CN109970038A - 以中低温煤焦油为原料生产中间相炭微球的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于碳素材料研究技术领域,特别涉及一种以中低温煤焦油为原料生产中间相炭微球的方法,其具体是将中低温煤焦油经常减压蒸馏得到中低温煤焦油软沥青,再与高温焦油窄馏分进行复配,得到调和沥青;将调和软沥青经缓和加氢脱除S、N、O等杂原子以及组成优化调整;之后经热聚得到中间相沥青,再经溶剂法分离、干燥得到表面光滑、粒径均匀的中间相炭微球;本发明选用中低温煤焦油软沥青为原料,通过预处理调整原料α、β、γ树脂含量比例,结合特定热聚方式将有效组分转化为中间相炭微球,制备过程中催化剂无需分离,可作为成核剂,降低成本,并且可将低附加值软沥青转化为高附加值碳素材料,对提高企业经济效益有着重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及碳素材料领域,尤其涉及一种以中低温煤焦油为原料生产中间相炭微球的方法。
背景技术
中间相炭微球是一种大力发展的新型炭素材料,具有优良的化学稳定性、热稳定性、导电导热性能等,其制备方法主要有热缩聚法、乳化法、悬浮法,其中热聚法工艺简单,也是广大研究者优选研究方法。中间相炭微球不仅具有其他碳素材料的一般性能,还具有类似石墨片层结构和球形结构。它可以用来制备高强度高密度的炭纤维材料、二次锂离子电池、电催化剂、针状焦等,近年来,我国乃至全球对电子产品、电车大力发展,而中间相炭微球却是一种重要的负极材料,因此颇受研究者关注。
专利CN108455558A公开了一种将中温沥青在一定温度、压力、N2保护下聚合反应得到聚合沥青,进一步将聚合沥青在高温减压条件下进行处理,得到高温减压聚合沥青,之后用洗油溶解、过滤,经甲苯抽提、干燥即得到一种新型中间相炭微球,但高温减压条件较为苛刻;专利CN108249417A选用原料仍为中温沥青,且其工艺也较繁琐;专利CN103274395A采用煤沥青,以粉碎过筛后的石墨和催化剂作为成核剂制备可控粒径的中间相炭微球。专利CN101920956A在中温煤沥青和高温煤沥青中加入松香的方法来提高炭微球收率。以上专利中大多选用中温沥青或高温沥青添加成核剂来制备中间相炭微球,得到的炭微球表面粗糙,造成炭微球中含有其他添加杂质。
以中低温煤焦油为原料制备中间相炭微球研究较少,且国内中低温煤焦油产量一直维持增长,但由于后续深加工手段限制,中低温煤焦油的应用、消耗渠道狭窄,主要用来生产中温沥青、改质沥青和燃料油等低附加值的产品,大大浪费宝贵的碳资源和污染环境,因此,对中低温煤焦油进行高附加值转化很有必要。原料预处理、组分优化、热处理优化是决定中间相炭微球产物品质优劣的关键,采用常减压切割、复配及缓和加氢处理调整原料组成、脱除杂原子,获取高芳香分适量QI的优质馏分,技术合理、工艺简化、设备简单,对提高企业经济效益有着重要的意义。
发明内容
为了克服现有技术所存在的不足,本发明提供了一种以中低温煤焦油为原料生产中间相炭微球的方法,其所原料成本低,资源充分利用,所得中间相炭微球表面光滑,粒径分布均匀,将低附加值软沥青转化为高附加值碳素材料。
本发明所采用的技术方案是:
一种以中低温煤焦油为原料生产的中间相炭微球,其包括以下质量份配比的原料:
中低温煤焦油 100份
高温焦油窄馏分 0.05~40份
同质缓和加氢催化剂 1~14份。
一种以中低温煤焦油为原料生产中间相炭微球的方法,其包括以下步骤:以中低温煤焦油为原料,经常减压蒸馏处理切割出300℃以上的软沥青,加入高温焦油窄馏分以调和软沥青中的γ树脂与β树脂比例至4.5-6.5:1,之后在同质缓和加氢催化剂的催化条件下对调和软沥青进行缓和加氢处理,所得精制软沥青在温度为300~480℃范围内分级升温热聚合处理并以同质缓和加氢催化剂为成核剂生长转化成型,再用常减压蒸馏处理切割出温度低于300℃的轻质组分进行萃取、抽提、洗涤、干燥,形成权利要求1的中间相炭微球。
