聚醋酸乙烯酯成型活性炭研究

孔祥波

酒泉职业技术学院化学工程系，甘肃 酒泉 735000

聚醋酸乙烯酯成型活性炭研究

孔祥波

酒泉职业技术学院化学工程系，甘肃 酒泉 735000

聚醋酸乙烯酯成型活性炭以比表面积为1090 m2g-1的粉末活性炭为原料，以聚醋酸乙烯酯乳液为黏结剂，分别考察干燥温度、黏结剂添加量对成型活性炭的抗压强度、侧压强度、比表面积的影响，从而确定此次试验中最佳配方及处理条件。

成型活性炭；聚醋酸乙烯酯乳液；机械强度；比表面积

1.本研究的内容及意义

成型活性炭具有较高的堆密度与强度，且无粉尘污染[1]。其形状和尺寸是可以设计的，按照实际应用的需求，以特定的形状和尺寸，尽可能地节省空间，发挥活性炭的应用效力。成型活性炭的这些优点也使其在气体储存、水净化、气体净化、电极、双电层电容器、催化剂载体等方面得到了广泛的应用。其大单位体积表面积，使其作为吸附剂，将会在气体储存特别是在煤层气中富集甲烷的应用中有着广阔的市场和前景。[2]

聚醋酸乙烯酯乳液是一种以水为分散介质的乳液型胶粘剂, 不仅属于环保无污染型产品, 而且还具有生产成本较低, 粘接强度高等特点, 在许多领域都得到了应用。[3]

2.实验部分

本实验选用的试剂和设备如下：粉末活性炭为比表面积约为1090 m2g-1，黏结剂为聚醋酸乙烯酯乳液，炭化炉为四川东风仪器厂生产的电子炉，测量机械强度选择的仪器为姜堰市银河仪器厂生产的YHKC-2A 型颗粒强度测定仪，测量比表面积的仪器为北京市北分仪器系统公司产的ST－03A型比表面积孔径测定仪。

2.1 活性炭

本实验所选用的活性炭为自制的活性炭，比表面积约为1090 m2g-1，堆积密度为0.2777g/ml，其性质如表2.1所示。

表2.1 粉末活性炭性质

2.2 实验所用药品

本实验选用的聚醋酸乙烯酯乳液为映辉胶业有限公司出产的产品，牌号为BRJ-3904。质量指标如下：固含量39.0±2.0%，黏度≥4.0，PH 值4～6。

实验选用无水乙醇为广东光华化学厂有限公司出产的化学纯试剂，相对密度为0.79。

2.3 成型活性炭的制备

本实验所采用的活性炭成型工艺流程如图2.1。

图2.1 成型活性炭制备的工艺流程图

考察以聚醋酸乙烯酯乳液为黏结剂时不同条件对成型产品性能的影响具体实验操作顺序如下：

（1）称量约4克的粉末状活性炭，将其烘干；

（2）分别称取质量分率为10%，15%，20%，25%，30%，35%的聚醋酸乙烯酯乳液，添加约3ml的水，并充分搅拌，使其均匀；

（3）与活性炭混合，搅拌均匀；

（4）用压片机将它们的混合物压成颗粒状；

（5）在100℃，150℃，200℃，250℃，300℃条件下分别进行炭化60min；

（6）考察所得成型产品的机械强度和比表面积。

图3.1 不同粘结剂添加量对所得成型产物抗压强度的影响

图3.2 不同粘结剂添加量对所得成型产物径向强度的影响

2.4 成型活性炭机械强度的测定

将炭化后的成型活性炭经姜堰市银河仪器厂生产的YHKC-2A 型颗粒强度测定仪进行强度的测定，分别测定其抗压强度和径向强度。

2.5 成型活性炭比表面积的测定

通过ST－03A型比表面积孔径测定仪对成型活性炭的比表面积进行测定，以氮气为吸附质，在液氮温度下（77K）进行吸附，由BET方程计算比表面积。成型后比表面积的损失情况以活性炭的比表面积收率来衡量。

定义活性炭的比表面积收率：

3 实验结果与讨论

以聚醋酸乙烯酯为黏结剂时不同条件对所得成型产品性能的影响

3.1 不同黏结剂添加量对所得产品性能的影响

以处理温度为100℃时制得的成型产品为例，考察不同黏结剂添加量对所得成型产物抗压强度的影响，见图3.1。以处理温度为100℃时制得的成型产品为例，考察不同黏结剂添加量对所得成型产物径向强度的影响，见图3.2。

