CN104140100B - 一种真空冷冻干燥制备气体吸附用微孔活性炭的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种真空冷冻干燥制备气体吸附用微孔活性炭的方法。其特征在于：将农林废弃物粉碎制成粉末并浸渍在蒸馏水中，过滤后进行低温冷冻，取出后迅速放入真空冷冻干燥机上干燥300min～600min；经干燥后的粉末，进一步粉碎至60～100目，再放入微波反应器中进行微波碳化；将炭化料浸渍在碳酸盐复合活化剂溶液中，在超声波下超声搅拌30～100min；最后将炭化料放入气氛炉中活化；冷却至室温取出，经洗涤、干燥即得气体吸附用微孔活性炭。本发明使用碳酸盐为活化剂具有环境污染小的优点，技术条件要求低，生产成本低，生产工艺简单，所制得的活性炭具有丰富的微孔结构，具有显著的经济和社会效益。

Description

一种真空冷冻干燥制备气体吸附用微孔活性炭的方法
技术领域
本发明属于活性炭制备技术领域，具体涉及一种真空冷冻干燥制备气体吸附用微孔活性炭的方法。
技术背景
活性炭具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积和优良的吸附性能，是一种广谱型的多孔材料，近年来已广泛用于液相、气体的吸附、存储以及分离等领域。活性炭的吸附性能主要取决于自身发达的孔隙和巨大的比表面积，根据IUPAC可将活性炭孔径分为微孔(＜2 nm) 、中孔(2～50nm) 和大孔(＞50 nm) 。
对于气体吸附而言，气体分子的分子尺寸通常小于1.0nm，需用微孔比较发达的活性炭。制备微孔活性炭的方法主要采用物理活化法，物理活化法是将原料先炭化，然后再用水蒸气或者二氧化碳进行活化。虽然物理活化法制备的活性炭微孔发达，但对气体的吸附能力不高，因此，化学活化法特别是K2CO3化学活化法受到更多的重视，这是由于K2CO3化学活化法制备活性炭时，既具有二氧化碳类似于水蒸气的物理活化作用，又具有K2O的化学催化活化功能，这种催化功能使吸附性能得以提高。
一般的制备活性炭的过程是在炭化过程对原料进行干燥，但这干燥过程会因为水分的流失而引起材料皱缩、坍塌，使碳骨架遭到破坏，不利于活性炭的制备。真空冷冻干燥是一种脱水过程，它在许多生物化学与制药应用中是不可缺少的。它被用来获得可长时期保存的生物材料，例如微生物培养、酶、血液、与药品。经过蒸馏水浸泡，并达到饱和后，蒸馏水填充到生物质原料的孔隙中，过滤后经过低温冷冻，填充在样品孔隙中水分凝固成冰。把冷冻的样品放入真空冷冻干燥机里，一方面是真空系统进行抽真空把一部分水分带走；另一方面是物料受冻时把某些分子所含水分排到材料的表面冻结。达到冷冻要求后，由加热系统对物料加热干燥，通过抽真空把材料中所含的水份抽离原料，达到材料冷冻干燥的要求。传统的干燥可能会引起材料皱缩，破坏细胞。真空冷冻干燥可以作为一个填补并稳固碳源材料孔结构的方法，实现了固态冰直接升华成气态的水蒸气，避免了碳骨架的孔结构在去除水分子过程中逐渐收缩坍塌。超微孔结构以及微孔结构中填充的水凝固成固相冰，在进行冷冻扩孔的同时，防止碳骨架的孔结构在去除水分过程中收缩坍陷，起到了支撑碳骨架的作用。
目前尚未见以真空冷冻干燥处理原料、以碳酸钾和另一种碳酸盐为复合活化剂制备微孔活性炭的报道。
发明内容
本发明公开一种真空冷冻干燥制备气体吸附用微孔活性炭的方法，即以真空冷冻干燥处理原料、以碳酸钾和另一种碳酸盐为复合活化剂制备微孔活性炭的方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
1、将农林废弃物粉碎制成0.3～0.7cm的粉末，取粉末浸渍在蒸馏水中12～15h，过滤后进行低温冷冻，低温在-30℃～-40℃之间，冷冻时间为400min～800min，取出后迅速放入真空冷冻干燥机上干燥300min～ 600min；
2、经干燥后的粉末，进一步粉碎至60～100目，再放入微波反应器中，通入N2，调整微波功率为500W～1000W、碳化温度300～500℃；进行微波碳化50～100min后，冷却至室温得炭化料。
3、将炭化料浸渍在10～50%的碳酸盐复合活化剂溶液中，在超声波功率300W～500W下超声搅拌30～100min。
4、然后将浸渍后的炭化料放入气氛炉中在700～900℃下活化100～300min，冷却至室温取出，经洗涤、干燥即得气体吸附用微孔活性炭。
本发明所指的碳酸盐复合活化剂为碳酸钾与碳酸钠或碳酸锂的组合，碳酸钾与碳酸钠或碳酸锂的质量比为2:1～2。
本发明所指农林废弃物无患子果壳、茶叶渣、稻壳、棕榈壳、竹片或木屑。
本发明使用碳酸盐为活化剂具有环境污染小的优点，技术条件要求低，生产成本低，生产工艺简单，所制得的活性炭具有丰富的微孔结构，具有显著的经济和社会效益。
具体实施方式
以下是本发明的几个具体实施例，进一步说明本发明，但是本发明不仅限于此。
实施例1
将无患子粉碎至0.3～0.5cm。取1000g放入2000ml蒸馏水中浸渍12h，过滤后在-30℃冷冻400min，迅速将冷冻好的原料放入真空冷冻干燥机上干燥300min。取真空冷冻干燥好的100g无患子粉碎至60目后放入微波反应器中，通入N2，调整微波功率为800W，在350℃下进行微波碳化100min后，冷却至室温得炭化料。将20g的炭化料浸渍在质量浓度为50%的由10g碳酸钾与10g碳酸锂组成的复合活化剂溶液中，在超声波功率500W下超声搅拌100min。然后将浸渍后的炭化料放入气氛炉中在900℃下活化30min，冷却至室温取出，经洗涤、干燥即得活性炭。经测试制备的活性炭平均孔径为0.89nm，微孔孔容达0.6692cm3/g
实施例2
将棕榈壳粉碎至0.5～0.7 cm。取1000g放入2000ml蒸馏水中浸渍12h，过滤后在-40℃冷冻600min，迅速将冷冻好的原料放入真空冷冻干燥机上干燥600min。取真空冷冻干燥好的100g棕榈壳粉碎至100目后放入微波反应器中，通入N2，调整微波功率为500W，在400℃下进行微波碳化80min后，冷却至室温得炭化料。将10g的炭化料浸渍在质量浓度为30%的由10g碳酸钾与5g碳酸钠或碳酸锂组成的复合活化剂溶液中，在超声波功率500W下超声搅拌70min。然后将浸渍后的炭化料放入气氛炉中在800℃下活化200min，冷却至室温取出，经洗涤、干燥即得活性炭。经测试制备的活性炭平均孔径为0.98nm，微孔孔容达0.7532cm3/g
实施例3
将木屑粉碎至0.5～0.6cm。取1000g放入2000ml蒸馏水中浸渍12h，过滤后在-30℃冷冻800min，迅速将冷冻好的原料放入真空冷冻干燥机上干燥600min。取真空冷冻干燥好的100g木屑粉碎至100目后放入微波反应器中，通入N2，调整微波功率为1000W，在350℃下进行微波碳化90min后，冷却至室温得炭化料。将10g的炭化料浸渍在质量浓度为20%的由10g碳酸钾与8g碳酸钠或碳酸锂组成的复合活化剂溶液中，在超声波功率400W下超声搅拌100min。然后将浸渍后的炭化料放入气氛炉中在850℃下活化300min，冷却至室温取出，经洗涤、干燥即得活性炭。经测试制备的活性炭平均孔径为1.05nm，微孔孔容达0.8706cm3/g
实施例4
将茶叶渣粉碎至0.5～0.7cm。取1000g放入2000ml蒸馏水中浸渍12h，过滤后在-40℃冷冻500min，迅速将冷冻好的原料放入真空冷冻干燥机上干燥600min。取真空冷冻干燥好的100g茶叶渣粉碎至80目后放入微波反应器中，通入N2，调整微波功率为1000W，在500℃下进行微波碳化80min后，冷却至室温得炭化料。将20g的炭化料浸渍在质量浓度为100%的由20g碳酸钾与15g碳酸锂组成的复合活化剂溶液中，在超声波功率500W下超声搅拌80min。然后将浸渍后的炭化料放入气氛炉中在780℃下活化100min，冷却至室温取出，经洗涤、干燥即得活性炭。经测试制备的活性炭平均孔径为0.83nm，微孔孔容达0.6425cm3/g。

