河儀器廠生產的YHKC-2A 型顆粒強度測定儀，測量比表面積的儀器為北京市北分儀器系統公司產的ST－03A型比表面積孔徑測定儀。

2.1 活性炭

本實驗所選用的活性炭為自制的活性炭，比表面積約為1090 m2g-1，堆積密度為0.2777g/ml，其性質如表2.1所示。

表2.1 粉末活性炭性質

2.2 實驗所用藥品

本實驗選用的聚醋酸乙烯酯乳液為映輝膠業有限公司出產的產品，牌號為BRJ-3904。質量指標如下：固含量39.0±2.0%，黏度≥4.0，PH 值4～6。

實驗選用無水乙醇為廣東光華化學廠有限公司出產的化學純試劑，相對密度為0.79。

2.3 成型活性炭的制備

本實驗所采用的活性炭成型工藝流程如圖2.1。

圖2.1 成型活性炭制備的工藝流程圖

考察以聚醋酸乙烯酯乳液為黏結劑時不同條件對成型產品性能的影響具體實驗操作順序如下：

（1）稱量約4克的粉末狀活性炭，將其烘干；

（2）分別稱取質量分率為10%，15%，20%，25%，30%，35%的聚醋酸乙烯酯乳液，添加約3ml的水，并充分攪拌，使其均勻；

（3）與活性炭混合，攪拌均勻；

（4）用壓片機將它們的混合物壓成顆粒狀；

（5）在100℃，150℃，200℃，250℃，300℃條件下分別進行炭化60min；

（6）考察所得成型產品的機械強度和比表面積。

圖3.1 不同粘結劑添加量對所得成型產物抗壓強度的影響

圖3.2 不同粘結劑添加量對所得成型產物徑向強度的影響

2.4 成型活性炭機械強度的測定

將炭化后的成型活性炭經姜堰市銀河儀器廠生產的YHKC-2A 型顆粒強度測定儀進行強度的測定，分別測定其抗壓強度和徑向強度。

2.5 成型活性炭比表面積的測定

通過ST－03A型比表面積孔徑測定儀對成型活性炭的比表面積進行測定，以氮氣為吸附質，在液氮溫度下（77K）進行吸附，由BET方程計算比表面積。成型后比表面積的損失情況以活性炭的比表面積收率來衡量。

定義活性炭的比表面積收率：

3 實驗結果與討論

以聚醋酸乙烯酯為黏結劑時不同條件對所得成型產品性能的影響

3.1 不同黏結劑添加量對所得產品性能的影響

以處理溫度為100℃時制得的成型產品為例，考察不同黏結劑添加量對所得成型產物抗壓強度的影響，見圖3.1。以處理溫度為100℃時制得的成型產品為例，考察不同黏結劑添加量對所得成型產物徑向強度的影響，見圖3.2。

以處理溫度為100℃時制得的成型產品為例，考察不同黏結劑添加量對所得成型產物比表面積的影響，見圖3.3。

圖3.3 不同粘結劑添加量對所得成型產物比表面積的影響

圖3.4 不同干燥處理溫度對所得產品抗壓強度的影響

由圖3.1、圖3.2、圖3.3可知，在相同干燥處理溫度的條件下，隨黏結劑添加量的不斷增加，所得成型產品的抗壓強度、徑向強度的變化趨勢為不斷增強，所得產品的比表面積的變化趨勢為不斷下降。但當黏結劑添加量為30%時，所得成型產品的抗壓強度、徑向強度、比表面積均與黏結劑添加量為20%時所得成型產品的抗壓強度、徑向強度、比表面積相近，不符合整體變化趨勢。因為當黏結劑添加量達到百分之三十時，黏結劑顆粒之間開始連接。互相連接的黏結劑顆粒間形成空隙，從而產生新的孔徑結構，使得所得成型產品的比表面積相較黏結劑添加量為25%時所得成型產品的比表面積反而有所上升，同時其抗壓強度、徑向強度反而有所下降。[4,5]

