CN106185918A - 一种多级孔结构的活性炭的制备方法 - Google Patents

一种多级孔结构的活性炭的制备方法 Download PDF

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叶孙龙
周敦满
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Abstract

本发明涉及一种多级孔结构的活性炭的制备方法，本发明先将果壳进行除杂、洗净、干燥、粉碎处理，再将粉碎处理后的果壳进行高温碳化处理；将碳化处理后的物料与聚乙二醇和丙二醇及过氧化叔丁醇加热混合搅拌后，放入真空加压罐中，并抽真空至0.02‑0.06KPa，并在此条件下浸渍一段时间后，再将处理后的物料进行高温碳化及二氧化碳进一步活化处理，将处理后的物料进行酸洗、水洗至中性并干燥后得到多级孔结构的活性炭。本发明制备得到的活性炭具有高比表面积，比表面积达到1250‑1680m2/g，其中，微孔率达到56‑73％、中孔率达到20‑28％、大孔率达到7‑16％，拓宽了活性炭的应用领域。

Description

一种多级孔结构的活性炭的制备方法
技术领域
本发明属于活性炭制备技术领域，具体涉及一种多级孔结构的活性炭的制备方法。
背景技术
活性炭是具有孔隙结构发达、比表面积大、选择性吸附能力强的碳质吸附材料。在一定的条件下，对液体或气体的某一或某些物质进行吸附脱除、净化、精制或回收，从而实现产品的精制和环境的净化。时至今日，活性炭已经被广泛应用于工业、农业、国防、交通、食品、医药、环境保护等各个领域。活性炭主要是以木炭、木屑、各种果壳、煤炭和石油焦等高含碳物质为原料，经碳化和活化而制得的多孔性吸附剂。活性炭的吸附大多数是物理吸附，即范德华吸附，也有化学吸附。活性炭是一种以石墨微晶为基础的无定型结构，其中微晶是二维有序的另一维是不规则交联六角形空间晶格。活性炭孔径根据国际理论与应用化学协会IUPAC采纳的分类法：孔径<2nm为微孔，2nm<孔径<50nm为中孔，孔径>50nm为大孔。
活性炭的制备通常经过炭化和活化步骤。炭化的目的是要得到适宜于活化的初始孔隙和具有一定机械强度的炭化料。活化过程是制备高比表面积活性炭的关键步骤。活化方法分物理活化和化学活化。物理活化是指利用二氧化碳水蒸气等氧化性气体与含碳材料内部的碳原子反应，通过开孔、扩孔和创造新孔而形成丰富的微孔。物理活化制备活性炭的生产工艺简单、清洁，不存在设备腐蚀和环境污染的问题。化学活化法是通过化学试剂镶嵌入炭颗粒内部结构中而开创出丰富的微孔，常用的活化试剂为KOH、NaOH、磷酸或氯化锌等。
然而目前制备的方法得到的活性炭虽然有较大的比表面积，但是均以微孔为主，限制了其的应用领域，如催化等领域等。
发明内容
本发明的目的在于为了克服现有技术的不足而提供一种多级孔结构的活性炭的制备方法。本发明的制备方法中先对原料进行碳化处理后，将碳化处理后的物料与聚乙二醇和丙二醇及过氧化叔丁醇加热混合搅拌后，放入真空加压罐中，并抽真空至0.02-0.06KPa，并在此条件下浸渍一段时间后，再进行高温烧结及进一步二氧化碳处理，得到活性炭。本发明制备得到的活性炭的比表面积高达1250-1680m2/g，得到多级孔结构的活性炭，其中微孔率达到56-73％、中孔率达到20-28％、大孔率达到7-16％。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案为：
一种多级孔结构的活性炭的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)：将果壳进行除杂、洗净、干燥、粉碎处理；将粉碎处理后的果壳放入高温炉中，在惰性气氛下，进行高温烧结；其中烧结温度为400-800℃，烧结时间为1-3h；得到物料一；
