CN101983918B - 一种毫米级活性炭小球的制备方法 - Google Patents

一种毫米级活性炭小球的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种毫米级活性炭小球的制备方法是将1-5质量份的聚丙烯腈在10-50质量份的二甲基亚砜中充分溶解后逐渐转移到挤液器中，保持挤液器底部的挤液板与水浴液面之间的距离为10-20cm，控制挤液器中的液面始终保持相同的高度，其高度为2-10cm，将溶液滴入到50-70℃水浴中，得到球形聚丙烯腈基树脂；球形聚丙烯腈树脂，通过低温氧化、炭化、水蒸气活化过程得到毫米级活性炭小球。本发明具有操作简便，易于控制；制备工艺简单，适合大规模生产，成本低，能耗低，活性炭小球的粒径为1-3mm的优点。

Description

一种毫米级活性炭小球的制备方法
技术领域
本发明涉及一种制备活性炭小球的方法，尤其涉及一种聚丙烯腈为前躯体制备毫米级活性炭小球的方法。
背景技术
球形活性炭作为活性炭的品种之一，特殊的结构与性能使被广泛用在医药、能量存储、催化剂载体、气体净化等。目前，所制备球形活性炭，有纳米级的(中国发明专利CN101041429A)、微米级的(中国发明专利CN100556801C)、甚至毫米级的(中国发明专利ZL85102191，CN1102427C，CN1075539C)。
聚丙烯腈因具有高的炭化收率和可石墨化性能，是一种优良的碳前驱体物质。关于聚丙烯腈基炭小球的制备中，主要是乳液聚合和悬浮聚合得到的聚丙烯睛小球在惰性气氛下高温分解得到相应的炭小球。例如，ChuanbingTang等人(Angew.Chem.Int.Edi.，2004，43：2783-2787.)、中国专利公开号CN101041429A和CN101219784A等报道了关于制备聚丙烯腈基碳纳米球的方法。而中国专利公开号CN100537618C报道了微米级聚丙烯腈颗粒的制备。但是，至今未发现有关聚丙烯腈基毫米级炭小球的报道。
发明目的
本发明的目的是提供一种以聚丙烯腈为前躯体制备毫米级活性炭小球的方法。
发明内容
本发明的制备方法包括如下步骤：
(1)将1-5质量份的聚丙烯腈在10-50质量份的二甲基亚砜(DMSO)中充分溶解；
(2)将步骤(1)所得到的溶液逐渐转移到挤液器中，保持挤液器底部的挤液板与水浴液面之间的距离为10-20cm，控制挤液器中的液面始终保持相同的高度，其高度为2-10cm，将溶液滴入到50-70℃水浴中，得到球形聚丙烯腈基树脂；
(3)将步骤(2)所得到的球形聚丙烯腈树脂，通过低温氧化、炭化、水蒸气活化过程得到毫米级活性炭小球。
如上所述的聚丙烯腈，可以是自制的聚丙烯腈、商业购买的聚丙烯腈、聚丙烯腈纤维的废丝、废旧的聚丙烯腈塑料或橡胶等。
如上所述的挤液器是由壳体和挤液板组成，挤液板上有小孔，壳体的上部有溶液入口，挤液板的厚度为3-5mm，小孔直径为1.5-5mm，孔距为10-20mm。
如上所述的控制挤液器中的液面始终保持2-10cm相同的高度，是通过不断补充挤液器中的溶液来实现，其目的是为了保证成球条件一致。
如上所述的低温氧化、炭化、水蒸气活化过程，其具体为：空气气氛中以1-5℃/min的升温速度升温至200-300℃，保持1-5h，空气改为氮气，以1-5℃/min的升温速度继续升温至800-1000℃，保持1-3h后通入水蒸气10-40min，在氮气保护下自然冷却至室温。
如上所述的二甲基亚砜为工业级的。
本发明制备的活性炭小球的粒径为1-3mm。
本发明具有如下优点：
(1)操作简便，易于控制；
(2)制备工艺简单，适合大规模生产。
(3)成本低，能耗低。
(4)活性炭小球的粒径为1-3mm。
附图说明
图1是本发明挤液器的结构示意图。
如图所示，1是壳体，2是挤液板，3是小孔，4是溶液入口。
具体实施方式
下面详细说明本发明并给出几个实施例：
挤液板2上有小孔3，壳体1的上部有溶液入口4，壳体1和挤液板2组成挤液器。
实施例1
将10g自制的丙烯腈充分溶解在100mL工业二甲基亚砜(DMSO)中。然后将所得到的溶液逐渐转移到挤液器中，控制挤液器中的液面高度为5cm。其中，挤液器底部为带小孔3的挤液板2，其厚度约为3mm，小孔直径为2.5mm，孔距为10mm。挤液器底部的挤液板2与水浴液面之间的距离为10cm。溶液滴入到60℃水浴中，得到球形聚丙烯腈基树脂。然后装入管式加热炉中，以2℃/min的速率升温到200℃，保持1h，然后在氮气保护下，继续升温至800℃，保持1h，接着通入水蒸气进行活化30min，自然冷却后得到毫米级活性炭小球，其直径约为1.7mm。
实施例2
将10g自制的丙烯腈充分溶解在250mL工业二甲基亚砜(DMSO)中。然后将所得到的溶液逐渐转移到挤液器中，控制挤液器中的液面高度为2cm。其中，挤液器底部为带小孔3的挤液板2，其厚度约为3.5mm，小孔直径为2.2mm，孔距为12mm。挤液器底部的挤液板2与水浴液面之间的距离为15cm。溶液滴入到50℃水浴中，得到球形聚丙烯腈基树脂。然后装入管式加热炉中，以5℃/min的速率升温到300℃，保持3h，然后在氮气保护下，继续升温至1000℃，保持2h，接着通入水蒸气进行活化40min，自然冷却后得到毫米级活性炭小球，其直径约为1.3mm。