3.2 不同干燥處理溫度對所得產品性能的影響

以黏結劑添加量占所得成型產品的百分比為15%時制得的成型產品為例，考察不同干燥處理溫度對所得產品抗壓強度的影響，見圖3.4。以黏結劑添加量占所得成型產品的百分比為15%時制得的成型產品為例，考察不同干燥處理溫度對所得產品徑向強度的影響，見圖3.5。

以粘結劑添加量占所得成型產品的百分比為15%時制得的成型產品為例，考察不同干燥處理溫度對所得產品比表面積的影響，見圖3.6。

由圖3.4、圖3.5、圖3.6可知，隨干燥處理溫度的上升，所得成型產品的抗壓強度、剪切強度的變化趨勢為不斷下降，所得產品的比表面積的變化趨勢為不斷上升。因為在熱處理過程中，聚醋酸乙烯酯分子鏈斷裂、分解，使得活性炭被堵塞的部分孔道打開。

4.小結

圖3.5 不同干燥處理溫度對所得產品徑向強度的影響

圖3.6 不同干燥處理溫度對所得產品比表面積的影響

本實驗以自制的比表面積約為1090 m2g-1煤質粉末活性炭為原料，使用的黏結劑為聚醋酸乙烯酯，考察了在聚醋酸乙烯酯添加量，不同的炭化溫度等條件下，成型后的活性炭機械強度和比表面積的變化情況；考慮到黏結劑添加量和處理溫度對強度、比表面積、操作難度、經濟條件等各方面的影響，確定此次試驗中最佳配方及處理條件為：粉末活性炭為120～160目，聚醋酸乙烯酯添加量為20%，干燥處理溫度為100℃，干燥處理時間為60min。在此條件下得到的成型產品性能為：抗壓強度11.022Mpa、徑向強度9.043N/cm、比表面積為所用粉末活性炭的86.70%。

本實驗配方的優勢：①不需高溫處理，操作簡單，節約能源。在目前已知的應用于活性炭成型領域的黏結劑中，酚醛樹脂需經過800℃高溫的炭化處理，羧甲基纖維素也需要在200℃以上處理使其發生交聯反應。[6]②成本低廉。相對于同樣不需高溫處理即可應用于活性炭成型領域的聚乙烯醇縮丁醛，聚醋酸乙烯酯的價格僅為其的10%～20%，有利于大規模推廣應用。③無毒無害，不污染環境。且因近年來聚醋酸乙烯酯在木材市場的大量應用，來源十分廣泛。所得成型產品不僅具有較好的機械強度，且比表損失率較低。

[1] Zhao B Y, Hirose T, Okabe T, et al.Woodceramics prepared from wood powder/penolated wood composite. J Porous Mater,2002, (9):195

[2] Lozano-CastóellD, Cazorla-Amorós D,Linares-Solano A, et al. Activated carbon monoliths for methane storage: influence of binder[J].Carbon, 2002, 40(15): 2817-2825.

[3] Nagle D C， Byme C E. Carbonized wood for advanced materials applications. Carbon,1997, 35(2):259

[4]陳進富, 劉曉君.馮英明.黏結劑對天然氣型炭吸附劑的作用機理研究[J]. 天然氣工業.2004, 24(12): 108-110

[5] 左宋林, 高尚愚, 周建斌. 活性炭及基材種類對活性炭成型物性能的影響[J].南京林業大學學報.2000, 24(2):55-59

[6] 高尚愚, 安部郁夫, 周建斌，等. 膠接過程對活性炭孔隙結構影響的研究[J].林產化學與工業. 2000, 20(3): 60-63

[7] 李建剛. 成型活性炭的制備及其甲烷吸附性能的研究[D]. 山西：中國科學院山西煤炭化學研究所.2004

孔祥波，男，甘肅永靖人，1974年生，本科，碩士，酒泉職業技術學院化學工程系講師，主要從事化工專業工科化學及化工儀表及自動化教學。