一种活性炭-改性蒙脱土复合吸附材料及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种活性炭‑改性蒙脱土复合吸附材料及其制备方法和应用，该复合吸附材料采用改性蒙脱土，粉末活性炭，特种纤维，非水溶性阻燃剂等制备而成，不仅降低了材料成本，还具备良好的阻燃效果，使复合吸附材料兼具了粉末活性炭、改性蒙脱土、特种纤维和非水溶性阻燃剂的优点，具有疏水性好、阻燃性高、热稳定性好、化学稳定性好、孔隙结构发达、比表面积大、机械强度高和不易粉化等特性，本发明工艺简单，可自由地加工成不同形状的纤维制品，在固定床吸附和转轮吸附应用中具有吸附能力强、可原位再生和循环使用、吸/脱附速率快、压降小和安全性高等优点。

权利要求

1.一种活性炭‑改性蒙脱土复合吸附材料，其特征在于：由以下成分组成：特种纤维，粉末活性炭，改性蒙脱土，木浆纤维，非水溶性阻燃剂和胶黏剂；所述复合吸附材料的制备步骤为：称取2.54g打浆度为72°SR木浆纤维，1.39g直径10μm、长度6mm的特种纤维，0.39g壳聚糖，4.22g改性蒙脱土，2.62g粉末活性炭，1.5g偏磷酸铝，15.8kg水，各组分混合后用搅拌器进行分散45分钟；将分散均匀后的混合物料放入带有过滤网的成型机上，滤水成平面状材料，进行烘干定型；将平面状材料在高温状态下加工成瓦楞状，然后将平面状和瓦楞状材料通过胶黏剂粘贴制成单面瓦楞材料，再将单面瓦楞材料制成蜂窝状复合吸附材料；所述特种纤维为玄武岩纤维。

2.权利要求1所述的活性炭‑改性蒙脱土复合吸附材料应用在VOCs废气的吸附净化处理。

说明书

一种活性炭‑改性蒙脱土复合吸附材料及其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种活性炭‑改性蒙脱土复合吸附材料及其制备方法和应用。

背景技术

[0002] VOCs（volatile organic compounds）挥发性有机物，是指常温下饱和蒸汽压大于70Pa、常压下沸点在260℃以下的有机化合物。常规的VOCs净化方法主要包括：吸附法、燃烧
法、吸收法、冷凝法、生物法等，其中吸附法具有工艺成熟，易于操作、能耗低、成本低廉和去
除率高等优点，被广泛用于低浓度、大风量的VOCs处理。

[0003] 活性炭是最为经典和常用的VOCs吸附剂。活性炭孔穴丰富、比表面积大、吸附能力强、具有较好的广谱适用性，但其存在阻燃性差、易粉化、再生困难等问题，大部分厂家选择
使用后直接废弃，导致处置成本高，特别是用热空气再生过程中易发生火灾，不符合当前的
安全生产要求。

[0004] 蒙脱土是膨润土的主要成分，是一种层状硅酸盐，作为VOCs吸附剂有以下优点：（1）储量大，价格低廉；（2）改性蒙脱土疏水性好、比表面积大；（3）不燃且孔隙结构丰富，在
VOCs废气处理方面具有广阔的使用空间。

发明内容

[0005] 本发明方法所要解决的技术问题是，针对现有技术中存在的不足，提供一种活性炭‑改性蒙脱土复合吸附材料及其制备方法，兼具了特种纤维、粉末活性炭和改性蒙脱土的
优点，具有疏水性好、阻燃性高、热稳定性好、化学稳定性好、孔隙结构发达、比表面积大、机
械强度高和不易粉化等特性，特别应用于大风量、低浓度VOCs废气的吸附净化处理。

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明是通过以下方式实现的：

[0007] 一种活性炭‑改性蒙脱土复合吸附材料的制备方法，由以下重量百分比的成分组成：特种纤维的重量百分比为2 18%，粉末活性炭18‑36%，改性蒙脱土18 36%，木浆纤维11
~ ~ ~
42%，非水溶性阻燃剂5 14%，胶黏剂3 17%，各组分之和为100%。
~ ~

