CN108017055A - 椰壳制备超级活性炭的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种椰壳制备超级活性炭的方法，包括以下步骤：S1、将预处理椰壳干馏炭化后，搅拌除杂并粉碎，得搅拌料；S2、将搅拌料置于活化炉中，通入高温水蒸汽，控制高温水蒸汽流速为2.8‑3.3m³/h，压力为3.8‑4.3MPa，温度为1180‑1250℃，反应11‑13h；S3、向活化炉中通入可燃性气体及高温水蒸汽的混合气体，进行再扩孔，得粗物料；S4、粗物料经物理除杂后粉碎得成品。本发明以可再生资源椰壳为原料，全过程采用物理法生产，过程无污染，成本低，成品比表面积高、微孔孔径可控、干净，制得的成品超级活性炭的总比表面积为1800‑2200m²/g，比电容为50‑80F/g，且内电阻极低。

Description

椰壳制备超级活性炭的方法

技术领域

本发明涉及超级活性炭制备领域。更具体地说，本发明涉及一种椰壳制备超级活性炭的方法。

背景技术

超级电容器是利用电极/电解质交界面上的双电层或发生的二维/准二维法拉第反应来储能的一种新型电储能器件。根据超级电容器的工作原理，为了使超级电容器获得较大的容量，电极材料需要具有化学惰性、比表面积大、导电性好、纯度高等特性，目前使用最多的电极材料为多孔碳材料，包括活性炭粉末、活性炭纤维、碳纳米管和碳气凝胶，其中，活性炭粉末的来源可为生物质，从原头上确保绿色无污染，具有锂电池无法比拟的独特优势。

但是，目前市售的活性炭适合作为电极材料的确很少，首先，活性炭制作过程中由于现有物理活化的反应温度普遍偏高，故多使用化学方法，或者化学结合物理方法制备活性炭，但是化学制备方法导致制备的活性炭上富含杂质，且清洗困难；其次，活性炭孔径难于控制，孔径太大炭表面的吸附力下降，吸附电解质离子形成双电层的有效性下降，且孔径过大也伴随着比表面积的减少，孔径太小，电解质离子无法进入孔隙、或者迁移扩散速度慢难以达到炭表面，无法形成双电层，故合适的技术手段和工艺来调控活性炭的比表面积、孔径和孔径分布，是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种椰壳制备超级活性炭的方法，其以可再生资源椰壳为原料，全过程采用物理法生产，过程无污染，成本低，成品比表面积高、微孔孔径可控、干净，制得的成品超级活性炭的总比表面积为1800-2200m²/g，比电容为50-80F/g，且内电阻极低。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种椰壳制备超级活性炭的方法，包括以下步骤：

S1、将预处理椰壳干馏炭化后，搅拌除杂并粉碎，得搅拌料；

S2、将搅拌料置于活化炉中，通入高温水蒸汽，进行初步造孔；

S3、向活化炉中通入可燃性气体及高温水蒸汽的混合气体，进行再扩孔，得粗物料；

S4、粗物料经物理除杂后粉碎得成品。

优选的是，步骤S1中预处理椰壳的制备方法为：将干燥后含水量为10-14％的椰壳粉碎，过50-60目筛，得椰壳粉，将椰壳粉通过塑料成型装置挤压成直径为1cm的球形物料，将球形物料置于烧结炉中，通入氮气，控制温度为300-400℃，反应30-40min，取出冷却至室温，得预处理椰壳。

优选的是，步骤S1中干馏炭化的具体方法为：将预处理椰壳置于炭化炉中，控制炭化炉内起始温度为400℃，以每小时升温50-60℃的速度升温至炭化炉内温度为700-750℃，继续反应23-25h，炭化炉内温度以每小时50-60℃的速度降至室温，得炭化料。

优选的是，步骤S2中初步造孔中控制高温水蒸汽流速为2.8-3.3m³/h，压力为

3.8-4.3MPa，温度为1180-1250℃，反应11-13h；

步骤S3中再扩孔中控制混合气体的流速为2.8-3.3m³/h，压力为3.8-4.3MPa，温度为1180-1250℃，继续反应11-13h，其中，混合气体中可燃性气体和高温水蒸气体积比为1:2。