实施例3
将10g商业化的聚丙烯腈充分溶解在500mL工业二甲基亚砜(DMSO)中。然后将所得到的溶液逐渐转移到挤液器中，控制挤液器中的液面高度为3cm。其中，挤液器底部为带小孔3的挤液板2，其厚度约为4mm，小孔直径为1.5mm，孔距为14mm。挤液器底部的挤液板2与水浴液面之间的距离为20cm。溶液滴入到70℃水浴中，得到球形聚丙烯腈基树脂。然后装入管式加热炉中，以1℃/min的速率升温到250℃，保持5h，然后在氮气保护下，继续升温至900℃，保持3h，接着通入水蒸气进行活化20min，自然冷却后得到毫米级活性炭小球，其直径约为1.0mm。
实施例4
将20g商业化的聚丙烯腈纤维充分溶解在100mL工业二甲基亚砜(DMSO)中。然后将所得到的溶液逐渐转移到挤液器中，控制挤液器中的液面高度为4cm。其中，挤液器底部为带小孔3的挤液板2，其厚度约为4.5mm，小孔直径为3mm，孔距为16mm。挤液器底部的挤液板2与水浴液面之间的距离为12cm。溶液滴入到55℃水浴中，得到球形聚丙烯腈基树脂。然后装入管式加热炉中，以3℃/min的速率升温到210℃，保持2h，然后在氮气保护下，继续升温至850℃，保持1.5h，接着通入水蒸气进行活化10min，自然冷却后得到毫米级活性炭小球，其直径约为1.8mm。
实施例5
将30g废旧聚丙烯腈纤维充分溶解在100mL工业二甲基亚砜(DMSO)中。然后将所得到的溶液逐渐转移到挤液器中，控制挤液器中的液面高度为6cm。其中，挤液器底部为带小孔3的挤液板2，其厚度约为5mm，小孔直径为3.5mm，孔距为18mm。挤液器底部的挤液板2与水浴液面之间的距离为13cm。溶液滴入到65℃水浴中，得到球形聚丙烯腈基树脂。然后装入管式加热炉中，以4℃/min的速率升温到220℃，保持4h，然后在氮气保护下，继续升温至950℃，保持2.5h，接着通入水蒸气进行活化15min，自然冷却后得到毫米级活性炭小球，其直径约为2.2mm。
实施例6
将40g废旧聚丙烯腈纤维充分溶解在100mL工业二甲基亚砜(DMSO)中。然后将所得到的溶液逐渐转移到挤液器中，控制挤液器中的液面高度为7cm。其中，挤液器底部为带小孔3的挤液板2，其厚度约为3.2mm，小孔直径为4.0mm，孔距为20mm。挤液器底部的挤液板2与水浴液面之间的距离为14cm。溶液滴入到60℃水浴中，得到球形聚丙烯腈基树脂。然后装入管式加热炉中，以1.5℃/min的速率升温到230℃，保持1.5h，然后在氮气保护下，继续升温至825℃，保持2h，接着通入水蒸气进行活化25min，自然冷却后得到毫米级活性炭小球，其直径约为2.5mm。
实施例7
将50g废旧聚丙烯腈塑料充分溶解在100mL工业二甲基亚砜(DMSO)中。然后将所得到的溶液逐渐转移到挤液器中，控制挤液器中的液面高度为8cm。其中，挤液器底部为带小孔3的挤液板2，其厚度约为3.4mm，小孔直径为4.5mm，孔距为15mm。挤液器底部的挤液板2与水浴液面之间的距离为16cm。溶液滴入到50℃水浴中，得到球形聚丙烯腈基树脂。然后装入管式加热炉中，以2.5℃/min的速率升温到240℃，保持2.5h，然后在氮气保护下，继续升温至875℃，保持3h，接着通入水蒸气进行活化35min，自然冷却后得到毫米级活性炭小球，其直径约为2.7mm。
实施例8
将50g废旧聚丙烯腈塑料充分溶解在200mL工业二甲基亚砜(DMSO)中。然后将所得到的溶液逐渐转移到挤液器中，控制挤液器中的液面高度为9cm。其中，挤液器底部为带小孔3的挤液板2，其厚度约为3.6mm，小孔直径为5mm，孔距为13mm。挤液器底部的挤液板2与水浴液面之间的距离为17cm。溶液滴入到70℃水浴中，得到球形聚丙烯腈基树脂。然后装入管式加热炉中，以3.5℃/min的速率升温到260℃，保持3.5h，然后在氮气保护下，继续升温至825℃，保持2h，接着通入水蒸气进行活化30min，自然冷却后得到毫米级活性炭小球，其直径约为3.0mm。
实施例9
将50g废旧聚丙烯腈橡胶充分溶解在400mL工业二甲基亚砜(DMSO)中。然后将所得到的溶液逐渐转移到挤液器中，控制挤液器中的液面高度为10cm。其中，挤液器底部为带小孔3的挤液板2，其厚度约为4.2mm，小孔直径为3.2mm，孔距为17mm。挤液器底部的挤液板2与水浴液面之间的距离为18cm。溶液滴入到55℃水浴中，得到球形聚丙烯腈基树脂。然后装入管式加热炉中，以4.5℃/min的速率升温到270℃，保持4.5h，然后在氮气保护下，继续升温至975℃，保持1h，接着通入水蒸气进行活化40min，自然冷却后得到毫米级活性炭小球，其直径约为1.9mm。
实施例10
将50g废旧聚丙烯腈橡胶充分溶解在500mL工业二甲基亚砜(DMSO)中。然后将所得到的溶液逐渐转移到挤液器中，控制挤液器中的液面高度为5cm。其中，挤液器底部为带小孔3的挤液板2，其厚度约为4.8mm，小孔直径为2.7mm，孔距为15mm。挤液器底部的挤液板2与水浴液面之间的距离为19cm。溶液滴入到65℃水浴中，得到球形聚丙烯腈基树脂。然后装入管式加热炉中，以2℃/min的速率升温到280℃，保持3h，然后在氮气保护下，继续升温至900℃，保持2h，接着通入水蒸气进行活化20min，自然冷却后得到毫米级活性炭小球，其直径约为1.6mm。