进一步限定,所述高温焦油窄馏分是由高温煤焦油减压切割出的馏程为300~420℃的馏分。
进一步限定,所述高温焦油窄馏分占中低温软沥青质量的百分数为0.05wt%~40wt%,且高温焦油窄馏分的软化点为10~70℃,馏程为320~380℃。
进一步限定,所述缓和加氢处理条件是:同质缓和加氢催化剂占调和软沥青的质量分数为0.01%~10%,缓和加氢温度为280~380℃,反应压力4~15MPa,反应时间为0.5~5h。
进一步限定,所述同质缓和加氢催化剂包含65wt%~90wt%兰炭、0~20wt%焦炭和1wt%~10wt%石墨烯。
进一步限定,所述兰炭的干馏温度为650~700℃、灰分<5%、硫分<0.5%以及固定碳为87~90%;所述石墨烯的比表面为500~1000m2/g、厚度为0.55~3.74nm、纯度>98wt%、厚度为0.55~3.74nm、直径为0.5-3μm以及层数<10层;所述焦炭的干馏温度为1000~1050℃,灰分为10~12%,硫分<0.5%,固定碳86.5~90%。
进一步限定,所述分级升温热聚合处理的条件是:第一阶段由常温升至300~350℃,恒温0.5~1.5h,恒温结束后N2置换,压力为0~3MPa,搅拌速率150~350/min,升温速率2~10℃/min;第二阶段由第一阶段终温升至350~390℃,恒温0~1.5h,压力控制为0.1~2.5MPa,搅拌速率100~300/min,升温速率1~5℃/min;第三阶段由第二阶段终温升至350~480℃,压力控制为0.1~2.5MPa,搅拌速率80~300/min,升温速率0~3℃/min,升至终温后恒温时间2~10h,恒压为0.1~2.5MPa。
进一步限定,所述萃取剂为<300℃中低温煤焦油中轻质馏分油,抽提剂为吡啶、喹啉或四氢呋喃中任意一种;所述洗涤用洗涤剂为丙酮。
本发明的以中低温煤焦油为原料生产中间相炭微球的方法,与现有技术相比,优点在于:
(1)本发明是针对中低温煤焦油中难以加工利用的软沥青,经过简单的工艺处理得到制备中间相炭微球优质原料,此馏分中含有大量的芳烃,且多为2~5环,分子量分布窄,灰分、硫、氮含量也相对较低。将低附加值软沥青转化为高附加值碳素材料,对提高企业经济效益有着重要的意义。
(2)本发明采用独特、高效的原料组合预处理方式,原料预处理分为常减压蒸馏、高芳烃馏分油调和及缓和加氢,控制γ树脂与β树脂的比例,使预处理后的精制沥青中的α、β、γ树脂含量更加适合于中间相炭微球生长转化,通过缓和加氢对杂原子进行部分脱除,原料组成优化调整。
(3)本发明在缓和加氢时所用的催化剂为非金属同质催化剂,其后续不需分离,其在作为催化剂起催化作用的同时可作为中间相炭微球生长的成核剂,促进中间相炭微球生长。
(4)本发明采用常减压切割出的轻馏分油对中间相炭微球进行粗分离,可以大大节省其他分离剂用量,节省成本,资源充分利用。
(5)本发明采用分级升温热聚合处理,通过分阶升温和速率限制,控制中间相炭微球的生长速率,使非金属同质催化剂作为成核剂的中间相炭微球生长的粒径分布均匀,比表面积大,适用于制备高比表面积活性炭。
附图说明
图1为本发明提供的实施例1所测的中间相炭微球宏观SEM照片。
图2为本发明提供的实施例1所测的中间相炭微球局部放大SEM照片。
图3为本发明提供的实施例1中的中间相炭微球在1500℃煅烧后的XRD谱图。
图4为本发明提供的实施例2所测的中间相炭微球宏观SEM照片。