[0008] 所述特种纤维的直径在6‑90μm，长度为4‑13mm，同时具有永久阻燃性。

[0009] 所述特种纤维选自玄武岩纤维、凯夫拉纤维。

[0010] 所述胶黏剂为聚乙烯醇、淀粉、壳聚糖的一种或多种。

[0011] 所述木浆纤维为针叶木浆和阔叶木浆中的一种或多种。

[0012] 所述非水溶性阻燃剂是磷酸三聚氰胺、磷酸铝、磷酸镁、偏磷酸铝、氢氧化镁、氢氧化铝中的一种或多种。

[0013] 所述改性蒙脱土为有机季铵盐改性蒙脱土、氨基酸改性蒙脱土、有机酸改性蒙脱土中的一种或多种。

[0014] 所述的活性炭‑改性蒙脱土复合吸附材料应用在VOCs废气的吸附净化处理。

[0015] 本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的复合吸附材料兼具了特种纤维、改性蒙脱土和粉末活性炭的优点，具有疏水性好、阻燃性高、热稳定性好、化学稳定性好、孔
隙结构发达、比表面积大、机械强度高、不易粉化等特性，可特别用于各类VOCs废气的吸附
净化处理。由于复合吸附材料特征尺寸小，VOCs气体扩散速度快，因而吸/脱附速率快；将单
面瓦楞状材料叠加在一起形成蜂窝状吸附材料，具有较低的气体阻力，大大降低了运行成
本。且原料来源广泛，工艺过程简单，可自由地加工成不同形态的纤维制品（毡、带、布等），
在固定床吸附和转轮吸附应用中具有吸附能力强、可原位再生和循环使用、吸/脱附速率
快、压降小等优点。

附图说明

[0016] 图1 复合吸附材料的电镜图；

[0017] 图2 蜂窝状复合吸附材料的结构示意图；

[0018] 图3 吸附脱附实验装置图。

具体实施方式

[0019] 下面对本发明做进一步的详细说明；

[0020] 以下实施例中，所使用的特种纤维为玄武岩纤维，来自于江苏康达夫新材料科技有限公司，该产品具有高强度、永久阻燃性、短期耐温在1000℃以上，可长期在760℃温度环
境下使用

[0021] 实施例1

[0022] 称取1.39g打浆度为42°SR木浆纤维，0.19g特种纤维（直径50μm、长度11mm），0.42g聚乙烯醇，4.93g改性蒙脱土，4.13g粉末活性炭，1.59g氢氧化镁，2.68kg水，各组分混合后
用搅拌器进行分散35分钟。将分散均匀后的混合物料放入滤水机上滤水成型并烘干得到产
品1。

[0023] 采用上述相同配方和工艺制备出两个对比产品，分别为对比产品2和对比产品3，其中对比产品2采用聚酯纤维替代特种纤维，对比3采用玻璃纤维替代特种纤维。对各产品
的物化性能进行检测；

[0024] 材料的抗张强度采用微电脑抗张强度测试仪测试，材料的层间结合力采用微电脑层间结合强度测试仪进行测试，材料的比表面积采用高性能比表面及微孔经分析仪进行测
试。

[0025] 表1 产品物化性能对比

[0026]   产品1 对比产品2 对比产品3抗张强度（N/m） 945 256 679
2
层间结合力（J/m） 37.5 23 28
阻燃等级（垂直燃烧性） 94V0 无阻燃性 94V1
2
比表面积（m/g） 645 602 589
热分解温度（℃） 303 240 249

[0027] 从表1的产品的性能结果可以看出，采用特种纤维制备的产品1与采用聚酯纤维制备的对比产品2或采用玻璃纤维制备的产品3相比，采用特种纤维制备的产品1可以大幅度
提高材料的机械强度（抗张强度和层间结合力）和热稳定性，且其对复合吸附材料的比表面
积影响相对较小。

[0028] 实施例2

[0029] 称取3.1g打浆度为34°SR木浆纤维，0.69g特种纤维（直径6μm、长度8mm），0.85g壳聚糖，5.08g改性蒙脱土，3.08g粉末活性炭，0.63g磷酸三聚氰胺，31.6kg水，各组分混合后
用搅拌器进行分散30分钟。将分散均匀后的混合料放入滤水机上滤水成型并烘干，得到产
品2。