Claims (3)

1.一种真空冷冻干燥方法制备气体吸附用微孔活性炭的方法，其特征在于
1)将农林废弃物粉碎制成0.3～0.7cm的粉末，取粉末浸渍在蒸馏水中12～15h，过滤后进行低温冷冻，低温在-30℃～-40℃之间，冷冻时间为400min～800min，取出后迅速放入真空冷冻干燥机上干燥300min～600min；
2)经干燥后的粉末，进一步粉碎至60～100目，再放入微波反应器中，通入N2，调整微波功率为500W～1000W、碳化温度300～500℃；进行微波碳化50～100min后，冷却至室温得炭化料；
3)将炭化料浸渍在10～50%的碳酸盐复合活化剂溶液中，在超声波功率300W～500W下超声搅拌30～100min；
4)然后将浸渍后的炭化料放入气氛炉中在700～900℃下活化100～300min，冷却至室温取出，经洗涤、干燥即得气体吸附用微孔活性炭。
2.根据权利要求1所述的一种真空冷冻干燥方法制备气体吸附用微孔活性炭的方法，其特征在于所述的农林废弃物是指无患子果壳、茶叶渣、稻壳、棕榈壳、竹片或木屑。
3.根据权利要求1所述的一种真空冷冻干燥方法制备气体吸附用微孔活性炭的方法，其特征在于所指的碳酸盐复合活化剂为碳酸钾与碳酸钠或碳酸锂的组合，碳酸钾与碳酸钠或碳酸锂的质量比为2:1～2。
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