CN104671241B - 一种活化废弃电木制备高比表面积活性炭的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种活化废弃电木制备高比表面积活性炭的方法，属于资源循环利用领域；将KOH与破碎后废弃电木混合均匀放入微波高温反应炉；往炉内通入氮气排空炉内空气，在微波下加热一定时间后，迅速通过底部吹入水蒸气，并且同时开启超声波发生器加热得到活化料，进行水洗，并回收残余KOH活化剂；用盐酸进行酸洗后用水进行漂洗，干燥得到高比表面积活性炭；本发明所述方法降低了活性炭的生产成本，减轻了环境污染，做到了变废为宝，实现了自然资源的综合利用，具有良好的环境、能源和社会效益；生产出来的比表面积高，活化得率高，微孔率高的“三高”活性炭，可作为贵金属催化剂及催化剂载体（钯、钌、铑、铂），用于贵重金属的回收。

Description

一种活化废弃电木制备高比表面积活性炭的方法
技术领域
本发明涉及一种活化废弃电木制备高比表面积活性炭的方法，属于资源循环利用领域。
背景技术
活性炭作为一种性能优良的多孔材料被广泛地应用于诸多的工业领域，例如气相/液相的分离/纯化，废水处理，催化剂载体，超级电容器，能源储存等。随着人类社会的发展，活性炭不仅应用范围越来越广泛、需求量也越来越大，此外市场对活性炭本身的质量也要求越来越高。
电木，学名酚醛树脂，原为无色或黄褐色透明物，市场销售往往加着色剂而呈红、黄、黑、绿、棕、蓝等颜色，有颗粒、粉末状。耐弱酸和弱碱，遇强酸发生分解，遇强碱发生腐蚀。不溶于水，溶于丙酮、酒精等有机溶剂中。它是最早的合成树脂，由于他原料易得，合成方便，以及树脂固化后性能优良，因此，电木已成为机械，建筑，及其他工业不可缺少的材料。虽然在热塑性塑料高度发展的情况下，但是电木的产量仍然稳步上升，名列热固性树脂之首位。与此同时，也造成废弃的电木数量日益增多，如果不能加以循环利用，不仅会对环境造成污染，而且也是对资源的一种极大的浪费。传统的电木废弃物回收利用方法是填埋和焚烧，这两种方法不仅消耗资源，而且造成二次污染。目前，废弃电木的回收利用日益受到关注。
本发明以工业废弃物电木粉为原料，首次采用往炭化料底部吹水蒸气的方式极大地提高了炭化料的活化效果，降低活性炭的生产成本，减轻环境污染，做到了变废为宝，也实现了自然资源的综合利用，且在活化过程中采用的是微波加热方式，极大地降低了能源消耗，极大地节约了生产成本，具有良好的环境、能源和社会效益。生产出来的活性炭的比表面积高且富含微孔、吸附能力强、灰分较低，可作为超级电容器得电极材料。这就为有效解决废弃电木这一工业废弃物的回收利用问题提供了一个切实可行的方法。
申请人在专利号为200610038065.0的专利里，公开了 “一种酚醛树脂基高比表面积活性炭的制备方法”，这种方法是将酚醛树脂粉碎后与固化剂混合，再与活化剂KOH混合研磨，然后在惰性气氛下以2.5~5℃/min的升温速度升至750~850℃进行活化，活化时间为30~180min，活化料在惰性气氛下冷却，先进行水洗，然后酸洗，最后水洗至中性，干燥得到粉末的高比表面积活性炭。上述发明与本发明相比，一是上述发明碱碳质量比比较大，浪费了资源，且在加热过程一直通入氮气保护也增大了生产成本，而本发明采用低碱碳比，加热前通1~2min氮气的方式，极大的节约了资源；二是上述发明采用的两段温度常规加热法延长了制备时间，而本发明采用微波加热一步到位法减少了整个制备时间；三是本发明采用底部吹二氧化碳协同超声波处理，极大地改善了制备的动力学条件，最后制得的比表面积达到4395m2/g，碘吸附能力达到2429mg/g，比上述发明制备的活性炭性能要好很多。
发明内容
本发明的目的在于提供一种活化废弃电木制备高比表面积活性炭的方法，具体包括以下步骤：
（1）废弃电木破碎至500-800 目的粒度，备用；