步骤(2)：将物料一加入至聚乙二醇和丙二醇混合液中，再加入过氧化叔丁醇后，于40-60℃下搅拌0.5-1h，得到混合料；将所述混合料置于密闭的真空加压罐中，抽真空至0.02-0.06KPa，并在0.02-0.06KPa下浸渍0.5-1.5h；将真空负压下处理后的物料放入烘箱中干燥0.5-1.5h，干燥温度为55-65℃；得到物料二；其中聚乙二醇与丙二醇的质量比为2-4:1；所述物料一与过氧化叔丁醇的质量比为2-5:1；
步骤(3)：将物料二置于高温炉中在惰性气氛的保护下高温炭化0.5-2h，高温碳化温度为800-1200℃；之后保持高温炉中的温度在800-1200℃下，向高温炉中通入CO2和氩气的混合气体，反应3-6h；其中CO2和氩气的体积比为3-5:1；反应完后，冷却至室温，得到物料三；
步骤(4)：将物料三进行酸洗，再水洗至中性，干燥后得到多级孔结构的活性炭。
本发明提供一种多级孔结构的活性炭的制备方法的进一步优选方案为：
其中，步骤(1)中所述高温烧结的温度优选为600-800℃，更有选为700-800℃；高温烧结的时间优选为2-3h，更优选为2.5-3h；步骤(1)中所述的惰性气氛为氮气、氩气或氮气氩气的混合气氛。
其中，步骤(2)所述聚乙二醇与丙二醇的质量比优选为3-4:1；所述物料一与过氧化叔丁醇的质量比为3-5:1；其中，所述混合料置于密闭的真空加压罐中，抽真空至0.04-0.06KPa，并在0.04-0.06KPa下浸渍1-1.5h。
其中，步骤(3)中物料二于高温炉中在惰性气氛下高温碳化的温度优选为900-1100℃，更优选为950-1050℃；高温碳化的时间优选为1-2h；向高温炉中通入CO2和氩气的混合气体，反应时间优选为4.5-6h；其中，CO2和氩气的体积比优选为4-5:1；步骤(3)所述惰性气氛为氮气、氩气或氮气氩气的混合气氛。
其中，步骤(4)中所述将物料三进行酸洗的具体过程为：向物料三中加入浓度为2-5M的盐酸溶液，在常温下先处理1-3h，再于60-80℃下加热搅拌处理5-10min。干燥温度为100-120℃，干燥时间为5-10h。
本发明提出的一种多级孔结构的活性炭的制备方法，与现有技术相比，有益效果为：本发明制备得到的活性炭具有较高的比表面积，比表面积高达1250-1680m2/g；且本发明制备得到的活性炭具有多级孔结构，其中微孔率达到56-73％、中孔率达到20-28％、大孔率达到7-16％，拓宽了活性炭的应用范围。
具体实施方式
实施例1
步骤(1)：将果壳进行除杂、洗净、干燥、粉碎处理；将粉碎处理后的果壳放入高温炉中，在氮气气氛下，进行高温烧结；其中烧结温度为400℃，烧结时间为1h；得到物料一；
步骤(2)：将物料一加入至聚乙二醇和丙二醇混合液中，其中聚乙二醇与丙二醇的质量比为2:1；再加入过氧化叔丁醇，所述物料一与过氧化叔丁醇的质量比为2:1；于40℃下搅拌0.5h，得到混合料；将所述混合料置于密闭的真空加压罐中，抽真空至0.02KPa，并在0.02KPa下浸渍0.5h；将真空负压下处理后的物料放入烘箱中干燥1.5h，干燥温度为55℃；得到物料二；
步骤(3)：将物料二置于高温炉中在惰性气氛的保护下高温炭化0.5h，高温碳化温度为800℃；之后保持高温炉中的温度在800℃下，向高温炉中通入CO2和氩气的混合气体，其中CO2和氩气的体积比为3:1；反应3h；反应完后，冷却至室温，得到物料三；
步骤(4)：向物料三中加入浓度为2M的盐酸溶液，在常温下先处理1h，再于60℃下加热搅拌处理5min；再水洗至中性，并于100℃下干燥5h；干燥后得到多级孔结构的活性炭。
实施例2
步骤(1)：将果壳进行除杂、洗净、干燥、粉碎处理；将粉碎处理后的果壳放入高温炉中，在惰性气氛下，进行高温烧结；其中烧结温度为600℃，烧结时间为2h；得到物料一；
步骤(2)：将物料一加入至聚乙二醇和丙二醇混合液中，其中聚乙二醇与丙二醇的质量比为3：1；再加入过氧化叔丁醇，所述物料一与过氧化叔丁醇的质量比为3:1；于45℃下搅拌0.5h，得到混合料；将所述混合料置于密闭的真空加压罐中，抽真空至0.04KPa，并在0.04KPa下浸渍1h；将真空负压下处理后的物料放入烘箱中干燥1h，干燥温度为60℃；得到物料二；
