CN108946720B - 利用藻酸盐制备活性炭的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种以藻酸盐为原料制备活性炭的方法，其以藻酸盐为原料，经炭化、活化、洗涤和干燥处理而得到活性炭，更具体地，所述方法包括将藻酸盐在150℃‑500℃的温度下进行炭化，然后在400‑900℃进行活化，最后经冷却、洗涤和干燥，制得活性炭成品。本发明方法能够以藻酸盐作为原料制备活性炭，并且制得的活性炭产品具有比表面积大、孔径分布窄等优点。
Description
技术领域
本发明属于活性炭制备领域，涉及一种以藻酸盐为原料制备活性炭的方法。
背景技术
活性炭具有巨大的比表面积、微孔特别发达、导电和导热性佳、化学稳定性好等特点,在催化、吸附、医药、新能源等领域得到广泛应用。目前，制备活性炭的原料来源主要有木质类如木材、椰壳等、煤质类、如褐煤、烟煤、无烟煤等、石油质类、如石油焦等。近年来，利用其他材料来制备活性炭也备受关注。藻酸盐是由单糖醛酸线性聚合而成的多糖，是一种纯净的化合物，具有特定的分子式和元素组成，具有毒副作用低、可降解性、安全性高等特点。目前对藻酸盐的利用主要是在是食品工业和日用化学品工业中被用作乳化剂或增稠剂，以及在医药行业中用作粘合剂或药物缓释剂等。以藻酸盐为原料制备活性炭，不仅能丰富制备活性炭的原料来源，还能丰富藻酸盐的利用而且藻酸盐元素组成确定，含氧量高，能够得到结构和性能特异的活性炭材料。
CN103771408A公开了一种基于海藻的超级电容器用活性炭的制备方法，包括如下步骤：首先利用多价金属阳离子对海藻表面进行交联预处理，然后通过碳化、酸洗工艺制备表面具有介孔结构的预碳化中间体，最后进一步活化酸洗制备活性炭。曾淦宁等(“高比表面积铜藻基活性碳的制备及工艺优化”，《环境科学学报》，第33卷第8期，公开日期2013年8月)公开了一种高比表面积铜藻基活性炭的制备，以铜藻为原材料，以ZnC12、H3PO4为活化剂，制备铜藻基活性炭。然而，这些现有技术均没有提及以海藻酸盐作为原料制备活性炭。
发明内容
本发明目的在于提供一种制备活性碳的新方法。
为此，本发明提供了一种以藻酸盐为原料制备活性炭的方法，所述方法包括将所述藻酸盐通过物理活化过程、化学活化过程或物理化学组合活化过程进行反应，从而获得所述活性炭，
其中，所述物理活化过程是将所述藻酸盐在氮气气氛下升温至150-500℃进行碳化，然后再通入二氧化碳、水蒸汽、空气或氮气在400-900℃进行活化，最后经冷却、洗涤和干燥得到活性炭，
所述化学活化过程是将所述藻酸盐和活化剂进行混合，然后升温至150-500℃进行炭化，之后升温至400-900℃进行活化，最后经冷却、洗涤和干燥得到活性炭，其中所述活化剂是选自硫酸、磷酸、硝酸、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾和氯化锌中的一种或多种，
所述物理化学组合活化过程是将所述藻酸盐在氮气气氛下升温至150-500℃进行炭化，然后与活化剂混合并升温至400-900℃进行活化，最后经冷却、洗涤和干燥得到活性炭，其中所述活化剂是选自硫酸、磷酸、硝酸、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾和氯化锌中的一种或多种。
在一个优选实施方案中，所述藻酸盐为藻酸钾、藻酸钠、藻酸钙、藻酸锌、藻酸铁、藻酸铜、藻酸钴、藻酸镍、藻酸钯、藻酸镁和藻酸钡中的一种或多种。
在一个优选实施方案中，当使用所述活化剂时，所述藻酸盐与所述活化剂的质量比为1∶0.5～1∶4。
在一个优选实施方案中，所述洗涤是先用HCl溶液洗涤，然后用水洗涤至中性。
在一个优选实施方案中，所述升温至400-900℃是以1-10℃/min的升温速率进行的。
在一个优选实施方案中，在所述物理活化过程中，N2流量为
50-200ml/min。
在一个优选实施方案中，所述干燥是在80-150℃进行的。
在一个优选实施方案中，所述碳化的时间为1-4h。
在一个优选实施方案中，所述活化的时间为0.5-4h。
在一个优选实施方案中，所述藻酸盐在进行碳化之前经过在100-120℃下干燥。
本发明的方法以藻酸盐为原料制备活性炭，该方法可以利用各种藻酸盐为原料。海藻酸盐含氧量高，本发明制得的活性炭比表面积大、孔径分布窄、活性位点多、吸附性能优良、安全无毒等，并且本发明丰富了藻酸盐的利用。
附图说明
图1是根据本发明的实施例1制得的活性炭的SEM图；
图2是根据本发明的实施例2制得的活性炭的SEM图；
图3是根据本发明的实施例2制得的活性炭的N2吸附脱附曲线；
图4是根据本发明的实施例3制得的活性炭的N2吸附脱附曲线；