（2）按质量比为1:1~1:2的比例将步骤（1）得到的碳化后的废弃电木与KOH混合均匀装入反应容器中，然后放入微波装置（波功率5~10 kW）中在氮气保护下进行微波加热24~30min；
（3）在微波加热到18~24min时连通反应容器底部的导管吹入3~4min的水蒸气，同时开启超声波发生器（功率为100~300W），加热完毕后关闭微波装置和超声波发生器，将物料转移至装有自来水的烧杯中进行水洗，然后过滤，得滤液和滤渣；
（4）从滤液中回收残留的KOH，用盐酸洗涤滤渣1~2次，并对酸洗后滤渣采用自来水洗涤至洗涤液pH值为6~7，最后所得滤渣在105~115℃下干燥1~2h，即得到表面积活性炭。
本发明所述原材料为电木属于有机高分子类材料，炭化后属于玻璃碳，质地脆硬，活性炭产品属于蜂窝状多孔材料，此外由于电木本身有机物的差别，本方法制备的高比表面积活性炭表面上主要含有大量的酯基、伯酰胺等官能团，主要适用于贵金属催化剂及催化剂载体（钯、钌、铑、铂），贵重金属回收等领域。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
（1）本方法选取废弃电木生产活性炭，不仅实现了工业废弃物的回收利用，而且降低了活性炭的生产成本，是变废为宝。
（2）本方法将传统的炭化—活化制备工艺改进为微波加热一步到位高效制备法，不仅利用了微波加热能效高的优点、节约了整个制备所需的时间，而且将工艺过程变得更为简单方便。
（3）本方法采取KOH和水蒸气联合活化的方法，强强联合，不仅降低了KOH活化剂的耗用量，而且充分利用了两者的优点，分步进行，先通过KOH活化剂高效快速打开孔道， KOH和C会生成单质钾，钾蒸汽的扩散从而让炭化料形成大量孔隙，在加热达到一定活化程度且炭化料产生了大量的活性炭点，此时再通过水蒸气加强活化，此时活性炭点与H2O在高温下生成CO和H2气体，从而在炭化料上又生成更多的孔隙。
（4）本方法采取加热前通入1~2min氮气的方式，不仅降低了物料的烧蚀率，而且极大地节约了氮气的用量，充分坚定的践行了可持续发展原则，节约经济。
（5）传统技术只是简单地往炉内通入水蒸气，这样的活化效果并不明显，因为炭化料有一定厚度，很难对底层的炭化料起到活化的作用，只对表面一层有明显效果；本方法采取加热后期物料底部吹水蒸气的方式，充分发挥了制备过程的特点，极大地提高了活化效果；活化过程有大量活化气体产生，水蒸气的通入不仅改善了其动力学条件，而且在高温下更易发挥其活化能力也加强了底部物料的活化程度。
（6）本方法采取加热后期开启超声波的方式，利用了它的空化作用和超混合作用，不仅可以扩展活性炭的孔隙，而且可以改善活化过程的动力学条件。
（7）本方法采取活化物料加热完后冷热交替的方式，进一步孔隙的生成扩展。
（8）本方法采取回收利用的原则，回收KOH活化剂，回收率可以达到90%。
附图说明
图1为制备的电木炭化料和活性炭在77K的吸附等温线；
图2为制备的电木活性炭的孔径分布图；
图3为电木炭化料的扫描电镜图；
图4为电木高比表面积活性炭的扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实验中比表面积采用全自动物理化学吸附仪（Autosorb-1-C，康塔公司）测定，碘吸附值根据国家标准GB/T 12496.10-1999测定，实验用水均为自来水。
实施例1
首先将废弃电木破碎至500目的粒度，然后将KOH与废弃电木按2.0:1的质量比进行固相混合均匀装入陶瓷坩埚并放入微波高温反应炉。往炉内吹入1.0 min的氮气来排空炉内空气，在微波功率5kW条件下加热24min，在加热到18min时，迅速通过连通陶瓷坩埚底部的导管通入3.0 min的水蒸气，并且同时开启100W超声波发生器，加热完毕后关闭微波装置和超声波发生器，将物料移出得到活化料且迅速将活化料转移至装有自来水的容器中，先进行水洗，并回收残余KOH活化剂；再采用盐酸进行酸洗，再对酸洗后样品采用自来水进行漂洗，保持溶液pH值为7，在110℃下干燥1.5h得到高比表面积活性炭。
