非焦油粘結劑用于柱狀活性炭的制備及性能研究

中圖分類號：TQ424.1;TQ533.3 文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2025）10-0074-04

Research on the preparation and properties of non-tar binder forcolumnaractivatedcarbon

WEIWei1，ZHANG Chao，YANG Jinwei'，LI Xiuchun ，LUYueqiang ^，1 SEHNG Ming23， CHENWenkai23 （1. China Coal Xinjiang Carbon Technology Co.，Ltd.， Hami 8390oo，Xinjiang China; 2. China Coal Research Institute Corporation Ltd.，Beijing 1OOO13，China; 3.Beijing Key Laboratory of Coal-based Carbon Materials，Beijing 1Ooo13，China）

Abstract：Inindustry，thebinderismainlycoaltar，butcoal tarhasserious environmental problems.Therefore，it is of great significance to develop environmentally friendly binders.Coal-based columnar activated carbon was prepared byusing Jilangdecoal from Jilangde open-pit coal mine in Hami，Xinjiangas raw material，DF，MZ，SZ，XW， PTand other non-tar binders alone orin combination.The wear resistance and iodineadsorption value of activated carbon were tested.The results showed that in the single binder experiment，when the addition amount of SZ was （20 15% ，the carbonization temperature was 600‰ and the holding time was 30min ，the activation temperature was （204號 900^qC ，the activation time was 120min ，the activation medium was water vapor，and the water-carbon ratio was ²¹ ， the strength of the carbonized material was 91.3% ，the strength of the activated material was 93.2% ，and the iodine adsorption value was 936mg/g .The results of compound binder and process conditions showed that when SZ 15% ，XW5% and PIT15% were added，the optimum process conditions were as follows ∵ carbonization temperature 600‰ （204號 and holding time 30min ，activation temperature 900^qC ，activation time 120min ，activation medium steam，water-carbon ratio 2：1 .Thestrength of the carbonized material was 97.3% ，the strength of the activated material was 96.7% ，and the iodine adsorption value was 1012mg/g .Theresearch results can provide some theoretical guidance for the study of non-tar binder used in columnar activated carbon.

Key words：activated carbon;non-tar binder;coal tar;wear resistance strength;iodine adsorptionvalue

活性炭被廣泛用作吸附劑、催化劑或催化劑載體等方面。活性炭按照原料來源主要分為兩大類：一類是以煤炭為原料的煤基活性炭，另一類是以木屑、木炭、果殼或其他木質材料為原料的木質活性炭[2-3]。煤基活性炭的生產工藝主要包括三種：原煤直接破碎法、柱狀成型法以及壓塊破碎法4。粘結劑作為制備柱狀活性炭的主要原料之一，對煤粉成型、炭化過程以及活性炭的性能等至關重要[5-6]。

成型粘結劑主要分為有機類和無機類兩大類。常用的有機類粘結劑有腐植酸及其鈉鹽、煤焦油、瀝青、聚乙烯醇及其衍生物、酚醛樹脂、高分子聚合物水溶液或醇溶液等[7-8]。國內外有大量的學者對各種粘結劑進行了研究[9-12]。

作者采用吉郎德露天煤礦吉郎德煤為原料煤，5種非焦油粘結劑單獨或復配為非焦油粘結劑制備煤基柱狀活性炭，研究了單種或者復配粘結劑對煤基柱狀活性炭耐磨強度和碘吸附值等性能的影響。此外，還考察了工藝條件對活性炭性能的影響，以及對活性炭微觀結構的表征。

1試驗部分

1.1 主要原料

原料煤，吉郎德露天煤礦吉礦煤；高溫煤焦油；非焦油粘結劑：DF（食品級，純度 ?95% ）、MZ（純度 ?85% ）、SZ（200目 gt;95% ）、XW（工業級，取代度0.6～0.9）PT（分析純，純度 g_99%"）等單獨或復配。

1.2 儀器與設備

主要儀器與設備：球磨機（JXF-20，樂清市祥興電氣成套有限公司）；捏合機（NH-5L，定制）；液壓機（YTD71-45A，天津市天鍛壓力機有限公司）；炭化爐、活化爐（太光節能技術有限公司）；平流泵（2PB系列，星達科技發展有限公司神舟微科）。