图5为本发明提供的实施例2所测的中间相炭微球局部放大SEM照片。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。
本发明以中低温煤焦油为原料生产中间相炭微球,其所包括以下质量份配比的原料:
中低温煤焦油 100份
高温焦油窄馏分 0.05~40份
同质缓和加氢催化剂 1~14份。
具体通过以下方法制成:
以中低温煤焦油为原料,经常减压蒸馏处理切割出300℃以上的软沥青,加入0.05wt%~40wt%的高温焦油窄馏分以调和软沥青中的γ树脂与β树脂比例至4.5-6.5:1,之后在温度为280~380℃,压力为4~15MPa,同质缓和加氢催化剂的催化条件下对调和软沥青进行缓和加氢处理0.5~5h,所得精制软沥青在温度为300~480℃范围内分级升温热聚合处理并以同质缓和加氢催化剂为成核剂生长转化成型,再用常减压蒸馏处理切割出温度低于300℃的轻质组分进行萃取、抽提、洗涤、干燥,形成中间相炭微球。
上述300℃以上的软沥青,优选为>330℃软沥青,其软化点为0~50℃,2~4环芳烃含量为20%~60%,QI含量<0.05wt%,芳香性指数I为0.4000~0.7,芳香度fA为0.35~0.7。
上述高温焦油窄馏分是由高温煤焦油减压切割出来的馏程为300~420℃的馏分,更优选馏程为320~380℃,其软化点为10~70℃,高温窄馏分占中低温煤焦油软沥青为0.05wt%~40wt%,更优选占比为5wt%~30wt%,调和软沥青的软化点为0~40℃、QI含量为0.5wt%~5wt%,调配后的软沥青中γ树脂:β树脂质量比为4.5-6.5:1,芳香性指数I为0.45~0.8,芳香度fA为0.35~0.7。
上述同质缓和加氢催化剂中包含65wt%~90wt%兰炭和1wt%~10wt%石墨烯、0~20wt%焦炭,形成由65wt%~90wt%兰炭、0~20wt%焦炭和1wt%~10wt%石墨烯的复配后粉碎制成粒径为1~10μm粉末。其中兰炭的干馏温度为650~700℃,灰分<5%,硫分<0.5%,固定碳为87~90%;所述焦炭的干馏温度为1000~1050℃,灰分为10~12%,硫分<0.5%,固定碳86.5~90%;石墨烯的比表面为500~1000m2/g,厚度为0.55~3.74nm,纯度>98wt%,厚度为0.55~3.74nm,直径为0.5-3μm,层数<10层。
上述缓和加氢处理所得的精制软沥青的软化点为0~35℃、原生QI为0.01%~8%、γ树脂:β树脂质量比为4.2-6.7:1,芳香性指数I为0.5~0.85,芳香度fA为0.35~0.8。
上述分级升温热聚合处理的条件是:第一阶段由常温升至300~350℃,恒温0.5~1.5h,恒温结束后N2置换,压力为0~3MPa,搅拌速率150~350/min,升温速率2~10℃/min;第二阶段由第一阶段终温升至350~390℃,恒温0~1.5h,压力控制为0.1~2.5MPa,搅拌速率100~300/min,升温速率1~5℃/min;第三阶段由第二阶段终温升至350~480℃,压力控制为0.1~2.5MPa,搅拌速率80~300/min,升温速率0~3℃/min,升至终温后恒温时间2~10h,恒压为0.1~2.5MPa。
实施例1
