專(zhuān)利名稱(chēng)：從固體中移除雜質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從固體移除雜質(zhì)，詳而言之，本發(fā)明涉及一種利用離子交換從固 體移除雜質(zhì)的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在工業(yè)中所需的各種材料與組件是呈或必須呈固體狀且含有污染物與雜質(zhì)， 而純化固體以移除雜質(zhì)是一復(fù)雜且通常昂貴的工程，通常對(duì)于達(dá)到其最終用途所需 的標(biāo)準(zhǔn)是重要的。此外，各種工業(yè)工程也需要分離混合物且回收在化學(xué)反應(yīng)的催化 作用中的珍貴物質(zhì)。碳是在工業(yè)中使用的一種固體且本發(fā)明應(yīng)被解釋為參考移除雜 質(zhì)或純化碳作為例子。
即使決定了該雜質(zhì)的來(lái)源，移除或避免該雜質(zhì)并不一定是實(shí)際可行的。這通 常是因?yàn)樘幚沓杀镜木壒剩沟迷摴こ滩⒉荒芙?jīng)濟(jì)地實(shí)施；或有時(shí)是因?yàn)槿鄙龠m當(dāng) 的處理技術(shù)的緣故。雖然分離或分類(lèi)以移除或減少如碳等在固體中的雜質(zhì)已利用空 氣或干燥系統(tǒng)完成了 ，但是這些方法通常會(huì)在所處理的碳中造成缺陷或不一致。
純化碳涉及移除或分離大部分來(lái)自如進(jìn)料、催化劑、添加劑、水等原料；及 如銹與積始等制造冶金。雜質(zhì)來(lái)自各種包括雜質(zhì)原料和/或制造條件等因素，且進(jìn)
料是一種典型的雜質(zhì)來(lái)源，例如，在制造爐碳黑時(shí)所使用的流體化催化裂解器(FCC)
油會(huì)包含在煉油業(yè)中使用且保留在碳中的催化劑。
碳的一般特征在于其大部分是元素碳C12的事實(shí)，且C12的量超過(guò)99.9重量y。。 但是，有時(shí)元素碳的含量會(huì)低很多，這會(huì)破壞最終工業(yè)產(chǎn)品的價(jià)值。此外，純化或 增加元素碳的含量以達(dá)到應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)與要求通常是不可避免的。例如，如彈性系數(shù)、 拉伸強(qiáng)度、及伸長(zhǎng)率等物理強(qiáng)度；以及如顏色色澤、暗度、底色、色度、導(dǎo)電與導(dǎo) 熱性、UV防護(hù)、EMI屏蔽、靜電荷散逸、補(bǔ)強(qiáng)及催化作用等功能性質(zhì)；使用壽命 等會(huì)受到元素碳的減少與雜質(zhì)的存在的影響。
在如碳等固體雜質(zhì)包括，例如H+、 Li+、 Na+、 K+、 NH4+、 Rb+、 Cs+、 Ag+、 Ti+、 Ba2+、 Ni2+、 Fe2+、 Fe3+、 Ca2+、 Mg2+、 Zn2+、 Co2+、 Cu2+、 Sr2+、 Pb2+、 Cd2+、
OH-、 r、 NO" HS(V、 HSCV、 BrO" CKV、 HC(V、 HSiO" Br、 CN-、 N02-、
CU、 KV、 F、甲酸鹽、苯、磺酸鹽、水楊酸鹽、醋酸鹽、丙酸鹽、檸檬酸鹽及酚 土卜
離子交換器或利用離子交換原理已被大量使用在水工業(yè)中以從水中純化或分 離出不必要的離子，以達(dá)到如飲用等特定的目的，或供藥物、化學(xué)藥品、原子與汽 電共生工廠(chǎng)等應(yīng)用。此外，離子交換也已被使用在其它工業(yè)上以達(dá)到各種目的，例 如，吸收特定離子、酸純化、酸阻滯、移除酸以進(jìn)行腐蝕控制、糖加工、飲料加工、 有機(jī)反應(yīng)的催化、堿純化、色層分離、冷凝物精加工、精純化學(xué)藥品、從甲醛移除 甲酸、移除抑制劑與穩(wěn)定劑、離子阻緩、金屬控制、礦物加工、采礦、從地下水移 除鐳、移除鹽類(lèi)、移除微量污染物、及生產(chǎn)超純化藥品。
離子交換的原理到目前為止尚未被應(yīng)用于移除雜質(zhì)或純化固體。此外，離 子交換的原理尚未被應(yīng)用于移除雜質(zhì)或純化碳。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種利用離子交換從固體移除雜質(zhì)的方法及系統(tǒng)。 本發(fā)明涉及一種從固體移除雜質(zhì)的方法，包含形成一具有該固體的溶液，使
該溶液通過(guò)一離子交換器，使得至少一些存在于該溶液中的雜質(zhì)被該離子交換器保
留，并且從該離子交換器回收該溶液。由該離子交換器所回收的溶液可被過(guò)濾和干
燥，以獲得至少一些雜質(zhì)已從其中被移除的固體。
本發(fā)明也提供一種離子交換系統(tǒng)，它包含多個(gè)包括一中或多種功能性離子
樹(shù)脂的離子組件；且具有多個(gè)使該固體溶液可以均勻地分散在整個(gè)離子組件或
