CN103253664A - 制备活性炭的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制备活性炭的方法，称取可溶性酚醛树脂、糠醇树脂、聚丙烯腈、可溶性淀粉中的一种炭前驱体聚合物和聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛中的一种造孔剂，混合，加入甲醇、乙醇、去离子水中的一种溶剂溶解；称取活性炭原料加入到上述溶液中浸渍，之后干燥、在微波高温烧结炉中氮气气氛下500～1100℃炭化0.5～24小时。本发明提供的制备活性炭方法，其制造所得的活性炭产品具有与原料活性炭相当的耐磨强度和微孔孔隙，并且比原料活性炭还增加了中孔孔隙，具有双孔径分布，比表面积大，耐磨强度高，可以满足特定条件的应用需求。

Description

制备活性炭的方法
技术领域
本发明属于活性炭的制备技术领域，具体涉及一种制备活性炭的方法。
背景技术
活性炭是常用的吸附剂之一，已在食品卫生、医疗、催化、空分制氮、焦炉气中氢气的回收等方面得到广泛的应用，其吸附性能在很大程度上决定于其孔结构特征。活性炭的孔隙分布呈三分散型，即大孔、中孔和微孔均占一定比例。然而，活性炭的这种三分散型宽分布孔径结构，却在一定程度上制约了活性炭在某些领域的应用。因此，随着社会对专用吸附剂的需求增加，因此对孔径进行有效的控制就成了炭材料研究者所追求的目标。
为了制备出更有针对性的活性炭，可以对其孔结构进行改性。目前研究和使用的孔隙结构调节方法主要是碳沉积技术。碳沉积的原理是将有机高分子化合物、烃类气体分子与活性炭接触，在适当的温度下使其裂解析出游离碳，并在大孔和中孔孔隙的入口处沉积碳，从而使孔径缩小，实现产品孔隙均一化。
此外，聚合物共混炭化法有望成为一种能够对活性炭孔径进行精细控制的方法。该方法利用两种热稳定性不同、可形成相分离结构的聚合物共混炭化，热稳定性高的聚合物(称为炭前驱体聚合物)经过高温炭化成为炭基体，热稳定性差的聚合物(称为造孔剂)则在热处理过程中分解气化，并在炭化产物中留下大量的孔隙结构。此种方法制备出的活性炭耐磨强度不高。
尽管人们在孔径大小及其分布方面做了大量的研究，并提出了很多孔径控制的方法，制备工艺不断提高，但孔径控制的效果仍不理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备活性炭的方法，其制造所得的活性炭的孔径分布可以控制，孔结构较为理想，它克服了已有活性炭制备方法不能够对活性炭孔径进行精细控制而聚合物共混炭化法制备出的活性炭耐磨强度低的缺点。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种制备活性炭的方法，其包括如下步骤：
1)称取炭前驱体聚合物和造孔剂，混合，加入溶剂后在20～100℃(并且不超过所使用溶剂的沸点)下溶解0.5～24小时；
2)称取活性炭原料，加入到上述溶液中浸渍0.5～24小时，之后在60～150℃下干燥2～36小时；
3)将干燥后的样品在微波高温烧结炉中氮气气氛下500～1100℃炭化0.5～24小时。
所述的炭前驱体聚合物为可溶性酚醛树脂、糠醇树脂、聚丙烯腈、可溶性淀粉中的一种。
所述的造孔剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛中的一种。
所述的溶剂为甲醇、乙醇、去离子水中的一种。甲醇和乙醇均为分析纯试剂。
所述的活性炭原料为市场购买得到，粒度：20～44目。
炭前驱体聚合物∶活性炭原料＝（0.02～0.8）∶1(质量比)。
造孔剂∶活性炭原料＝（0.03～0.6）∶1(质量比)。
溶剂∶活性炭原料＝（0.5～5）∶1(质量比)。
活性炭样品的比表面积及孔径分布采用BK122F型比表面积及孔径分布测试仪(北京精微高博科学技术有限公司生产)在77K下进行等温吸附测试。样品处理和测试条件：150℃加热2小时去除表面吸附物后，以高纯氮气作吸附介质、以液氮为冷阱进行测定。利用BET方程计算比表面积，采用HK法计算微孔孔容与微孔孔径分布，采用BJH法计算中孔孔容与中孔孔径分布。
活性炭样品的耐磨强度依照国家标准GB/T 7702.3-2008《煤质颗粒活性炭试验方法 强度的测定》采用MHXT-2型煤质颗粒活性炭转鼓试验机(鹤壁市天冠仪器仪表有限公司)测试，转鼓转速为50转/分钟。