优选的是，步骤S2中初步造孔中控制高温水蒸汽流速为3m³/h，压力为4MPa，温度为1200℃，反应12h；

步骤S3中再扩孔中控制混合气体的流速为3m³/h，压力为4MPa，温度为1200℃，继续反应12h。

优选的是，混合气体中可燃性气体为甲烷。

优选的是，步骤S4中物理除杂的具体方法为：将粗物料置于悬浮器中进行湿法浮选，其中，控制水与粗物料的质量比为9:1，水的流速为10m/s。

优选的是，步骤S1中搅拌除杂并粉碎的具体方法为：将炭化料置于搅拌机中搅拌除杂，将搅拌除杂后的炭化料置于粉碎机中粉碎，过100-120目筛。

优选的是，所述搅拌机包括：

搅拌桶，其上下端呈圆弧状凸起设置，所述搅拌桶中部竖向设置由多个横向截面为正六边形的导流管共用侧面形成的蜂窝状摩擦管，所述搅拌桶顶部设置一搅拌电机，所述搅拌电机的搅拌轴与所述搅拌桶同轴设置并穿过所述摩擦管至所述搅拌桶底部，且距离底部至少1cm，所述搅拌桶底部最低处设置一开口，并通过塞子密封，所述搅拌轴位于摩擦管两侧上间隔设置桨叶，上下相邻桨叶间的距离大于1cm；

旋转装置，其包括分别设置在搅拌桶外周两侧的立柱、每个立柱中部水平设置的横板、每个横板上固设一旋转电机，所述旋转电机的旋转轴与所述搅拌桶外侧壁固接，以带动搅拌桶翻转；

其中，所述导流管横向截面内切圆的直径大于1.3cm，小于1.8cm。

优选的是，每个导流管的内侧壁上下等间隔设置多个定位孔，每个定位孔处设置一个摩擦组件；

所述摩擦组件包括：

水平杆，其固设于导流管内，且沿所述导流管侧壁宽度方向设置，所述水平杆的中心点位于所述定位孔的中轴线上；

摩擦杆，其与所述水平杆可上下旋转连接并从所述定位孔穿出，且与所述定位孔下端抵接，所述摩擦杆远离所述水平杆的一端固设一毛刷，其中，同一导流管同一平面上六个摩擦杆最低端点形成圆的直径大于1.2cm，小于1.3cm，同一导流管同一平面上六个毛刷最低端点形成圆的直径大于0.9cm，小于1cm。

本发明至少包括以下有益效果：以可再生资源椰壳为原料，椰壳炭机械强度高，内部结构致密，具有较高的堆密度，且椰壳中灰含量少，从原料处理至成品，全过程采用物理法生产，过程无污染，成本低，成品比表面积高、微孔孔径可控、干净，具体为：

(1)椰壳预处理过程中将干燥后的椰壳粉碎后挤压呈球状进行烧结处理，炭化前的烧结能够有效的改善球形物料的致密性，同时改善其晶粒尺寸、气孔尺寸，结合后期炭化的过程的处理使炭化料获得固定的三向网状结构的同时，控制其内气凝胶(椰壳本身分解产生的甲烷等可燃性气体)的含量在20-25％，气凝胶含量的控制能够有效的占据炭化椰壳内部空间，为后期造孔及扩孔处理打下基础；

(2)初步造孔以及再扩孔的过程中通过水蒸汽流速、温度、压力等的控制，严格控制和调控微孔的发展，同时再扩孔的过程中与现有技术中通入惰性气体制造贫氧环境相比，本发明通过通入可燃性气体的方式一方面可燃性气体燃烧消耗火化炉内氧气，另一方面可燃性气体燃烧为孔径的再扩张提供充足的能源，改善活化反应，且椰壳灰分中含有钾盐，同样能够促进活化反应；

(3)炭化后通入搅拌机中进行搅拌摩擦表面除杂，再扩孔后通过悬浮器去杂提纯，相比较与传统的除杂方式保证了成品的洁净度，制得的成品超级活性炭的总比表面积为1800-2200m²/g，比电容为50-80F/g，且内电阻极低。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述搅拌机的结构示意图；