樹(shù)脂中的配件與零件。


附圖顯示了本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，且與以下詳細(xì)說(shuō)明一起說(shuō)明本發(fā)明的原理。
圖1顯示了一種依據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的用以移除在固體中的雜質(zhì)的系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
為了更加了解本發(fā)明的原理，以下將參照在附圖中所示的實(shí)施方式且將使用 特定的語(yǔ)言加以說(shuō)明。但是，在此應(yīng)了解的是，本發(fā)明的范圍不應(yīng)因此而受到限制， 且由于發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者通常可以了解，故可在所示裝置中進(jìn)行 變更與進(jìn)一步修改，且在此所示的本發(fā)明原理也可進(jìn)一步加以應(yīng)用。
發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者應(yīng)可了解前述一般性說(shuō)明及以下詳細(xì)說(shuō) 明僅是本發(fā)明的舉例與說(shuō)明，且不會(huì)限制本發(fā)明。本發(fā)明已說(shuō)明一種從碳移除雜質(zhì) 的方法，但對(duì)于發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者顯而易見(jiàn)的是本發(fā)明可應(yīng)用于 任何固體。
本發(fā)明涉及從固體移除雜質(zhì)且已說(shuō)明從碳移除雜質(zhì)作為例子，特別地，本發(fā) 明說(shuō)明了一種利用離子交換從固體移除雜質(zhì)的方法及系統(tǒng)。該雜質(zhì)是由先形成該固 體溶液，接著使該固體溶液通過(guò)一保留該雜質(zhì)的離子交換系統(tǒng)而被移除。該溶液使 存在于固體中的雜質(zhì)可更佳地接觸一離子交換系統(tǒng)的樹(shù)脂。
在此所稱(chēng)的溶液包括由混合固體與一適當(dāng)液體介質(zhì)所形成的懸浮液、膠體、 漿液，且該溶液可具有或沒(méi)有化學(xué)藥品的輔助。
本發(fā)明可應(yīng)用于所有固體。在此例子中，本發(fā)明可應(yīng)用于任何一種碳，包括 多種在不同工業(yè)中的碳，例如非晶質(zhì)碳黑、副產(chǎn)物碳、碳纖維、碳微絲、單壁納
米管(SWNT)、多壁納米管(MWNT)、天然石墨、人造石墨、石墨化非晶質(zhì)碳、活 性碳、人造鉆石、骨黑、由廢棄輪胎回收的焦碳黑、以及飛灰碳。不同碳種類(lèi)由各
種工程制成，例如熔爐工程、通道工程、氣體工程、熱工程、乙炔工程、電漿、及其它石油化學(xué)工程。
一固體溶液由混合該固體與任何適當(dāng)液體所形成，且最好也包括一懸浮助劑。
所述懸浮助劑可以是酸、堿、乙醇、乙酸酯、陰離子表面活性劑或非離子表面活性 劑中的一種或其組合，并且以使用一非離子表面活性劑作為一懸浮助劑較佳。
較佳地，用以形成該固體溶液的液體是水。該水可以是生水或去礦質(zhì)水，但 以使用去礦質(zhì)水較佳。
固體在該溶液中的比例最好是在0.5至10重量％的范圍內(nèi)，但是，本發(fā)明也可
以更大的固體比例來(lái)實(shí)施。
該固體溶液由將該固體與懸浮助劑一起添加至一液體中且將其徹底混合以產(chǎn)
生一均質(zhì)溶液而形成，例如，將每ASTM D1765的2kg碳黑N330與40加侖水及一非 離子表面活性劑一起混合，且使用一高剪力葉輪混合器以1800rpm混合30分鐘。
如此形成的固體溶液可更完全地分散在該離子交換器的離子組件床中，且因 此確保更佳地移除雜質(zhì)。形成該固體溶液也可增加在該離子交換器中如樹(shù)脂等離子 組件與在該等固體中的雜質(zhì)間的接觸。
如此形成的固體溶液通過(guò)一離子交換器，且為了達(dá)到該固體溶液與該離子交 換器的離子組件的較佳混合，最好在該離子交換器內(nèi)產(chǎn)生該固體溶液的切向、螺旋、 渦旋或攪拌流。在該離子交換器內(nèi)的固體溶液的切向、螺旋、渦旋或攪拌流可以在 有或沒(méi)有使用壓縮空氣或利用任何適當(dāng)裝置的情形下以各種方式產(chǎn)生。例如，該切 向流可以將該固體溶液由該離子交換器的側(cè)邊導(dǎo)入而產(chǎn)生?；蛘?，該切向、螺旋、 渦旋或攪拌流可以將該固體溶液由該離子交換器的側(cè)邊導(dǎo)入且由底部導(dǎo)入壓縮空 氣而產(chǎn)生。如此導(dǎo)入的空氣將經(jīng)由一或多個(gè)于其上具有輪廓切紋的分配器進(jìn)入該離 子交換器，并產(chǎn)生一渦流。并且，這輪廓最好是呈螺旋狀。