本发明的有益效果是：本发明提供的制备活性炭方法，其制造所得的活性炭产品具有与原料活性炭相当的耐磨强度和微孔孔隙，并且比原料活性炭还增加了中孔孔隙，具有双孔径分布，比表面积大，耐磨强度高，可以满足特定条件的应用需求。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
称取可溶性淀粉(分析纯试剂，天津市广成化学试剂有限公司)8.8g和聚乙烯醇(平均分子量为2000，上海凯杜实业发展有限公司)3.4g，加入到250mL三角瓶中，加入60g去离子水，在100℃下溶解2小时；称取20g活性炭原料(椰壳活性炭，粒度：20～44目，石家庄宏森活性炭有限公司)，加入到三角瓶中，摇匀，于50℃、120转/分钟的摇床中浸渍6.5小时，之后在150℃下干燥29小时；将干燥后的样品在微波高温烧结炉(HAMiLab-V3000型微波高温烧结炉，南京先欧仪器制造有限公司)中氮气气氛下680℃炭化3小时，之后在氮气气氛下冷却后得产品21.76g，样品的耐磨强度、比表面积及孔径分布数据见下表。
Figure 676815DEST_PATH_IMAGE001
实施例2(对比例)的过程中没有加入聚乙烯醇，所制备的活性炭在2nm<孔径<20nm之间的孔容(0.0148 cm3/g)小于实施例1制备的活性在2nm<孔径<20nm之间的孔容(0.0681 cm3/g)。
实施例3(对比例)的过程中没有加入活性炭原料，过程为聚合物共混炭化法制备活性炭，所制备的活性炭的耐磨强度(87.24%)小于实施例1制备的活性炭耐磨强度(98.47%)。
实施例2(对比例)
称取可溶性淀粉(分析纯试剂，天津市广成化学试剂有限公司)8.8g，加入到250mL三角瓶中，加入60g去离子水，在100℃下溶解2小时；称取20g活性炭原料(椰壳活性炭，粒度：20～44目，石家庄宏森活性炭有限公司)，加入到三角瓶中，摇匀，于50℃、120转/分钟的摇床中浸渍6.5小时，之后在150℃下干燥29小时；将干燥后的样品在微波高温烧结炉(HAMiLab-V3000型微波高温烧结炉，南京先欧仪器制造有限公司)中氮气气氛下680℃炭化3小时，之后在氮气气氛下冷却后得产品21.72g，样品的耐磨强度、比表面积及孔径分布数据见下表。
Figure 201310221064X100002DEST_PATH_IMAGE002
实施例3(对比例)
称取可溶性淀粉(分析纯试剂，天津市广成化学试剂有限公司)8.8g和聚乙烯醇(平均分子量为2000，上海凯杜实业发展有限公司)3.4g，加入到250mL三角瓶中，加入60g去离子水，在100℃下溶解2小时，之后于50℃、120转/分钟的摇床中溶解6.5小时，之后在150℃下干燥29小时；将干燥后的样品在微波高温烧结炉(HAMiLab-V3000型微波高温烧结炉，南京先欧仪器制造有限公司)中氮气气氛下680℃炭化3小时，之后在氮气气氛下冷却后得产品2.11g，样品的耐磨强度、比表面积及孔径分布数据见下表。
Figure 201310221064X100002DEST_PATH_IMAGE003
实施例4
称取可溶性酚醛树脂(红棕色半透明固体，软化温度95～105℃，石家庄骏达化工贸易有限公司)16g和聚乙二醇(平均分子量为1800～2200，凝固点为41～46℃，武汉鑫恒隆科技有限责任公司)2.1g，加入到250mL三角瓶中，加入100g甲醇，在40℃下溶解2.5小时；称取20g活性炭原料(椰壳活性炭，粒度：20～41目，石家庄宏森活性炭有限公司)，加入到三角瓶中，摇匀，于50℃、120转/分钟的摇床中浸渍4.5小时，之后在60℃下干燥7小时；将干燥后的样品在微波高温烧结炉(HAMiLab-V3000型微波高温烧结炉，南京先欧仪器制造有限公司)中氮气气氛下1100℃炭化7小时，之后在氮气气氛下冷却后得产品24.8g，样品的耐磨强度、比表面积及孔径分布数据见下表。
实施例5