[0030] 实施例3

[0031] 称取5.29g打浆度为51°SR木浆纤维，1.04g特种纤维（直径90μm、长度4mm），0.74g淀粉，2.48g改性蒙脱土，2.08g粉末活性炭，1.02g磷酸镁，18.2kg水，各组分混合后用搅拌
器进行分散20分钟。将分散均匀后的混合物料放入滤水机上滤水成型并烘干得到产品3。

[0032] 实施例4

[0033] 称取3.1g打浆度为66°SR木浆纤维，0.34g特种纤维（直径10μm、长度13mm），2.11g聚乙烯醇，4.1g改性蒙脱土，1.7g粉末活性炭，1.31g氢氧化铝，21.4kg水，各组分混合后用
搅拌器进行分散55分钟。将分散均匀后的混合物料放入滤水机上滤水成型并烘干得到产品
4。

[0034] 实施例5

[0035] 称取2.54g打浆度为72°SR木浆纤维，1.39g特种纤维（直径10μm、长度6mm），0.39g壳聚糖，4.22g改性蒙脱土，2.62g粉末活性炭，1.5g偏磷酸铝，15.8kg水，各组分混合后用搅
拌器进行分散45分钟。将分散均匀后的混合物料放入滤水机上滤水成型并烘干得到产品5。

[0036] 实施例6

[0037] 称取1.61g打浆度为60°SR木浆纤维，2.25g特种纤维（直径8μm、长度4mm），0.47g淀粉，5.09g改性蒙脱土，1.49g粉末活性炭，1.75g磷酸铝，29.6kg水，各组分混合后用搅拌器
进行分散30分钟。将分散均匀后的混合物料放入滤水机上滤水成型并烘干得到产品6。

[0038] 采用实施例1的方法，对各产品进行物化性能测定，具体结果如表2所示。

[0039] 表2产品物化性能结果对比

[0040] 　 产品2 产品3 产品4 产品5 产品6抗张强度(N/m) 1497 1692 1190 1895 2751
2
层间结合力(J/m) 60 67 54 76 87
阻燃性（垂直燃烧性） V1 V0 V0 V0 V0
2
比表面积(m/g) 620 410 503 587 562

[0041] 从表2的结果可以看出，特种纤维和非水溶性阻燃剂的复配使用量越大，吸附材料的阻燃性能和热稳定性越好；特种纤维的加入量越大，对材料的抗张强度和层间结合力提
高的越显著。可见，材料配方中特种纤维和非水溶性阻燃剂复配起到了良好的协同作用，可
提高材料的阻燃性能和强度指标，热气流再生时材料的安全系数高，扩展了材料的应用范
围。

[0042] 吸附性能测试

[0043] 将实施例2制备的产品2与由北京中天恒海环保科技公司提供的蜂窝活性炭进行吸附性能测试，具体实验方法和实验条件如下：

[0044] 吸附脱附试验装置如图3所示，整套装置主要包括电控制箱、空气过滤器、风机、加药泵、废气发生器、电加热管、流量计和固定床吸附器组成，主要采用的鼓泡法产生乙酸乙
酯气体，然后与干燥的空气混合，产生所需要的乙酸乙酯废气，反应器内的温度由热电偶将
探头伸入底部测得，反应器进出后乙酸乙酯的浓度采用气相色谱仪进行分析。

[0045] 吸附阶段，采用乙酸乙酯180 mg/m3的空气作为原料气分别进入装有蜂窝活性炭3
和产品2（如图3）的固定床反应器，实验风量为50m /h，吸附操作温度为25℃；脱附阶段时，
3
采用热空气脱附，风量调节为10 m /h，脱附温度通过电控制箱调节电加热器的开度来控
制，平均脱附温度为135℃。

[0046] 表3 蜂窝活性炭和产品2吸附应用实验结果

[0047]指标 蜂窝活性炭 产品2
穿透时间（min） 32 41
穿透吸附量（mg/g） 83 112
脱附用时（min） 23 19
压降（Pa/m） 4900 3900

[0048] 注：以出口浓度为进口浓度的5%时作为穿透点。

[0049] 由表3可知，与蜂窝活性炭相比，产品2具有更快的吸附脱附速率、更大的穿透吸附量和更小的压降。

[0050] 以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围
之内。