复合吸附剂及其制备方法技术

一种用地质聚合物、沸石和活性炭的混合物制备复合吸附剂的组合物，其中地质聚合物材料、含碳材料和碱活性剂是混合物的组分。碱活性剂与含碳材料的固体质量比至少为0.25:1。通过混合、成型、挤压等常规方法利用该组合物来制备成型复合吸附剂的工艺。碱活化将含碳材料转化为活性炭，然后水热处理将地质聚合物材料转化为沸石。由本发明专利技术的组合物制成的成形复合吸附剂用于液体和气体的吸附、纯化或其他分离应用。

【技术实现步骤摘要】
复合吸附剂及其制备方法专利
本专利技术涉及一种复合吸附剂组合物及其制备工艺。更具体地，所述复合吸附剂组合物和制备工艺涉及混合、成型、碱活化和水热处理一种由地质聚合物材料、含碳材料、碱活化剂组成的混合物，来生产形状和尺寸适合于吸附应用的由沸石和活性炭组成的复合吸附剂。
技术介绍
随着全球工业化程度的提高，化学、制药、纺织、农业和许多其他行业都在大量生产重金属、有机化合物和农药等有害污染物。由于这些污染物对环境和健康构成严重威胁，环境法规要求在将其排入环境或再利用之前将其从废水等废物流中去除。吸附法具有效率高、吸附容量大、运行费用低等优点，是去除废水中污染物最为理想的方法。沸石和活性炭是目前应用最广泛的污染物去除吸附剂。沸石是由SiO4和AlO4四面体结合而成的多孔结晶铝硅酸盐。它们有一个开放的结构框架，有许多通道和相互连接的空隙，其孔道尺寸通常在0.3-1纳米范围内。这些通道被阳离子和水分子占据。框架中的每一个AlO4四面体都带了一个由阳离子平衡的净负电荷。当含离子的水溶液通过孔道和空隙时，该阳离子能够可逆地与其他带相同电荷的离子交换。因此，沸石对重金属、铵等无机污染物具有很好的吸附性能，即使在百万分之几(ppm)或更高的浓度下，也具有很高的离子交换容量。沸石被广泛用于各种用途，包括分离和吸附过程。在液体和气体应用的连续工艺过程中，通常使用粒状沸石来实现低压降、便于操作和再生以及较长的使用寿命。虽然沸石是优良的无机污染物吸附剂，但由于沸石孔道尺寸较小(0.3-1纳米)，且大多数沸石材料具有亲水性，因此在去除有机物特别是大个的有机物方面的效果较差。另一方面，活性炭通常具有从约一纳米到几微米的大尺寸孔隙，并且是疏水性的。典型的活性炭的表面积为每克几百平方米，可以积聚大量的污染物分子。活性炭具有比表面积大、孔径分布广、表面活性高的特点，对有机物包括大个的芳香族烃的去除非常有效。然而，与沸石相比，活性炭对无机污染物的吸附效率较低，通常不用于处理高浓度无机污染物的废物流。活性炭有多种类别，包括粉状活性炭(PAC)、颗粒活性炭(GAC)和挤出成型活性炭(EAC)。PAC是一种粒度主要小于0.18毫米的粉状活性碳(美国网目尺寸80)，而GAC和EAC是粒度在0.2到5毫米之间的颗粒或圆柱体。PAC通常用于脱色、食品加工和医药等领域。GAC常用于气相和液相应用的连续工艺过程，而EAC最常用于气相应用。与PAC相比，GAC或EAC等成型活性炭具有压降低、再生性好、可重复使用、硬度高、磨损小等优点。为了提高在处理含有无机和有机污染物的复杂废水时对污染物的吸附性能，沸石与活性炭吸附剂串联组成混合吸附剂系统用于工业应用。使用这样的系统会导致更大的系统占地面积，增加系统成本，以及延长处理时间。一种方法是将沸石和活性炭结合在一个吸附材料系统中。然而，迄今为止，这些形成这样一个组合系统的尝试都有缺点或其他困难，包括成本高、粘合剂堵塞吸附剂孔通道、机械强度低等。下面提供了这种组合系统的几个例子。Foo等人在“TheEnvironmentalApplicationsofActivatedCarbon/ZeoliteCompositeMaterials(活性炭/沸石复合材料的环境应用)”，AdvancesinColloidandInterfaceScience(胶体与界面科学进展),2011，162，22-28，综述了目前用于制备沸石和活性炭复合吸附剂的常用方法。制造沸石和活性碳复合吸附剂的最常见方法是使用预先生产的沸石作为一种材料组分，使用活性炭或含碳前体材料(如有机聚合物)作为另一种材料组分。粘合剂通常用于成型和/或为最终吸附剂产品提供机械强度。使用预先生产的沸石和/或预先生产的活性炭会导致复合吸附剂的高成本。Boxley等人在公开的美国专利申请US2013/0312668A1中，讲授了一种通过混合包含火山灰、碱性活化剂和水的混合物成分，以启动地质聚合反应，形成凝聚混合物，并将凝聚混合物收集做为吸附剂的制备吸附剂材料的方法。其可进一步添加其他成分，包括沸石和活性炭。预先制备的沸石和活性炭被用于制备该吸附材料。沸石或活性炭均非在该吸附材料中原位生成。中国专利申请书CN101053826A介绍了一种地质聚合物吸附剂的制备方法，包括三种组分：地质聚合物材料、固体吸附介质和金属氯化物介质(如CaCl2、SrCl2、MgCl2等)。固体吸附介质包括沸石和活性炭。预先制备的沸石和活性炭被用作固体吸附介质来制备吸附材料。沸石或活性炭均非在该吸附材料中原位生成。Jha等人在“SorptionPropertiesofTheActivatedCarbon-ZeoliteCompositePreparedFromCoalFlyAshForNi2+,Cu2+,Cd2+andPb2+(粉煤灰制备的活性炭沸石复合材料对Ni2+、Cu2+、Cd2+和Pb2+的吸附性能)”，JournalofHazardousMaterials(有害物质杂志)，2008，160，148-153中，教授了一种用含有粉煤灰和未燃烧残炭的粉煤灰制备沸石和活性炭复合吸附剂的方法。将粉煤灰与氢氧化钠熔融，研磨后经水热处理形成沸石。因此，所生成的沸石和活性碳复合材料是粉末状的，与成形吸附剂相比该复合材料不适合用于液体或气体分离应用的连续吸附过程。Ma等人在“CO2AdsorptiononZeoliteX/ActivatedCarbonComposites(X型沸石/活性炭复合材料上的二氧化碳吸附)”，Adsorption(吸附),2012，18，503-510中，教导了使用富含高岭石的煤矸石、二氧化硅和沥青粉的混合物制造沸石和活性炭复合材料的方法。将混合物挤出成圆柱形，然后在850℃下进行两步物理活化过程，包括在氮气中碳化和在二氧化碳中活化。活性样品经水热处理后形成沸石，制备沸石-活性炭复合颗粒。因此，迄今为止，这些形成这样一个组合系统的尝试都有缺点或其他困难，包括：由于使用预先生产的沸石和活性炭而导致的材料成本过高，由于两步高温物理活化过程而导致的生产成本过高，粘合剂堵塞了吸附剂的孔通道，缺乏适用于连续吸附过程所需的吸附剂形状和尺寸，机械强度低等。显然，高性能,低成本,及具有理想的形状和尺寸的沸石和活性碳复合吸附剂生成工艺是当前需要的。
技术实现思路
为了解决单种沸石和活性炭吸附剂在处理含有无机和有机污染物的复杂废物流中的吸附局限性，需要一种新型的沸石和活性炭复合吸附材料将单种沸石和活性炭吸附剂的优点结合起来，以有效地去除无机和有机污染物。组合两种不同表面性质和孔结构的吸附材料，如沸石和活性碳复合吸附剂，为去除废水中的无机和有机污染物提供了一种多用途和有效的吸附解决方案。本专利技术描述了一种实现这种组合吸附材料的方法。使用廉价的沸石和活性炭前体材料，通过有效的成型工艺生产出具有良好强度的成型吸附剂，然后使用混合物成分中包含的活化剂进行简单的一步化学活化来原位生产活性炭，然后进行水热处理来原位合成沸石以形成成型沸石-活性碳复合吸附剂是当前本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生产具有组分为地质聚合物、沸石和活性炭的复合吸附剂的方法，包括：/n(a)混合地质聚合物材料、含碳材料和碱活化剂，其中所述碱活化剂与含碳材料的固体质量比至少为0.25:1，以产生糊状混合物，其中所述糊状混合物具有均匀的组成和成形所需的流变性，/n(b)使用包括造粒或挤出在内的常见的吸附剂成型方法制造所述糊状混合物，以形成具有用于吸附过程的合适尺寸的颗粒或球丸组合物，/n(c)根据需要在环境温度下或通过加热来固化所述颗粒或球丸组合物以增加强度，/n(d)将颗粒或球丸组合物中的含碳材料在惰性气体中，在大于约400℃的温度下，使用所述组合物中存在的碱活化剂进行化学活化，以原位生成活性炭，/n(e)将组合物进行水热处理以将部分地质聚合物转化以原位生成沸石并形成所述复合吸附剂，以及/n(f)将所生成的复合吸附剂进行洗涤和干燥。/n