图5是根据本发明的实施例4制得的活性炭的N2吸附脱附曲线；
图6是根据本发明的实施例5制得的活性炭的N2吸附脱附曲线。
具体实施方式
本发明以藻酸盐为原料来制备活性炭，并通过对制备过程进行优化，降低炭化温度，降低能耗，最终得到比表面积高，性能优异的活性炭材料。更具体地，本发明方法将藻酸盐通过物理活化过程、化学活化过程或物理化学组合活化过程进行反应，从而制得活性炭。
更具体地，在本发明的方法中，采用物理活化过程制备活性炭时的操作工艺可以为如下：在氮气气氛下，优选地N2流量为50-200ml/min，例如为120ml/min，将藻酸盐升温至150-500℃进行炭化反应，例如持续1-4h后，再通入二氧化碳、水蒸汽、空气或氮气，并升温至400-900℃活化例如持续0.5-4h，最后经冷却、HCl溶液(例如为1M溶液)洗涤、水洗和干燥后，得到活性炭产品。
更具体地，在本发明的方法中，采用化学活化过程制备活性炭时的操作工艺可以为如下：将藻酸盐和活化剂的混合，优选地藻酸盐与活化剂的质量比为1∶0.5～1∶4，并且优选地在氮气气氛下，优选以1-10℃/min的升温速率升温至150-500℃进行炭化，例如持续1-4h。然后例如以1-10℃/min的升温速率将藻酸盐与活化剂的混合物升温至活化温度400-900℃，例如活化1-4h后，再经冷却、HCl溶液(例如为1M溶液)洗涤、水洗和干燥后，得到活性炭，其中使用的活化剂可为硫酸、磷酸、硝酸、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾和氯化锌中的一种或多种。
更具体地，在本发明的方法中，采用物理化学组合活化过程制备活性炭时的操作工艺为如下：在氮气气氛下，优选地N2流量为50-200ml/min，例如为120ml/min，将藻酸盐升温至150-500℃进行炭化，例如反应持续1-4h。之后，可选地将炭化后的藻酸盐冷却，然后与活化剂混合，优选地藻酸盐炭化物与活化剂的质量比为1∶0.5-1∶4，并例如以1-10℃/min的升温速率将藻酸盐碳化物与活化剂的混合物升温至活化温度400-900℃，例如活化1-4h后，再经冷却、HCl溶液(例如为1M溶液)洗涤、水洗和干燥后，得到活性炭产品，其中使用的活化剂可为硫酸、磷酸、硝酸、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾和氯化锌中的一种或多种。
优选地，在本发明的方法中，使用的藻酸盐可为藻酸钾、藻酸钠、藻酸钙、藻酸锌、藻酸铁、藻酸铜、藻酸钴、藻酸镍、藻酸钯、藻酸镁和藻酸钡中的一种或多种。
优选地，所述碳化温度为150-390℃。
优选地，所述活化温度为400-690℃
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
实施例1：以藻酸钠为原料活性炭的制备
首先将25g藻酸钠与作为活化剂的氢氧化钾按质量比1∶1混合均匀，在空气中晾干；然后在管式炉中，在氮气气氛下，N2流量为120ml/min，以2.5℃/min的升温速率升温至300℃发生炭化反应1h；再以5℃/min的升温速率升温至800℃活化1h，在氮气气氛下降温至室温，将反应产物取出；将其用浓度为1M的HCl溶液清洗三次，然后用去离子水洗至中性；最后在110℃烘箱中干燥12h，制得成品活性炭。图1是根据本发明的实施例1制得的活性炭的SEM图，从图中可以看出制备所得到的活性炭材料孔隙非常发达并且均匀，由此可知，通过本发明方法制得的活性炭材料的比表面积大、孔隙丰富且安全无毒。
实施例2：以藻酸锌为原料活性炭的制备
首先，在管式炉中，在氮气气氛下，N2流量为120ml/min，将25g藻酸锌以2.5℃/min的升温速率升温至300℃发生炭化反应2h；然后以5℃/min的升温速率升温至400℃活化1h，在氮气气氛下降温至室温，将反应产物取出；将其用浓度为1M的HCl溶液清洗三次，再用去离子水洗至中性；最后在110℃烘箱中干燥12h，制得成品活性炭。图2是根据本发明的实施例2制得的活性炭的SEM图，所得到的活性炭表面具有不同大小的孔结构；图3是根据本发明的实施例2制得的活性炭的N2吸附脱附曲线，表现为Ⅳ型吸附平衡等温线，从曲线可以看出所得活性炭微孔丰富，且其迟滞环小，表示其所含的介孔尺寸也较小。由此可知，通过本发明方法制得的活性炭材料的比表面积大、孔径分布窄、微孔丰富。
实施例3：以藻酸钙为原料活性炭的制备