经上述步骤活化制备得到的高比表面积活性炭的碘吸附值为2429mg/g，活化得率为80.14%。
该活化制备的电木炭化料和活性炭，在77K的氮气吸附曲线图如图1所示，电木炭化料和活性炭的孔径分布图如图2所示，电木炭化料的扫描电镜图如图3所示，活化制备的电木活性炭扫描电镜如图4所示，从图1~2中的数据可以算出电木炭化料的BET比表面积为33m2/g，炭化料总孔体积为0.041ml/g，其平均孔径为5.00nm；活化制备的电木活性炭的BET比表面积达到4395m2/g，活化制备的电木活性炭的总孔体积为2.502ml/g，其平均孔径为2.33nm。
实施例2
首先将废弃电木破碎至800目的粒度，然后将KOH与废弃电木按1.5:1的质量比进行固相混合均匀装入陶瓷坩埚并放入微波高温反应炉；往炉内吹入1.5 min的氮气来排空炉内空气，在微波功率8kW条件下加热27min，在加热到20min时，迅速通过连通陶瓷坩埚底部的导管通入3.5 min的水蒸气，并且同时开启150W超声波发生器，加热完毕后关闭微波装置和超声波发生器，将物料移出得到活化料且迅速将活化料转移至装有自来水的容器中，先进行水洗，并回收残余KOH活化剂。采用盐酸进行酸洗，再对酸洗后样品采用自来水进行漂洗，保持溶液pH值为7，在105℃下干燥2h得到高比表面积活性炭。
经上述步骤活化制备得到的高比表面积活性炭的碘吸附值为2436mg/g，活化得率为79.68%。
实施例3
首先将废弃电木破碎至600目的粒度，然后将KOH与废弃电木按1.0:1的质量比进行固相混合均匀装入陶瓷坩埚并放入微波高温反应炉。往炉内吹入2.0 min的氮气来排空炉内空气，在微波功率10kW条件下加热30min，在加热到20min时，迅速通过连通陶瓷坩埚底部的导管通入4.0 min的水蒸气，并且同时开启300W超声波发生器，加热完毕后关闭微波装置和超声波发生器，将物料移出得到活化料且迅速将活化料转移至装有自来水的容器中，先进行水洗，并回收残余KOH活化剂。再采盐酸进行酸洗，再对酸洗后样品采用自来水进行漂洗，保持溶液pH值为7，在115℃下干燥1h得到高比表面积活性炭。
经上述步骤活化制备得到的高比表面积活性炭的碘吸附值为2443mg/g，活化得率为78.99%。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种活化废弃电木制备高比表面积活性炭的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）废弃电木破碎至500-800目的粒度，备用；
（2）按质量比为1:1~1:2的比例将步骤（1）得到的废弃电木与KOH混合均匀装入反应容器中，然后放入微波装置中在氮气保护下进行微波加热24~30min；
（3）在微波加热到18~24min时连通反应容器底部的导管吹入3~4min的水蒸气，同时开启超声波发生器，加热完毕后关闭微波装置和超声波发生器，将物料转移至装有自来水的烧杯中进行水洗，然后过滤，得滤液和滤渣；
（4）从滤液中回收残留的KOH，用盐酸洗涤滤渣1~2次，并对酸洗后滤渣采用自来水洗涤至洗涤液pH值为6~7，最后所得滤渣在105~115℃下干燥1~2h，即得到高比表面积活性炭。
2.根据权利要求1所述活化废弃电木制备高比表面积活性炭的方法，其特征在于：步骤（2）所述微波装置的微波功率5~10kW。
3.根据权利要求1所述活化废弃电木制备高比表面积活性炭的方法，其特征在于：步骤（3）所述超声波发生器的功率为100~300W。
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