【技术特征摘要】
20190301 US 62/812,4301.一种生产具有组分为地质聚合物、沸石和活性炭的复合吸附剂的方法，包括：
(a)混合地质聚合物材料、含碳材料和碱活化剂，其中所述碱活化剂与含碳材料的固体质量比至少为0.25:1，以产生糊状混合物，其中所述糊状混合物具有均匀的组成和成形所需的流变性，
(b)使用包括造粒或挤出在内的常见的吸附剂成型方法制造所述糊状混合物，以形成具有用于吸附过程的合适尺寸的颗粒或球丸组合物，
(c)根据需要在环境温度下或通过加热来固化所述颗粒或球丸组合物以增加强度，
(d)将颗粒或球丸组合物中的含碳材料在惰性气体中，在大于约400℃的温度下，使用所述组合物中存在的碱活化剂进行化学活化，以原位生成活性炭，
(e)将组合物进行水热处理以将部分地质聚合物转化以原位生成沸石并形成所述复合吸附剂，以及
(f)将所生成的复合吸附剂进行洗涤和干燥。


2.根据权利要求1所述的方法，其中(a)中的所述地质聚合物材料是一类硅酸铝无机聚合物，其具有由SiO4和AlO4四面体组成的无定形三维网络。


3.根据权利要求1所述的方法，其中(a)中的所述地质聚合物材料包含铝硅酸盐源、碱硅酸盐活化剂及载液。


4.根据权利要求1所述的方法，其中(a)中的所述含碳材料是煤、石油焦、木炭、石油沥青、木材、竹子、椰子壳、褐煤、稻壳、废橡胶轮胎或生物质。


5.根据权利要求1所述的方法，其中(a)中的所述碱活化剂是碱金属或碱土金属氢氧化物或盐。


6.根据权利要求5所述的方法，其中碱金属氢氧化物是氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化锂中的至少一种。

【专利技术属性】
技术研发人员：J·J·蔡，J·J·刘，
申请(专利权)人：诺和锐驰科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US