同樣地，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，該壓縮空氣也可由該離子交換器的側(cè)邊導(dǎo)入且 該固體溶液由底部導(dǎo)入。該固體溶液將經(jīng)由一或多個(gè)具有最好呈螺旋狀的輪廓切紋 的分配器進(jìn)入該離子交換器，并與該壓縮空氣一起產(chǎn)生一渦流。
在另一實(shí)施例中，固體溶液與壓縮空氣兩者均由底部導(dǎo)入且經(jīng)由一或多個(gè)具 有最好呈螺旋狀的輪廓切紋的分配器進(jìn)入該離子交換器，并產(chǎn)生一渦流。
依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該離子交換器最好垂直地安裝且最好該固體溶液 由底部進(jìn)入該離子交換器并由頂部離開(kāi)，如此可防止堵塞在離子交換器的樹(shù)脂床中 的空洞。
在該固體溶液通過(guò)離子組件，且存在于該溶液中的雜質(zhì)與該等離子組件反應(yīng) 并被固持在該離子組件床內(nèi)后，由該離子交換器回收該固體溶液。依據(jù)該較佳實(shí)施 方式，該固體溶液從該離子交換器的頂端回收?；诎ㄔ摴腆w分散在該溶液中的 分散度及該固體溶液在該離子交換器內(nèi)的分散度、以及該固體的種類(lèi)和/或密度與 離子組件或樹(shù)脂粒的種類(lèi)等各種參數(shù)，某些離子組件或樹(shù)脂也會(huì)由該離子交換器排 出。在理想的操作條件下，最好只由該離子交換器排出沒(méi)有任何離子組件或樹(shù)脂的 固體溶液。
為了減少由該離子交換器排出離子組件或樹(shù)脂，該固體溶液最好在離開(kāi)該離 子交換器之前先通過(guò)一網(wǎng)。該網(wǎng)具有它可將大部分樹(shù)脂粒保留在該交換器內(nèi)的尺
寸，且可依據(jù)樹(shù)脂的種類(lèi)與尺寸，可使用一尺寸60至100的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)。
由該離子交換器排出離子組件或樹(shù)脂也可由控制該固體溶液流經(jīng)該交換器的 流速來(lái)減少，且較快的流速會(huì)使較多樹(shù)脂流出該交換器。
己發(fā)現(xiàn)，依據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)處理過(guò)的碳具有較少量的灰及可萃取組件，并且 可以濕粉末的形態(tài)或在成粒后以干顆粒的形態(tài)運(yùn)送，而所回收的碳溶液可利用已知 的過(guò)濾與干燥方法加以處理。
依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，由該離子交換器所回收的碳溶液可被送至少另一離子 交換器。依需要而定，多數(shù)離子交換器可串聯(lián)地連接，使得由一離子交換器排出的 固體溶液被送入另一離子交換器。并且，如此連接的離子交換器可以是陽(yáng)離子、陰 離子、或混合床。
依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，由該離子交換器所回收的碳溶液可被送回至相同離子 交換器中，并進(jìn)行數(shù)次循環(huán)，直到達(dá)到所需純度為止。在兩循環(huán)之間，該碳溶液可 以在該離子交換器再生時(shí)儲(chǔ)存在一儲(chǔ)存介質(zhì)中。
為了更完整地說(shuō)明本發(fā)明，提出以下非限制性的實(shí)施例。
實(shí)施例l
使用一高剪力葉輪混合器以1800ipm將每ASTM D1765的2kg碳黑N330與40加
侖水及一非離子表面活性劑一起分散30分鐘，接著，將所得的碳溶液送入含有陽(yáng)離 子磺酸樹(shù)脂的離子交換器中。該碳溶液由兩側(cè)邊入口(6)進(jìn)入該離子交換器，如圖l 所示，并沿著該離子交換器的殼罩成為一切向流。同時(shí)，壓縮空氣以一如每分鐘IOO 公升的預(yù)定流速利用入口(1)與分配器(7)進(jìn)入該交換器。該碳溶液與該壓縮空氣的 流速被調(diào)整成使樹(shù)脂粒通過(guò)該排出口(3)的在該離子交換器頂部的流動(dòng)減至最少或 最好完全沒(méi)有。該分配器具有螺旋狹縫，使得它向上產(chǎn)生一渦流與多數(shù)氣泡，以將 碳與雜質(zhì)的顆粒分散通過(guò)該樹(shù)脂床。空氣在該離子交換器的頂端處經(jīng)由出口(5)排 出，且碳溶液由該排出口(3)回收，并且依據(jù)ASTMD1506方法，回收的碳溶液中的 灰含量相較于未處理的改善99%。
由該離子交換器回收的碳溶液可以被送到一樹(shù)脂回收系統(tǒng)，其中與該碳溶液 一起排出的樹(shù)脂或離子組件被回收且利用入口(8)送回到該離子交換器。
實(shí)施例2
如實(shí)施例l中所述制備一碳溶液，并請(qǐng)參閱圖l，該碳溶液由入口(l)與分配器