1.3樣品制備

以吉郎德露天煤礦吉郎德煤為原料煤，DF、MZ、SZ、XW、PT等單獨或復配為非焦油粘結劑制備煤基柱狀活性炭，具體過程如下。

（1）先將原料煤（吉郎德煤）磨粉，制成325目的粒度，攪拌過程中加入一定量的粘結劑（分別占比的5%～40% ），再加入占煤粉質量 25%～35% 的水（按照成型需求添加水量），所有原料充分混合后利用四柱液壓機對物料進行 ?5mm 柱狀成型；

（2）將成型的物料在室溫下干燥 24h ;將干燥后的物料進行炭化，將物料的炭化終溫設定為 600^qC 并在 600^c 保溫 30min

（3）將炭化料進行活化，活化溫度設定為 900^qC 活化介質水蒸氣，且水/炭比為2：1，活化時間 120min 。

1.4性能測試

耐磨強度測試：按照GB/T7702.3—2008《煤質顆粒活性炭試驗方法強度的測定》進行；碘吸附值測試：按照GB/T7702.7—2008《煤質顆粒活性炭試驗方法碘吸附值測定》進行。

2 結果與分析

2.1單種非焦油粘結劑對活性炭性能的影響

選取以下粘結劑，作為單種粘結劑進行考察。單種粘結劑主要考察其在煤粉成型、干燥、炭化和活化各階段發揮粘結效能及各階段的強度，以篩選具有應用潛力的粘結劑。分別選用DF、MZ、SZ、XW、PT等單獨作為粘結劑制備煤基柱狀活性炭，活性炭性能的結果如表1所示。

表1不同粘結劑制備的活性炭性能結果

Tab.1 Performance resultsof activated carbon prepared withdifferentbinders

從表1可知，當DF添加量在 5%～10% 時，隨著DF添加量增多，炭化料和活化料的耐磨強度有所提高，但添加量提高到 15% 時，并沒有進一步提高強度。當以MZ為粘結劑時，當MZ添加量由 10% 增至 20% 時，炭化料與活化料的強度均呈現增大的趨勢，活化料的碘吸附值 973mg/g_o 當以SZ為粘結劑時，成型過程中， 10% 以下的粘結劑添加量，無法順利成型。當SZ添加量達 10% 時，可順利成型。成型條較軟，難以通過常溫下干燥固化，可以考慮后續加入固化劑。物料強度在炭化后明顯提高，炭化、活化強度隨著添加量的增加而提高，且最終活化強度達到 90% 以上，可以作為本次開發實驗的主要粘結劑。但由于SZ液態運輸困難，成型條固化困難，因此后續選用SZ搭配其他原料進行復配試驗[13]。當以XW為粘結劑時，成型條在擠出4h后，表面基本固化，具有較好的基礎強度。但是物料炭化后，強度明顯下降，且活性炭的粒徑明顯變細，其整體粘結特性與MZ和DF相似[14]。當以PT為粘結劑時，成型過程中，由于PT本身不具明顯的粘結性，煤膏塑性較差，提高PT的添加量后有所改善，整體成型較為困難，需添加大量水[15]。成型條成型后常溫干燥較為困難，需要24h后，表面逐漸固化具備一定強度。但是炭化后，物料強度顯著改善，可以作為提高熱強度的粘結劑進行進一步考察。

SZ因其高強度和良好的熱穩定性成為主要的粘結劑候選。MZ因其來源廣泛、可再生且成本低廉，也顯示出較高的應用潛力。DF、XW和PT雖然在一定程度上能提高活性炭的強度，但各自存在應用限制。后續實驗將進一步考察這些粘結劑的復配效果，以優化活性炭的性能并降低成本。

2.2復配非焦油粘結劑對活性炭性能的影響

選取DF、MZ、SZ、XW和PT這5種粘結劑復配使用時，對柱狀活性炭強度的影響規律，以優化粘結劑配方，制備出高強度的柱狀活性炭。復配非焦油粘結劑對活性炭性能的影響結果如表2所示。

表2復配非焦油粘結劑制備的活性炭性能結果 Tab.2Performance resultsof activated carbon prepared bycompounded non-tarbinder