步骤(3)：将物料二置于高温炉中在惰性气氛的保护下高温炭化1h，高温碳化温度为900℃；之后保持高温炉中的温度在900℃下，向高温炉中通入CO2和氩气的混合气体，其中CO2和氩气的体积比为4:1；反应4h；反应完后，冷却至室温，得到物料三；
步骤(4)：向物料三中加入浓度为3M的盐酸溶液，在常温下先处理1.5h，再于70℃下加热搅拌处理5min；再水洗至中性，并于100℃下干燥5h；干燥后得到多级孔结构的活性炭。
实施例3
步骤(1)：将果壳进行除杂、洗净、干燥、粉碎处理；将粉碎处理后的果壳放入高温炉中，在惰性气氛下，进行高温烧结；其中烧结温度为700℃，烧结时间为2.5h；得到物料一；
步骤(2)：将物料一加入至聚乙二醇和丙二醇混合液中，其中聚乙二醇与丙二醇的质量比为4:1；再加入过氧化叔丁醇，所述物料一与过氧化叔丁醇的质量比为4:1；于50℃下搅拌1h，得到混合料；将所述混合料置于密闭的真空加压罐中，抽真空至0.05KPa，并在0.05KPa下浸渍1h；将真空负压下处理后的物料放入烘箱中干燥1h，干燥温度为55℃；得到物料二；
步骤(3)：将物料二置于高温炉中在惰性气氛的保护下高温炭化1h，高温碳化温度为1000℃；之后保持高温炉中的温度在1000℃下，向高温炉中通入CO2和氩气的混合气体，其中CO2和氩气的体积比为4:1；反应4.5h；反应完后，冷却至室温，得到物料三；
步骤(4)：向物料三中加入浓度为3M的盐酸溶液，在常温下先处理1.5h，再于70℃下加热搅拌处理8min；再水洗至中性，并于120℃下干燥8h；干燥后得到多级孔结构的活性炭。
实施例4
步骤(1)：将果壳进行除杂、洗净、干燥、粉碎处理；将粉碎处理后的果壳放入高温炉中，在惰性气氛下，进行高温烧结；其中烧结温度为750℃，烧结时间为2h；得到物料一；
步骤(2)：将物料一加入至聚乙二醇和丙二醇混合液中，其中聚乙二醇与丙二醇的质量比为4:1；再加入过氧化叔丁醇，所述物料一与过氧化叔丁醇的质量比为5:1；于55℃下搅拌1h，得到混合料；将所述混合料置于密闭的真空加压罐中，抽真空至0.05KPa，并在0.05KPa下浸渍1h；将真空负压下处理后的物料放入烘箱中干燥1h，干燥温度为55℃；得到物料二；
步骤(3)：将物料二置于高温炉中在惰性气氛的保护下高温炭化1.5h，高温碳化温度为1100℃；之后保持高温炉中的温度在1100℃下，向高温炉中通入CO2和氩气的混合气体，其中CO2和氩气的体积比为4:1；反应5h；反应完后，冷却至室温，得到物料三；
步骤(4)：向物料三中加入浓度为3M的盐酸溶液，在常温下先处理2h，再于70℃下加热搅拌处理8min；再水洗至中性，并于100℃下干燥8h；干燥后得到多级孔结构的活性炭。
实施例5
步骤(1)：将果壳进行除杂、洗净、干燥、粉碎处理；将粉碎处理后的果壳放入高温炉中，在惰性气氛下，进行高温烧结；其中烧结温度为800℃，烧结时间为3h；得到物料一；
步骤(2)：将物料一加入至聚乙二醇和丙二醇混合液中，其中聚乙二醇与丙二醇的质量比为4:1；再加入过氧化叔丁醇，所述物料一与过氧化叔丁醇的质量比为5:1；于60℃下搅拌1h，得到混合料；将所述混合料置于密闭的真空加压罐中，抽真空至0.06KPa，并在0.06KPa下浸渍1.5h；将真空负压下处理后的物料放入烘箱中干燥0.5h，干燥温度为60℃；得到物料二；
步骤(3)：将物料二置于高温炉中在惰性气氛的保护下高温炭化2h，高温碳化温度为1200℃；之后保持高温炉中的温度在1200℃下，向高温炉中通入CO2和氩气的混合气体，其中CO2和氩气的体积比为5:1；反应6h；反应完后，冷却至室温，得到物料三；
步骤(4)：向物料三中加入浓度为4M的盐酸溶液，在常温下先处理1h，再于60℃下加热搅拌处理10min；再水洗至中性，并于100℃下干燥8h；干燥后得到多级孔结构的活性炭。
性能检测：