将2kg中低温煤焦油置于精馏塔中进行馏分切割得到馏程>320℃的软沥青,软沥青软化点为27℃,芳香性指数I为0.53;将高温焦油窄馏分与大于320℃的软沥青按质量比0.25:1复配得到调和软沥青,调配后的软沥青中γ树脂:β树脂的质量比为5.1:1;再取200g调和软沥青置于反应釜中进行缓和加氢,加入10g同质催化剂,催化剂质量配比为兰炭:焦炭:石墨烯=85:10:5,在温度为340℃、压力7MPa条件下反应2h,得到精制软沥青,精制软沥青中γ树脂:β树脂质量比为5.7:1,S、N、O含量分别为0.11%、0.17%、4.2%,精制软沥青置于反应釜中以6℃/min从室温升至330℃后恒温1h,压力为0MPa,搅拌速率为300r/min,恒温结束N2置换并充压至2MPa;再以升温速率2℃/min升温至380℃,压力维持在2MPa,搅拌速率为150r/min;再以升温速率1℃/min升温至430℃,压力维持在0.8MPa,达到430℃后恒温5h,搅拌速率100r/min,以同质缓和加氢催化剂为成核剂生长转化成型,热聚合结束后取出中间相沥青,用常减压蒸馏处理切割出温度低于300℃的轻质组分对中间相沥青进行溶解过滤,再用吡啶对不溶物进行抽提至无色,参见图1和图2,经丙酮洗涤、干燥后得到中间相炭微球。
经分析,本实施例的中间相炭微球收率为39.3wt%,平均粒径为10μm,将中间相炭微球在1500℃的温度下煅烧2h,煅烧后的中间相炭微球进行XRD测定,谱图如图3。
由图3可知,本实施例所制得的中间相炭微球在1500℃的温度下煅烧后具有一定的石墨化度,石墨化程度为11.6%、层间距为0.3430nm,可用于生产优质负极材料。
实施例2
将2kg中低温煤焦油置于5L自制的精馏塔中进行馏分切割得到>300℃软沥青,软沥青软化点为19℃,芳香性指数I为0.48;将高温焦油窄馏分与软沥青按质量比0.1:1复配得到调和软沥青,γ树脂:β树脂质量比为5.6:1;再取200g调和软沥青置于反应釜中进行缓和加氢,加入5g同质催化剂,化剂质量配比为兰炭:焦炭:石墨烯=75:15:10,在温度为300℃、压力8MPa条件下反应2h,得到精制软沥青,精制软沥青中γ树脂:β树脂质量比为6.1:1,S、N、O含量分别为0.14%、0.16%、4.9%,精制软沥青置于反应釜中以6℃/min从室温升至340℃后恒温1h,压力为0MPa,搅拌速率为300r/min,恒温结束N2置换并充压至2MPa;再以升温速率2℃/min升温至390℃,压力维持在2MPa,搅拌速率为150r/min;再以升温速率1℃/min升温至410℃,压力维持在1MPa,达到410℃后恒温6h,搅拌速率100r/min,以同质缓和加氢催化剂为成核剂生长转化成型,热聚合结束后取出中间相沥青,用常减压蒸馏处理切割出温度低于300℃的轻质组分对中间相沥青进行溶解过滤,再用吡啶对不溶物进行抽提至无色,经丙酮洗涤、干燥后得到中间相炭微球。参见图4和图5,本实施例的中间相炭微球收率为36.3wt%,平均粒径为8.5μm。
实施例3
将2kg中低温煤焦油置于5L自制的精馏塔中进行馏分切割得到>330℃软沥青,软沥青软化点为43℃,芳香性指数I为0.54将高温焦油窄馏分与软沥青按质量比0.4:1复配得到调和软沥青,γ树脂:β树脂质量比为4.2:1;再取200g调和软沥青置于反应釜中进行缓和加氢,加入20g同质催化剂,化剂质量配比为兰炭:焦炭:石墨烯=70:20:10,在温度为380℃、压力15MPa条件下反应0.5h,得到精制软沥青,精制软沥青中γ树脂:β树脂质量比为6.5:1,芳香性指数I为0.85,芳香度fA为0.8,S、N、O含量分别为0.09%、0.13%、4.8%。精制软沥青置于反应釜中以5℃/min从室温升至300℃后恒温1.5h,压力为3MPa,搅拌速率为350r/min,恒温结束N2置换;再以升温速率5℃/min升温至350℃,压力维持在2.5MPa,搅拌速率为100r/min;再以升温速率3℃/min升温至400℃,压力维持在2.5MPa,达到400℃后恒温10h,搅拌速率80r/min,以同质缓和加氢催化剂为成核剂生长转化成型,热聚合结束后取出中间相沥青,用常减压蒸馏处理切割出温度低于300℃的轻质组分对中间相沥青进行溶解过滤,再用喹啉对不溶物进行抽提至无色,经丙酮洗涤、干燥后得到中间相炭微球;中间相炭微球收率为43.5wt%,平均粒径为5.0μm。