(7)被送至該離子交換器。同時(shí)，壓縮空氣以一如每分鐘100公升的預(yù)定流速經(jīng)由兩 入口(6)導(dǎo)入該離子交換器，成為切向流。如此產(chǎn)生的流動(dòng)使該碳溶液以一分散的 方式通過(guò)該離子交換器的樹(shù)脂床，且空氣在該離子交換器的頂部處利用出口(5)排 出。碳溶液由該排出口(3)回收，并且依據(jù)ASTMD1506方法，回收的碳溶液中的灰 含量相較于未處理的改善99%。
類(lèi)似地，該固體溶液與該壓縮空氣可經(jīng)由該入口(1)與(4)而由該離子交換 器底部進(jìn)入且該分配器將產(chǎn)生通過(guò)該樹(shù)脂床的所需碳溶液切向或渦流。
權(quán)利要求
1.一種從固體移除雜質(zhì)的方法，該方法包括形成一固體溶液；使該固體溶液通過(guò)一離子交換器，使得至少一些存在于該固體溶液中的雜質(zhì)被該離子交換器保留；以及從該離子交換器回收該固體溶液。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，在該溶液中的固體的濃度在0.5-10 重量％范圍內(nèi)。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，該離子交換器垂直地安裝，并且 該固體溶液在底部處導(dǎo)入該離子交換器并由頂部排出。
4. 如權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于，使該固體溶液通過(guò)離子交換 器包括使壓縮空氣通過(guò)該離子交換器。
5. 如權(quán)利要求1或4所述的方法，其特征在于，該固體溶液以切向、螺旋、 渦旋或攪拌流中的至少一種的形式進(jìn)入或通過(guò)該離子交換器。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，從該離子交換器回收的固體溶液 通過(guò)至少另一個(gè)離子交換器。
7. 如權(quán)利要求1或6所述的方法，其特征在于，該離子交換器含有陽(yáng)離子樹(shù) 脂、陰離子樹(shù)脂、或其混合物中的一種。
8. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，回收的固體溶液通過(guò)至少兩個(gè)離 子交換器，其中，該固體溶液按照陽(yáng)離子、陰離子和混合床交換器的次序，由一 離子交換器流至另一離子交換器。
9. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，在從離子交換器回收之前，該固 體溶液通過(guò)一篩網(wǎng)。
10. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，從該交換器回收的溶液通過(guò)一 離子回收系統(tǒng)，其中，至少一些離子在回收該固體溶液時(shí)離開(kāi)該離子交換器。
11. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，從該離子交換器回收的溶液在 以預(yù)定的循環(huán)次數(shù)的再循環(huán)操作中被送回該離子交換器中。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，該再循環(huán)操作包括在將溶液注 入與排出該離子交換器之間，使回收的溶液通入一分配器。
13. 如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，該固體是碳。
14. 一種從碳移除雜質(zhì)的方法，該方法包括形成一碳溶液；使該碳溶液通 過(guò)一離子交換器，使得至少一些存在于該碳溶液中的雜質(zhì)被該離子交換器保留； 以及從該離子交換器回收該碳溶液。
15. —種從固體移除雜質(zhì)的方法，該方法基本上如本文中所述并參照附圖所示。
16. —種從碳移除雜質(zhì)的方法，該方法基本上如本文中所述并參照附圖所示。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種從固體移除雜質(zhì)的方法，該方法包含形成一固體溶液；使該固體溶液通過(guò)一離子交換器，使得至少某些存在于該固體溶液中的雜質(zhì)被該離子交換器保留；以及由該離子交換器回收該固體溶液。本發(fā)明還涉及一種從碳移除雜質(zhì)的方法。
文檔編號(hào)C01B31/00GK101357758SQ20081009318
公開(kāi)日2009年2月4日 申請(qǐng)日期2008年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月19日
發(fā)明者李昌熙 申請(qǐng)人:大陸碳印度有限公司;大陸碳公司