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各种烟煤原料制成的活性炭孔结构有什么不同?

作者:宁夏永瑞达炭素有限公司 日期:2020年8月22日

烟煤对活性炭孔结构的影响

  我国将干燥无灰基挥发分大于10%37%,并且恒湿无灰基高位发热量Qgr,maf>24MJ/kg的煤定为烟煤,镜质组平均较大反射率为0.5%~2.5%,变质程度从高到低依次划分为贫煤、贫瘦煤、瘦煤、焦煤、肥煤、1/3焦煤、气肥煤、气煤、1/2中黏煤、弱黏煤、不黏煤、长焰煤。

烟煤活性炭

  贫煤、贫瘦煤和瘦煤

  贫煤、贫瘦煤和瘦煤是变质程度较高的3种烟焦煤、肥煤、1/3焦煤、气肥煤和气煤属于中等煤,Vdaf均为10%~20%, 镜质组平均较大反射率为1.6%~2.5%,基本没有或略有黏结性。在活性炭行业,很少用此3种煤单独制备产品。曾对双鸭山贫煤生产活性炭进行了工艺研究,通过物理活化制得的活性炭样品碘值达到1000mg/g以上,可用于水处理、溶剂回收及防毒面具等。利用山西贫瘦煤同样制备出了碘值1000mg/g以上、用于抗菌的活性炭。单独用这3小类烟煤制成的活性炭仍以小于2nm的微孔为主,但直径为2~10nm的中孔孔隙也较发达。

  焦煤、肥煤、1/3焦煤、气肥煤和气煤

  焦煤、肥煤、1/3焦煤、气肥煤和气煤属于中等变质程度的烟煤,镜质组平均较大反射率为1.7%,黏结指数一般为50以上,具有很强的黏结性。强黏结性烟煤在400℃附近显示出热的可塑性,炭化过程属于液相炭化,粒子间相互融合,形成中间相,挥发分逃逸时形成圆形气孔,在加热处理过程中,随温度升高,微晶相互间的排列方式是整齐的,并且和轴向一致,较终形成高度有序的微晶排列,形成取向性好,各向异性,易石墨化的炭素前驱体,显示出低孔隙率。黏结性越强,炭化产物的光学各向异性组织越多,易石墨化炭的含量比例越大,石墨化度越高,越不适于制备活性炭,所以用这些煤种单独制备活性炭有很大的工艺难度。

烟煤活性炭

  采用挥发分35%~38%,灰分6%~8%的美国黏煤(相当于我国1/3焦煤和主焦煤之间的过渡煤种)通过压块成型的方式生产活性炭,其典型产品平均孔直径2.42nm,中孔率11.29%,含丰富大中孔且微孔发达。

  利用气肥煤配合无烟煤通过物理活化法制得了中孔率47.22%、平均孔径2.93nm的中孔发达活性炭,说明了气肥煤有使无烟煤质活性炭孔隙结构向中大孔发展的作用。强黏结性煤单独制备活性炭的商业价值低且工艺难度较大,与无烟煤质活性炭相比,强黏结性煤制得的活性炭苯吸附指标高,具有较大比例的中孔结构。

  1/2中黏煤、弱黏煤和不黏煤

  1/2中黏煤、弱黏煤和不黏煤是变质程度较低的3种烟煤,Vdaf为20%~37%,镜质组平均较大反射率为0.9%,黏结性较弱。这3种低变质程度的烟煤,因煤中纤维素炭、丝炭含量较多,加热时比较容易形成微晶的杂乱排列和较多的孔隙结构,在生产过程中不需特别加工,是制备活性炭的优质煤种。尤其以山西大同的弱黏煤较为适合,具有低灰、高反应性、易加工等特点,原始孔隙结构中的大中微孔分配适中,可生产出高性能的原煤破碎活性炭和压块活性炭,适用于饮用水的深度处理。

  对以大同弱黏煤为原料制得的压块活性炭进行研究,发现样品的碘值大于1100mg/g,亚甲蓝值大于250mg/g,中孔率12%以上,平均孔径1.966nm,且综合性能优良,属于兼顾微孔和中孔的活性炭产品,适宜于高端液相吸附净化领域。

烟煤活性炭

  长焰煤

  长焰煤的干燥无灰基挥发分Vdaf>37%,镜质组平均较大反射率为0.65%,是变质程度较低的烟煤,部分性质接近褐煤。我国有丰富的长焰煤资源,主要分布于内蒙古、陕西、新疆等东北、华北和西北赋煤区。

  近年来,由于新疆、陕西各大富含高品质长焰煤煤田的开发利用,长焰煤在活性炭行业的用量越来越大。陕西神木、府谷地区的活性炭企业采用神府-东胜煤田长焰煤为原料制造压块活性炭;神华集团于2014年开始主要利用新疆长焰煤生产压块活性炭,孔结构相关指标碘值大于1100mg/g,亚甲蓝值大于215mg/g。以神木长焰煤制得的压块活性炭平均孔径3.4429nm,具有2~35nm相对充分发育的中孔孔隙,而微孔孔径主要集中在0.9nm左右。并且将胜利煤、灵武煤、神木煤、大同煤、太西煤为原料煤制得活性炭SL-AC、LW-AC、SM-AC、DT-AC、TX-AC的孔容积进行对比,如图1所示。

不同活性炭孔径分布

  以长焰煤为原料可以获得中孔和微孔同时发达的中孔型活性炭产品,适用于有机废水的深度净化。对烟煤而言,随着变质程度由高到低,活性炭孔结构中的中孔逐渐发达,与无烟煤质活性炭微孔为主形成明显区别。