首先，在管式炉中，在氮气气氛下，N2流量为120ml/min，将25g藻酸钙以2.5℃/min的升温速率升温至400℃发生炭化反应1h；将反应产物冷却至室温后取出，并与作为活化剂的氢氧化钾按质量比1∶0.5混合均匀，再以5℃/min的升温速率升温至700℃活化1h，在氮气气氛下降温至室温，将反应产物取出；将其用浓度为1M的HCl溶液清洗三次，用去离子水洗至中性；最后在110℃烘箱中干燥12h，制得成品活性炭。图4是根据本发明的实施例3制得的活性炭的N2吸附脱附曲线，从曲线中可以看出所得活性炭含有丰富的介孔。由此可知，通过本发明方法制得的活性炭材料的比表面积大、孔隙丰富且安全无毒。
实施例4：以藻酸铁为原料活性炭的制备
首先，在管式炉中，在氮气气氛下，N2流量为120ml/min，将25g藻酸铁以2.5℃/min的升温速率升温至300℃发生炭化反应2h；再以5℃/min的升温速率升温至500℃活化2h，在氮气气氛下降温至室温，将反应产物取出；将其用浓度为1M的HCl溶液清洗三次，再用去离子水洗至中性；最后在110℃烘箱中干燥12h，制得成品活性炭。图5是根据本发明的实施例4制得的活性炭的N2吸附脱附曲线，可以看出所得活性炭含有丰富的介孔。由此可知，通过本发明方法制得的活性炭材料的比表面积大、孔径分布窄且安全无毒。
实施例5：以藻酸钙为原料活性炭的制备
首先，在管式炉中，在氮气气氛下，N2流量为120ml/min，将25g藻酸钙在氮气气氛下，2.5℃/min的升温速率升温至400℃发生炭化反应1h；再以5℃/min的升温速率升温至700℃在二氧化碳气氛下活化0.5h，在氮气气氛下降温至室温，将反应产物取出；将其用浓度为1M的HCl溶液清洗三次，用去离子水洗至中性；最后在110℃烘箱中干燥12h，制得成品活性炭。图6是根据本发明的实施例5制得的活性炭的N2吸附脱附曲线，所得活性炭具有一定氮气吸附量，具有一定的表面积。由此可知，通过本发明方法制得的活性炭材料的比表面积大且安全无毒。
尽管本发明的具体实施方式已经得到详细的描述，本领域技术人员将会理解。根据已经公开的所有教导，可以对那些细节进行各种修改和替换，这些改变均在本发明的保护范围之内。本发明的全部范围由所附权利要求及其任何等同物给出。
Claims (9)
1.一种以藻酸盐为原料制备活性炭的方法，所述方法包括将所述藻酸盐通过物理活化过程、化学活化过程或物理化学组合活化过程进行反应，从而获得所述活性炭，
其中，所述物理活化过程是将所述藻酸盐在氮气气氛下升温至150-500℃进行炭化，然后再通入二氧化碳、水蒸汽、空气或氮气在400-900℃进行活化，最后经冷却、洗涤和干燥得到活性炭，
所述化学活化过程是将所述藻酸盐和活化剂进行混合，然后升温至150-500℃进行炭化，之后升温至400-900℃进行活化，最后经冷却、洗涤和干燥得到活性炭，其中所述活化剂是选自硫酸、磷酸、硝酸、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾和氯化锌中的一种或多种，
所述物理化学组合活化过程是将所述藻酸盐在氮气气氛下升温至150-500℃进行炭化，然后与活化剂混合并升温至400-900℃进行活化，最后经冷却、洗涤和干燥得到活性炭，其中所述活化剂是选自硫酸、磷酸、硝酸、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾和氯化锌中的一种或多种，
所述藻酸盐为藻酸钾、藻酸钠和藻酸镁中的一种或多种。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当使用所述活化剂时，所述藻酸盐与所述活化剂的质量比为1:0.5～1:4。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述洗涤是先用HCl溶液洗涤，然后用水洗涤至中性。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述升温至400-900℃是以1-10℃/min的升温速率进行的。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述物理活化过程中，N2流量为50-200ml/min。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干燥是在80-150℃进行的。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述炭化的时间为1-4h。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述活化的时间为0.5-4h。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述藻酸盐在进行炭化之前经过在100-120℃下干燥。
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