由表2可知，對炭化料強度而言，含有 20%SZ 的配方的炭化強度普遍高于含有 15%SZ 的。說明適量增加SZ可有效提升炭材料的機械強度。在SZ基礎上，輔助添加MZ或XW可以進一步提升強度。PT基配方炭化料的強度相對較低。對活化料強度而言，SZ20% 的配方活化強度仍然普遍高于 SZ15% 或PT基配方。輔助添加劑的影響以及PT基配方的強度劣勢也與碳化強度分析結論相似。輔助添加XW的HLFP1-05在活化料強度方面仍然表現最佳，其次是添加MZ的樣品，添加DF的作用相對較弱。PT基配方的活化強度與炭化強度類似，依然處于較低水平。可以看出，粘結劑在炭化階段對強度的影響，很大程度上延續到了活化階段。對碘吸附值而言，各樣品在相同的炭化、活化條件下，碘吸附值基本處于相同的水平。其中，含有DF的HLFP1-01和HLFP1-O2碘吸附值相對較高，特別是HLFP1-01獲得了最高碘吸附值，可能原因是DF本身具有促進成孔的作用，也可能是因為物料碎裂造成的。添加MZ或XW的配方，碘吸附值并沒有表現出明顯的規律性提升或降低，碘吸附值水平相對居中。PT基配方的HLFP1-06、HLFP1-07的碘吸附值也處于中等水平。當SZ添加量 15% XW添加量 5%.PT15% ，最佳工藝條件為炭化溫度 600^c 并保溫 30min ，活化溫度 900^qC ，活化時間 120min ，活化介質水蒸氣，水炭比2：1時，炭化料強度 97.3% ，活化料強度 96.7% ，碘吸附值 1012mg/g_? （2號

通過對表2數據分析發現，強度較高的樣品，碘吸附值相對偏低，從實驗結論來看，強度與碘吸附值呈現一定程度的負相關趨勢。這可能是，強度和碘吸附值可能受到孔隙結構和粘結劑用量的共同影響[16]。煤焦油、SZ作為粘結劑時傾向于形成較為致密的炭結構，機械強度高，但在一定程度上抑制孔隙結構發展。DF、MZ、XW、PT在炭化過程中自身貢獻一部分孔隙，有助于碘吸附值提升，但樣品強度相對較弱。

2.3工藝條件對活性炭性能的影響

主要對活性炭制備工藝中的炭化、活化等工藝進行考察。對物料炭化的要求就是通過炭化所得的炭化料外觀要達到一定的規格和形狀要求，內部結構上要具有一定的初孔結構，同時要具有較高的機械強度。炭化溫度對活性炭性能的影響如表3所示。

表3炭化溫度對活性炭性能的影響

Tab.3Effect ofcarbonization temperature on the propertiesofactivatedcarbon

由表3可知， 550～600^°C 溫度范圍下炭化料強度隨溫度升高而增加，更高的溫度能確保碳化充分，形成穩定的碳骨架，但是溫度進一步升高到 650^°C 導致過度炭化，結構出現塌縮，炭化料強度有所下降[17]。

活性炭制備過程中的活化反應主要是利用活化劑與炭的氧化還原反應在炭化料表面及內部刻蝕出孔隙[18-19]。活化溫度、活化時間對活性炭性能的影響如表4所示。

表4活化溫度、活化時間對活性炭性能的影響 Tab.4Effectofactivationtemperatureandactivation timeontheperformanceofactivatedcarbon

由表4可知，活化溫度的提升有利于活化反應的進行，相同活化時間條件下，活化溫度高的活化速率越快，樣品指標越高。在保持活化時間 120min 條件下， 900^qC 進行活化相比于 850^qC 活化，碘吸附值高約200mg/g ，但強度也出現了較明顯的下降。提高活化溫度和延長活化時間有利于活性炭總體性能的提高，因此工業生產中可結合提高活化溫度和延長活化時間的工藝方法制備性能優異的柱狀活性炭。

3結語

（1）SZ因其高強度和良好的熱穩定性成為主要的粘結劑。MZ因其來源廣泛、可再生且成本低廉，顯示出較高的應用潛力。DF、XW和PT雖然在一定程度上能提高活性炭的強度，但各自存在應用限制。當SZ添加量 15% ，炭化溫度 600^cC 并保溫 30min ，活化溫度 900^qC ，活化時間 120min 活化介質水蒸氣，水炭比2：1時，炭化料強度 91.3% ，活化料強度 93.2% ，碘吸附值 936mg/g