称取糠醇树脂(重均分子量500，上海汇珠树脂有限公司)5.5g和聚乙烯醇(平均分子量为2000，上海凯杜实业发展有限公司)12g，加入到250mL三角瓶中，加入60g乙醇，在60℃下溶解7.5小时；称取20g活性炭原料(椰壳活性炭，粒度：20～42目，石家庄宏森活性炭有限公司)，加入到三角瓶中，摇匀，于50℃、120转/分钟的摇床中浸渍15小时，之后在85℃下干燥13小时；将干燥后的样品在微波高温烧结炉(HAMiLab-V3000型微波高温烧结炉，南京先欧仪器制造有限公司)中氮气气氛下920℃炭化2.5小时，之后在氮气气氛下冷却后得产品21.65g，样品的耐磨强度、比表面积及孔径分布数据见下表。
Figure 201310221064X100002DEST_PATH_IMAGE005
实施例6
称取聚丙烯腈(重均分子量20000，斯泰宝贸易有限公司)1.2g和聚乙烯醇缩丁醛(丁醛基含量45%～49%，水分含量<2%，酸值<0.2，上海四喜化工有限公司)3.9g，加入到250mL三角瓶中，加入60g甲醇，在40℃下溶解13小时；称取20g活性炭原料(椰壳活性炭，粒度：20～43目，石家庄宏森活性炭有限公司)，加入到三角瓶中，摇匀，于50℃、120转/分钟的摇床中浸渍24小时，之后在80℃下干燥22小时；将干燥后的样品在微波高温烧结炉(HAMiLab-V3000型微波高温烧结炉，南京先欧仪器制造有限公司)中氮气气氛下750℃炭化11小时，之后在氮气气氛下冷却后得产品20.36g，样品的耐磨强度、比表面积及孔径分布数据见下表。
实施例7
称取可溶性酚醛树脂(红棕色半透明固体，软化温度95～105℃，石家庄骏达化工贸易有限公司)0.4g和聚乙二醇(平均分子量为1800～2200，凝固点为41～46℃，武汉鑫恒隆科技有限责任公司)0.6g，加入到250mL三角瓶中，加入10g乙醇，在20℃下溶解0.5小时；称取20g活性炭原料(椰壳活性炭，粒度：20～40目，石家庄宏森活性炭有限公司)，加入到三角瓶中，摇匀，于50℃、120转/分钟的摇床中浸渍0.5小时，之后在95℃下干燥2小时；将干燥后的样品在微波高温烧结炉(HAMiLab-V3000型微波高温烧结炉，南京先欧仪器制造有限公司)中氮气气氛下500℃炭化0.5小时，之后在氮气气氛下冷却后得产品20.12g，样品的耐磨强度、比表面积及孔径分布数据见下表。
Figure 201310221064X100002DEST_PATH_IMAGE007
实施例8
称取可溶性淀粉(分析纯试剂，天津市广成化学试剂有限公司)11.2g和聚乙二醇(平均分子量为1800～2200，凝固点为41～46℃，武汉鑫恒隆科技有限责任公司)1.8g，加入到250mL三角瓶中，加入85g去离子水，在80℃下溶解24小时；称取20g活性炭原料(椰壳活性炭，粒度：20～45目，石家庄宏森活性炭有限公司)，加入到三角瓶中，摇匀，于50℃、120转/分钟的摇床中浸渍18小时，之后在125℃下干燥36小时；将干燥后的样品在微波高温烧结炉(HAMiLab-V3000型微波高温烧结炉，南京先欧仪器制造有限公司)中氮气气氛下730℃炭化24小时，之后在氮气气氛下冷却后得产品22.24g，样品的耐磨强度、比表面积及孔径分布数据见下表。
Figure 201310221064X100002DEST_PATH_IMAGE008

Claims (4)

1.一种制备活性炭的方法，其包括如下步骤：
1)称取炭前驱体聚合物和造孔剂，混合，加入溶剂后在20～100℃并且不超过所使用溶剂的沸点下溶解0.5～24小时；
2)称取活性炭原料，加入到上述溶液中浸渍0.5～24小时，之后在60～150℃下干燥2～36小时；
3)将干燥后的样品在微波高温烧结炉中氮气气氛下500～1100℃炭化0.5～24小时；
所述的炭前驱体聚合物为可溶性酚醛树脂、糠醇树脂、聚丙烯腈、可溶性淀粉中的一种；
所述的造孔剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛中的一种；
所述的溶剂为甲醇、乙醇、去离子水中的一种。
2.根据权利要求1所述的制备活性炭的方法，其特征在于：炭前驱体聚合物∶活性炭原料＝(0.02～0.8)∶1质量比。
3.根据权利要求1所述的制备活性炭的方法，其特征在于：造孔剂∶活性炭原料＝（0.03～0.6）∶1质量比。
4.根据权利要求1所述的制备活性炭的方法，其特征在于：溶剂∶活性炭原料＝(0.5～5)∶1质量比。
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