实施例4
将2kg中低温煤焦油置于5L自制的精馏塔中进行馏分切割得到>300℃软沥青,软沥青软化点为0℃,芳香性指数I为0.35;将高温焦油窄馏分与软沥青按质量比0.0005:1复配得到调和软沥青,γ树脂:β树脂质量比为4.5:1;再取200g调和软沥青置于反应釜中进行缓和加氢,加入0.02g同质催化剂,化剂质量配比为兰炭:焦炭:石墨烯=90:9:1,在温度为280℃、压力4MPa条件下反应5h,得到精制软沥青,精制软沥青中γ树脂:β树脂质量比为5.3:1,芳香性指数I为0.72,芳香度fA为0.53,S、N、O含量分别为0.16%、0.17%、4.9%,精制软沥青置于反应釜中以10℃/min从室温升至350℃后恒温0.5h,压力为1MPa,搅拌速率为150r/min,恒温结束N2置换并充压至2MPa;再以升温速率1℃/min升温至390℃,压力维持在2.5MPa,搅拌速率为300r/min;再以升温速率5℃/min升温至480℃,压力维持在2.5MPa,达到480℃后恒温2h,搅拌速率300r/min,以同质缓和加氢催化剂为成核剂生长转化成型,热聚合结束后取出中间相沥青,用常减压蒸馏处理切割出温度低于300℃的轻质组分对中间相沥青进行溶解过滤,再用四氢呋喃对不溶物进行抽提至无色,经丙酮洗涤、干燥后得到中间相炭微球;中间相炭微球收率为23.7wt%,平均粒径为6.3μm。
为了验证本发明的技术效果,现做几组对比例对其效果进行验证,具体如下:
对比例1
同实施例1中的热聚工艺条件,原料选择>360℃的中低温煤沥青,不进行复配。
将中低温煤焦油经减压蒸馏,得到>360℃的中低温煤沥青,将重质馏分进行热聚得到中间相沥青,溶剂分离得到中间相炭微球,具体性质见表1。
对比例2
同实施例1中的热聚工艺条件,原料选择>230℃的中低温馏分油,不进行复配和加氢。
将中低温煤焦油经减压蒸馏,得到>230℃的中低温馏分油,将该馏分油进行热聚得到中间相沥青,溶剂分离得到中间相炭微球,具体性质见表1。
对比例3
同实施例1中的热聚工艺条件,原料选择>330℃的中低温煤焦油软沥青,高温焦油窄馏分与>330℃的中低温煤焦油软沥青复配质量比为1:1,不进行缓和加氢。
将中低温煤焦油经减压蒸馏,得到>330℃的中低温馏分油,高温焦油窄馏分与>330℃的中低温煤焦油软沥青复配质量比为1:1,将调配软沥青进行热聚得到中间相沥青,溶剂分离得到中间相炭微球,具体性质见表1。
对比例4
同实施例1中的热聚工艺条件,原料选择>330℃的中低温煤焦油软沥青,高温焦油窄馏分与>330℃的中低温煤焦油软沥青复配质量比为0.25:1;再进行缓和加氢,其中催化剂用量占沥青20%,其他条件同实施例1;得到的中间相沥青进行溶剂分离,得到中间相炭微球,具体性质见表1。
对比例5
同实施例1中的热聚工艺条件,原料选择>330℃的中低温煤焦油软沥青,高温焦油窄馏分与>330℃的中低温煤焦油软沥青复配质量比为0.25:1;再进行缓和加氢,其中加氢温度为420℃,其他条件同实施例1;得到的中间相沥青进行溶剂分离,得到中间相炭微球,具体性质见表1。
对比例6
原料预处理同实施例1,热聚过程采用快速升温、自升压、高速率搅拌,得到热聚产物进行分离,具体性质见表1。
表1为实施例1、2与各对比例中用作热聚的原料性质及中间相炭微球收率、粒径分布