（2）復配非焦油粘結劑對活性炭性能的影響表明：強度較高的樣品，碘吸附值相對偏低，活性炭強度與碘吸附值呈現一定程度的負相關趨勢，強度和碘吸附值可能受到孔隙結構和粘結劑用量的共同影響。當SZ添加量 15% XW添加量 5%.PT15% ，最佳工藝條件為炭化溫度 600^c 并保溫 30min ，活化溫度900^qC ，活化時間 120min ，活化介質水蒸氣，水炭比2：1時，炭化料強度 97.3% ，活化料強度 96.7% ，碘吸附值 1012mg/g ：

（3）在炭化溫度 550～650^°C 內，炭化料強度隨著炭化溫度的升高而增加，較高的炭化溫度可保證炭化充分，形成穩定的碳骨架，但炭化溫度過高會導致過度炭化，結構出現塌縮、強度下降。在活化溫度850～950^qC 內，活化溫度的提升有利于活化反應的進行，相同活化時間條件下，活化溫度高的活化速率越快，活性炭性能指標越高；以非焦油粘結劑制備的柱狀活性炭具有豐富的孔隙結構。

【參考文獻】

[1]YONG JB，TANL S，TAN J. Comparative life cycle assessment of biomass-based and coal-based activated carbon production[J].Progress in Energy and Environment，2022， 20：1-15.

[2]解強，張香蘭，梁鼎成，等.煤基活性炭定向制備：原理·方 法·應用[J].煤炭科學技術，2021，49（1）：100-127.

[3]張穎.酸改性活性炭對鹽酸四環素的吸附性能研究[J].粘 接，2023，50（8）：126-129.

[4]LIU X，LIQ，ZHANG Y，et al.Synthesis of micro-mesoporous hierarchical structure of coal-based activated carbon and its effect on methane adsorption[J].Fuel，2024，365：131239.

[5]LIU H，YANHG M，LI J，et al. Polyacrylonitrile as abinder realizes high-rate activated-carbon-based supercapacitors[J].ElectrochimicaActa，2024，500：144754.

[6]LLAMAS-UNZUETAR，MONTES-MORANMA，RAMIREZ-MONTOYALA，etal.Whey asasustainablebinder for the production of extruded activated carbon[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering，2022，10（3）：107590.

[7]XIE J，XUE Y，HE M，et al. Organic-inorganic hybrid binder enhances capacitive deionization performance of activated-carbonelectrode[J]. Carbon，2017，123：574-582.

[8]賀彬艷，李金花，李曉明，等.煤基成型活性炭生產粘結劑應 用現狀與進展[J].煤炭加工與綜合利用，2021（11）：51-54.

[9]杜廣裕，張鵬啟，郭威，等.非焦油粘結劑制備煤基柱狀活 性炭的試驗研究[J].中國煤炭，2015（7）：91-94.

[10] LOZANO C D，CAZORLA A D，LINARES S A，et al. Activated carbon monolithsfor methane storage：influence of binder[J].Carbon，2002，40（15）：2817-2825.

[11]RUTHUP，FRANCISCOCM，JIMENEZDF，et al.Granular and monolithic activated carbons from KOH activation of olive stones[J].Microporousamp; Mesoporous Materials，2006，92（1）：64-70.

[12]王宇航，孫仲超，熊銀伍，等.膨潤土黏結劑對活性焦脫 硝性能的影響[J].潔凈煤技術，2018，24（6）：77-82.

[13]ASIM M，SABA N，JAWAID M，et al. A review on phenolic resin and its composites[J]. Current Analytical Chemistry， 2018，14（3）：185-197.

[14]RAHMANMS，HASAN MS，NITAIAS，et al. Recent developments of carboxymethylcellulose[J].Polymers，2021， 13（8）：1345.

[15]GALANT A K，KAUFMAN R C，WILSON JD. Glucose： Detection and analysis[J].Food Chemistry，2O15，188： 149-160.

[16]李秀春.新疆典型煤種制成型顆粒活性炭及工藝優化研 究[J].煤炭工程，2023，55（6）：176-182.

[17]解強，邊炳鑫.煤的炭化過程控制理論及其在煤基活性炭制 備中的應用[M].：中國礦業大學出版社，2002：136-140.

[18] 解煒，曲思建，王鵬，等.炭材料的配煤制備及低溫脫硝 性能[J].潔凈煤技術，2018，24（2）：102-107.

[19]金其，姚倩，林錫華，等.去除環境空氣中揮發性有機物的 可再生活性炭吸附性能研究[J].粘接，2025，52（6）：1-4.