图2为本发明所述搅拌桶的结构示意图；

图3为本发明所述摩擦组件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

<实施例1>

一种椰壳制备超级活性炭的方法，包括以下步骤：

S1、将预处理椰壳干馏炭化后，搅拌除杂并粉碎，得搅拌料；

其中，预处理椰壳的制备方法为：将干燥后含水量在10-14％之间的椰壳粉碎，粉碎后的椰壳过60目筛，得椰壳粉，将椰壳粉通过塑料成型装置挤压成直径为1cm的球形物料，将球形物料置于烧结炉中，通入氮气，控制温度为350℃，反应35min，取出冷却至室温，得预处理椰壳；

干馏炭化的具体方法为：将预处理椰壳置于炭化炉中，控制炭化炉内起始温度为400℃，以每小时升温55℃的速度升温至炭化炉内温度为730℃，继续反应24h，炭化炉内温度以每小时55℃的速度降至室温，得炭化料；

搅拌除杂并粉碎的具体方法为：将炭化料置于搅拌机中搅拌除杂，将搅拌除杂后的炭化料置于粉碎机中粉碎，过110目筛；

S2、将搅拌料置于活化炉中，通入高温水蒸汽，控制高温水蒸汽流速为3m³/h，压力为4MPa，温度为1200℃，反应12h；

S3、向活化炉中通入甲烷及高温水蒸汽的混合气体，控制混合气体的流速为3m³/h，压力为4MPa，温度为1200℃，继续反应12h，其中，混合气体中甲烷和高温水蒸气体积比为1:2，得粗物料；

S4、粗物料经物理除杂后粉碎得成品；

其中，物理除杂的具体方法为：将粗物料置于悬浮器中进行湿法浮选，其中，控制水与粗物料的质量比为9:1，水的流速为10m/s。

<实施例2>

一种椰壳制备超级活性炭的方法，包括以下步骤：

S1、将预处理椰壳干馏炭化后，搅拌除杂并粉碎，得搅拌料；

其中，预处理椰壳的制备方法为：将干燥后含水量在10-14％之间的椰壳粉碎，过50目筛，得椰壳粉，将椰壳粉通过塑料成型装置挤压成直径为1cm的球形物料，将球形物料置于烧结炉中，通入氮气，控制温度为300℃，反应40min，取出冷却至室温，得预处理椰壳；

干馏炭化的具体方法为：将预处理椰壳置于炭化炉中，控制炭化炉内起始温度为400℃，以每小时升温60℃的速度升温至炭化炉内温度为750℃，继续反应23h，炭化炉内温度以每小时50℃的速度降至室温，得炭化料；

搅拌除杂并粉碎的具体方法为：将炭化料置于搅拌机中搅拌除杂，将搅拌除杂后的炭化料置于粉碎机中粉碎，过100目筛；

S2、将搅拌料置于活化炉中，通入高温水蒸汽，控制高温水蒸汽流速为2.8m³/h，压力为4.3MPa，温度为1250℃，反应13h；

S3、向活化炉中通入甲烷及高温水蒸汽的混合气体，控制混合气体的流速为2.8m³/h，压力为4.3MPa，温度为1180℃，继续反应13h，其中，混合气体中甲烷和高温水蒸气体积比为1:2，得粗物料；

S4、粗物料经物理除杂后粉碎得成品；

其中，物理除杂的具体方法为：将粗物料置于悬浮器中进行湿法浮选，其中，控制水与粗物料的质量比为9:1，水的流速为10m/s。

<实施例3>

一种椰壳制备超级活性炭的方法，包括以下步骤：

S1、将预处理椰壳干馏炭化后，搅拌除杂并粉碎，得搅拌料；

其中，预处理椰壳的制备方法为：将干燥后含水量在10-14％之间的椰壳粉碎，过60目筛，得椰壳粉，将椰壳粉通过塑料成型装置挤压成直径为1cm的球形物料，将球形物料置于烧结炉中，通入氮气，控制温度为400℃，反应30min，取出冷却至室温，得预处理椰壳；

干馏炭化的具体方法为：将预处理椰壳置于炭化炉中，控制炭化炉内起始温度为400℃，以每小时升温50℃的速度升温至炭化炉内温度为700℃，继续反应25h，炭化炉内温度以每小时60℃的速度降至室温，得炭化料；