现将实施例1-实施例5得到的活性炭的性能测定结果呈现在表1中，从表1中看出本发明制备得到的活性炭具有高比表面积，比表面积达到1250-1680m2/g，且本发明的制备方法得到的活性炭具有多级孔结构，其中微孔率为56-73％、中孔率为20-28％、大孔率为7-16％，拓宽了活性炭的应用领域。
表1本发明制备得到的活性炭的性质
样品 比表面(m2/g) 微孔率(％) 中孔率(％) 大孔率(％)
实施例1 1250 56 28 16
实施例2 1450 62 25 13
实施例3 1560 68 22 10
实施例4 1680 73 20 7
实施例5 1320 60 26 14
本发明的具体实施方式中未涉及的说明属于本领域公知技术，可参考公知技术加以实施。
本发明经反复试验验证，取得了满意的试用效果。
本发明的实施方式不限于上述实施例，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多级孔结构的活性炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：将果壳进行除杂、洗净、干燥、粉碎处理；将粉碎处理后的果壳放入高温炉中，在惰性气氛下，进行高温烧结；其中烧结温度为400-800℃，烧结时间为1-3h；得到物料一；
步骤(2)：将物料一加入至聚乙二醇和丙二醇混合液中，再加入过氧化叔丁醇后，于40-60℃下搅拌0.5-1h，得到混合料；将所述混合料置于密闭的真空加压罐中，抽真空至0.02-0.06KPa，并在0.02-0.06KPa下浸渍0.5-1.5h；将真空负压下处理后的物料放入烘箱中干燥0.5-1.5h，干燥温度为55-65℃；得到物料二；其中聚乙二醇与丙二醇的质量比为2-4:1；所述物料一与过氧化叔丁醇的质量比为2-5:1；
步骤(3)：将物料二置于高温炉中在惰性气氛的保护下高温炭化0.5-2h，高温碳化温度为800-1200℃；之后保持高温炉中的温度在800-1200℃下，向高温炉中通入CO2和氩气的混合气体，反应3-6h；其中CO2和氩气的体积比为3-5:1；反应完后，冷却至室温，得到物料三；
步骤(4)：将物料三进行酸洗，再水洗至中性，干燥后得到多级孔结构的活性炭。
2.根据权利要求1所述的一种多级孔结构的活性炭的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述高温烧结的温度为700-800℃；高温烧结的时间为2.5-3h。
3.根据权利要求1所述的一种多级孔结构的活性炭的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述聚乙二醇与丙二醇的质量比优选为3-4:1；所述物料一与过氧化叔丁醇的质量比为3-5:1。
4.根据权利要求1所述的一种多级孔结构的活性炭的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述混合料置于密闭的真空加压罐中，抽真空至0.04-0.06KPa，并在0.04-0.06KPa下浸渍1-1.5h。
5.根据权利要求1所述的一种多级孔结构的活性炭的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述物料二于高温炉中在惰性气氛下高温碳化的温度为950-1050℃；高温碳化的时间为1-2h。
6.根据权利要求1所述的一种多级孔结构的活性炭的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述向高温炉中通入CO2和氩气的混合气体，反应时间为4.5-6h；其中，CO2和氩气的体积比为4-5:1。
7.根据权利要求1所述的一种多级孔结构的活性炭的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述将物料三进行酸洗的具体过程为：向物料三中加入浓度为2-5M的盐酸溶液，在常温下先处理1-3h，再于60-80℃下加热搅拌处理5-10min。
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