以处理温度为100℃时制得的成型产品为例，考察不同黏结剂添加量对所得成型产物比表面积的影响，见图3.3。

图3.3 不同粘结剂添加量对所得成型产物比表面积的影响

图3.4 不同干燥处理温度对所得产品抗压强度的影响

由图3.1、图3.2、图3.3可知，在相同干燥处理温度的条件下，随黏结剂添加量的不断增加，所得成型产品的抗压强度、径向强度的变化趋势为不断增强，所得产品的比表面积的变化趋势为不断下降。但当黏结剂添加量为30%时，所得成型产品的抗压强度、径向强度、比表面积均与黏结剂添加量为20%时所得成型产品的抗压强度、径向强度、比表面积相近，不符合整体变化趋势。因为当黏结剂添加量达到百分之三十时，黏结剂颗粒之间开始连接。互相连接的黏结剂颗粒间形成空隙，从而产生新的孔径结构，使得所得成型产品的比表面积相较黏结剂添加量为25%时所得成型产品的比表面积反而有所上升，同时其抗压强度、径向强度反而有所下降。[4,5]

3.2 不同干燥处理温度对所得产品性能的影响

以黏结剂添加量占所得成型产品的百分比为15%时制得的成型产品为例，考察不同干燥处理温度对所得产品抗压强度的影响，见图3.4。以黏结剂添加量占所得成型产品的百分比为15%时制得的成型产品为例，考察不同干燥处理温度对所得产品径向强度的影响，见图3.5。

以粘结剂添加量占所得成型产品的百分比为15%时制得的成型产品为例，考察不同干燥处理温度对所得产品比表面积的影响，见图3.6。

由图3.4、图3.5、图3.6可知，随干燥处理温度的上升，所得成型产品的抗压强度、剪切强度的变化趋势为不断下降，所得产品的比表面积的变化趋势为不断上升。因为在热处理过程中，聚醋酸乙烯酯分子链断裂、分解，使得活性炭被堵塞的部分孔道打开。

4.小结

图3.5 不同干燥处理温度对所得产品径向强度的影响

图3.6 不同干燥处理温度对所得产品比表面积的影响

本实验以自制的比表面积约为1090 m2g-1煤质粉末活性炭为原料，使用的黏结剂为聚醋酸乙烯酯，考察了在聚醋酸乙烯酯添加量，不同的炭化温度等条件下，成型后的活性炭机械强度和比表面积的变化情况；考虑到黏结剂添加量和处理温度对强度、比表面积、操作难度、经济条件等各方面的影响，确定此次试验中最佳配方及处理条件为：粉末活性炭为120～160目，聚醋酸乙烯酯添加量为20%，干燥处理温度为100℃，干燥处理时间为60min。在此条件下得到的成型产品性能为：抗压强度11.022Mpa、径向强度9.043N/cm、比表面积为所用粉末活性炭的86.70%。

本实验配方的优势：①不需高温处理，操作简单，节约能源。在目前已知的应用于活性炭成型领域的黏结剂中，酚醛树脂需经过800℃高温的炭化处理，羧甲基纤维素也需要在200℃以上处理使其发生交联反应。[6]②成本低廉。相对于同样不需高温处理即可应用于活性炭成型领域的聚乙烯醇缩丁醛，聚醋酸乙烯酯的价格仅为其的10%～20%，有利于大规模推广应用。③无毒无害，不污染环境。且因近年来聚醋酸乙烯酯在木材市场的大量应用，来源十分广泛。所得成型产品不仅具有较好的机械强度，且比表损失率较低。

[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]陈进富, 刘晓君.冯英明.黏结剂对天然气型炭吸附剂的作用机理研究[J]. 天然气工业.2004, 24(12): 108-110

[5] 左宋林, 高尚愚, 周建斌. 活性炭及基材种类对活性炭成型物性能的影响[J].南京林业大学学报.2000, 24(2):55-59

[6] 高尚愚, 安部郁夫, 周建斌，等. 胶接过程对活性炭孔隙结构影响的研究[J].林产化学与工业. 2000, 20(3): 60-63

[7] 李建刚. 成型活性炭的制备及其甲烷吸附性能的研究[D]. 山西：中国科学院山西煤炭化学研究所.2004

孔祥波，男，甘肃永靖人，1974年生，本科，硕士，酒泉职业技术学院化学工程系讲师，主要从事化工专业工科化学及化工仪表及自动化教学。