搅拌除杂并粉碎的具体方法为：将炭化料置于搅拌机中搅拌除杂，将搅拌除杂后的炭化料置于粉碎机中粉碎，过120目筛；

S2、将搅拌料置于活化炉中，通入高温水蒸汽，控制高温水蒸汽流速为3.3m³/h，压力为3.8MPa，温度为1180℃，反应11h；

S3、向活化炉中通入甲烷及高温水蒸汽的混合气体，控制混合气体的流速为3.3m³/h，压力为3.8MPa，温度为1250℃，继续反应11h，其中，混合气体中甲烷和高温水蒸气体积比为1:2，得粗物料；

S4、粗物料经物理除杂后粉碎得成品；

其中，物理除杂的具体方法为：将粗物料置于悬浮器中进行湿法浮选，其中，控制水与粗物料的质量比为9:1，水的流速为10m/s。

<实施例4>

具体操作同实施例1，其中，使用的搅拌机1及搅拌方法具体为：

如图1-3所示，所述搅拌机1包括：

搅拌桶2，其为圆柱形筒体且上下端呈圆弧状凸起设置，所述搅拌桶2中部竖向设置由多个横向截面为正六边形的导流管30共用侧面形成的蜂窝状摩擦管3(所述摩擦管3的周向与所述搅拌桶2周向贴合设置，周边不连接处通过导向片切斜过渡连接)，所述搅拌桶2内顶部固定设置一搅拌电机4，所述搅拌电机4的搅拌轴40与所述搅拌桶2同轴设置并穿过所述摩擦管3至所述搅拌桶2底部，且距离搅拌桶2底部至少1cm，所述搅拌桶2底部最低处设置一开口41，并通过塞子42密封，所述搅拌轴40位于摩擦管3两侧上间隔设置桨叶43，上下相邻桨叶43间的距离大于1cm；

旋转装置5，其包括分别设置在搅拌桶2外周两侧的立柱50、每个立柱50中部水平设置的横板51、每个横板51上固设一旋转电机52，所述旋转电机52的旋转轴53与所述搅拌桶2外侧壁固接，以带动搅拌桶2翻转；

其中，所述导流管30横向截面内切圆的直径等于1.5cm；

每个导流管30的内侧壁上下等间隔设置多个定位孔60，每个定位孔60处设置一个摩擦组件6；

所述摩擦组件6包括：

水平杆61，其固设于导流管30内，且沿所述导流管30侧壁宽度方向设置，所述水平杆61的中心点位于所述定位孔60的中轴线上；

摩擦杆62，其与所述水平杆61可上下旋转连接并从所述定位孔60穿出，且与所述定位孔60下端抵接，所述摩擦杆62远离所述水平杆61的一端固设一毛刷63，其中，同一导流管30同一平面上六个摩擦杆62最低端点形成圆的直径等于1.25cm，同一导流管30同一平面上六个毛刷63最低端点形成圆的直径等于0.95cm；

使用过程中，所述搅拌桶2的顶端具有一入口，将炭化料通过入口置于搅拌桶2，开启搅拌电机4，炭化料经过搅拌后通过摩擦管3进入下层搅拌空间，继续搅拌，直至炭化料全部落入下层搅拌空间，停止搅拌，开启旋转电机52，带动搅拌桶2旋转180度后固定，继续搅拌，往复5次后，打开开口41处塞子42，获得搅拌后的炭化料即可，整个装置能够快速有效的摩擦去除炭化料表面杂质，效率高的同时不损害炭化料内部材料。

实验结果

1、炭化料气凝胶含量、总比表面积(m²/g)、及比电容F/g的具体实验结果如下表1所示：

表1

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					炭化料气凝胶含量	23％	20％	25％	22％
总比表面积(m2/g)	2200	1960	1800	2095
					比电容F/g	80	56	50	74

2、实施例4的炭化料搅拌后相较于实施例1其更为表面光滑，且破碎料较少，且需要搅拌时间小于实施例1。

产业实用性

由于本发明的超级活性炭全过程采用物理法生产，不存在化学污染及化学残留，成品比表面积高、微孔孔径可控、且干净，可以在工业上低成本有利制造。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (10)

1.一种椰壳制备超级活性炭的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将预处理椰壳干馏炭化后，搅拌除杂并粉碎，得搅拌料；