通过上表对比说明,经本发明对中低温煤焦油进行预处理、热聚、分离得到的中间相炭微球收率较高,粒径分布均匀,且经高温煅烧后的小球石墨化程度达到11.6%,层间距较小,经进一步石墨化处理后,其性能会进一步提高,适用于生产优质电极材料;由于该发明中的中间相炭微球粒径较小且相对均匀、比表面积大,因此也适用于制备高比表面积活性炭。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所述的技术范围内,可作出种种等同变型或替换,都应涵盖在本发明的保护范围内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种以中低温煤焦油为原料生产的中间相炭微球,其特征在于,包括以下质量份配比的原料:
中低温煤焦油 100份
高温焦油窄馏分 0.05~40份
同质缓和加氢催化剂 1~14份。
2.一种以中低温煤焦油为原料生产中间相炭微球的方法,其特征在于包括以下步骤:以中低温煤焦油为原料,经常减压蒸馏处理切割出300℃以上的软沥青,加入高温焦油窄馏分以调和软沥青中的γ树脂与β树脂比例至4.5-6.5:1,之后在同质缓和加氢催化剂的催化条件下对调和软沥青进行缓和加氢处理,所得精制软沥青在温度为300~480℃范围内分级升温热聚合处理并以同质缓和加氢催化剂为成核剂生长转化成型,再用常减压蒸馏处理切割出温度低于300℃的轻质组分进行萃取、抽提、洗涤、干燥,形成权利要求1的中间相炭微球。
3.根据权利要求2所述的以中低温煤焦油为原料生产中间相炭微球的方法,其特征在于,所述高温焦油窄馏分是由高温煤焦油减压切割出的馏程为300~420℃的馏分。
4.根据权利要求2所述的以中低温煤焦油为原料生产中间相炭微球的方法,其特征在于,所述高温焦油窄馏分占中低温软沥青质量的百分数为0.05wt%~40wt%,且高温焦油窄馏分的软化点为10~70℃,馏程为320~380℃。
5.根据权利要求2所述的以中低温煤焦油为原料生产中间相炭微球的方法,其特征在于,所述缓和加氢处理条件是:同质缓和加氢催化剂占调和软沥青的质量分数为0.01%~10%,缓和加氢温度为280~380℃,反应压力4~15MPa,反应时间为0.5~5h。
6.根据权利要求5所述的以中低温煤焦油为原料生产中间相炭微球的方法,其特征在于,所述同质缓和加氢催化剂包含65wt%~90wt%兰炭、0~20wt%焦炭和1wt%~10wt%石墨烯。
7.根据权利要求6所述的以中低温煤焦油为原料生产中间相炭微球的方法,其特征在于,所述兰炭的干馏温度为650~700℃、灰分<5%、硫分<0.5%以及固定碳为87~90%;所述石墨烯的比表面为500~1000m2/g、厚度为0.55~3.74nm、纯度>98wt%、厚度为0.55~3.74nm、直径为0.5-3μm以及层数<10层;所述焦炭的干馏温度为1000~1050℃,灰分为10~12%,硫分<0.5%,固定碳86.5~90%。
8.根据权利要求2~7任意一项所述的以中低温煤焦油为原料生产中间相炭微球的方法,其特征在于,所述分级升温热聚合处理的条件是:第一阶段由常温升至300~350℃,恒温0.5~1.5h,恒温结束后N2置换,压力为0~3MPa,搅拌速率150~350/min,升温速率2~10℃/min;第二阶段由第一阶段终温升至350~390℃,恒温0~1.5h,压力控制为0.1~2.5MPa,搅拌速率100~300/min,升温速率1~5℃/min;第三阶段由第二阶段终温升至350~480℃,压力控制为0.1~2.5MPa,搅拌速率80~300/min,升温速率0~3℃/min,升至终温后恒温时间2~10h,恒压为0.1~2.5MPa。
9.根据权利要求8所述的以中低温煤焦油为原料生产中间相炭微球的方法,其特征在于,所述萃取剂为<300℃中低温煤焦油中轻质馏分油,抽提剂为吡啶、喹啉或四氢呋喃中任意一种;所述洗涤用洗涤剂为丙酮。
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