Claims (4)

1.一种毫米级活性炭小球的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)将1-5质量份的聚丙烯腈在10-50质量份的二甲基亚砜(DMSO)中充分溶解；
(2)将步骤(1)所得到的溶液逐渐转移到挤液器中，保持挤液器底部的挤液板与水浴液面之间的距离为10-20cm，控制挤液器中的液面始终保持相同的高度，其高度为2-10cm，将溶液滴入到50-70℃水浴中，得到球形聚丙烯腈基树脂；
(3)将步骤(2)所得到的球形聚丙烯腈树脂，通过低温氧化、炭化、水蒸气活化过程得到毫米级活性炭小球；
所述的挤液器是由壳体(1)和挤液板(2)组成，挤液板(2)上有小孔(3)，壳体(1)的上部有溶液入口(4)；挤液板(2)的厚度为3-5mm，小孔(3)直径为1.5-5mm，孔距为10-20mm。
2.如权利要求1所述的一种毫米级活性炭小球的制备方法，其特征在于所述的聚丙烯腈是自制的聚丙烯腈、商业购买的聚丙烯腈、聚丙烯腈纤维的废丝、废旧的聚丙烯腈塑料或橡胶。
3.如权利要求1所述的一种毫米级活性炭小球的制备方法，其特征在于所述的低温氧化、炭化、水蒸气活化过程，其具体为：空气气氛中以1-5℃/min的升温速度升温至200-300℃，保持1-5h，空气改为氮气，以1-5℃/min的升温速度继续升温至800-1000℃，保持1-3h后通入水蒸气10-40min，在氮气保护下自然冷却至室温。
4.如权利要求1所述的一种毫米级活性炭小球的制备方法，其特征在于所述的二甲基亚砜为工业级的。
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