S2、将搅拌料置于活化炉中，通入高温水蒸汽，进行初步造孔；

S3、向活化炉中通入可燃性气体及高温水蒸汽的混合气体，进行再扩孔，得粗物料；

S4、粗物料经物理除杂后粉碎得成品。

2.如权利要求1所述的椰壳制备超级活性炭的方法，其特征在于，步骤S1中预处理椰壳的制备方法为：将干燥后含水量为10-14％的椰壳粉碎，过50-60目筛，得椰壳粉，将椰壳粉通过塑料成型装置挤压成直径为1cm的球形物料，将球形物料置于烧结炉中，通入氮气，控制温度为300-400℃，反应30-40min，取出冷却至室温，得预处理椰壳。

3.如权利要求2所述的椰壳制备超级活性炭的方法，其特征在于，步骤S1中干馏炭化的具体方法为：将预处理椰壳置于炭化炉中，控制炭化炉内起始温度为400℃，以每小时升温50-60℃的速度升温至炭化炉内温度为700-750℃，继续反应23-25h，炭化炉内温度以每小时50-60℃的速度降至室温，得炭化料。

4.如权利要求1所述的椰壳制备超级活性炭的方法，其特征在于，步骤S2中初步造孔中控制高温水蒸汽流速为2.8-3.3m³/h，压力为3.8-4.3MPa，温度为1180-1250℃，反应11-13h；

步骤S3中再扩孔中控制混合气体的流速为2.8-3.3m³/h，压力为3.8-4.3MPa，温度为1180-1250℃，继续反应11-13h，其中，混合气体中可燃性气体和高温水蒸气体积比为1:2。

5.如权利要求4所述的椰壳制备超级活性炭的方法，其特征在于，步骤S2中初步造孔中控制高温水蒸汽流速为3m³/h，压力为4MPa，温度为1200℃，反应12h；

步骤S3中再扩孔中控制混合气体的流速为3m³/h，压力为4MPa，温度为1200℃，继续反应12h。

6.如权利要求5所述的椰壳制备超级活性炭的方法，其特征在于，混合气体中可燃性气体为甲烷。

7.如权利要求1所述的椰壳制备超级活性炭的方法，其特征在于，步骤S4中物理除杂的具体方法为：将粗物料置于悬浮器中进行湿法浮选，其中，控制水与粗物料的质量比为9:1，水的流速为10m/s。

8.如权利要求3所述的椰壳制备超级活性炭的方法，其特征在于，步骤S1中搅拌除杂并粉碎的具体方法为：将炭化料置于搅拌机中搅拌除杂，将搅拌除杂后的炭化料置于粉碎机中粉碎，过100-120目筛。

9.如权利要求8所述的椰壳制备超级活性炭的方法，其特征在于，所述搅拌机包括：

搅拌桶，其上下端呈圆弧状凸起设置，所述搅拌桶中部竖向设置由多个横向截面为正六边形的导流管共用侧面形成的蜂窝状摩擦管，所述搅拌桶顶部设置一搅拌电机，所述搅拌电机的搅拌轴与所述搅拌桶同轴设置并穿过所述摩擦管至所述搅拌桶底部，且距离底部至少1cm，所述搅拌桶底部最低处设置一开口，并通过塞子密封，所述搅拌轴位于摩擦管两侧上间隔设置桨叶，上下相邻桨叶间的距离大于1cm；

旋转装置，其包括分别设置在搅拌桶外周两侧的立柱、每个立柱中部水平设置的横板、每个横板上固设一旋转电机，所述旋转电机的旋转轴与所述搅拌桶外侧壁固接，以带动搅拌桶翻转；

其中，所述导流管横向截面内切圆的直径大于1.3cm，小于1.8cm。

10.如权利要求9所述的椰壳制备超级活性炭的方法，其特征在于，每个导流管的内侧壁上下等间隔设置多个定位孔，每个定位孔处设置一个摩擦组件；

所述摩擦组件包括：

水平杆，其固设于导流管内，且沿所述导流管侧壁宽度方向设置，所述水平杆的中心点位于所述定位孔的中轴线上；

摩擦杆，其与所述水平杆可上下旋转连接并从所述定位孔穿出，且与所述定位孔下端抵接，所述摩擦杆远离所述水平杆的一端固设一毛刷，其中，同一导流管同一平面上六个摩擦杆最低端点形成圆的直径大于1.2cm，小于1.3cm，同一导流管同一平面上六个毛刷最低端点形成圆的直径大于0.9cm，小于1cm。