CN111841491A - 活性炭方法和材料 - Google Patents

Abstract

公开了制造增强的活性炭的方法和系统。包括氧气的第一加热气体流过包括含活性炭的颗粒的流化床，以形成氧化的活性炭颗粒。包括氮气或氨气的第二加热气体流过包括氧化的活性炭颗粒的流化床，以形成氮掺杂的活性炭颗粒。包括氢气的第三加热气体流过包括氮化的活性炭颗粒的流化床，以形成增强的活性炭颗粒。

Description

活性炭方法和材料

背景技术

本公开涉及活性炭吸附剂材料、它们的制造和用于空气处理的用途。

空调空间如建筑物内部和房间、车辆、车库和其它空调空间可以利用空气净化系统来除去或灭活空气传播的污染物，如烟灰和其它微粒，以及还有挥发性污染物(包括挥发性有机化合物(VOC))，其可以源自许多来源，这些来源包括烃推进剂、制造处理、车辆排放、污染以及人造和天然排放源。这些净化系统中的一些利用也称为活性炭的多孔碳的形式。活性炭可在空气净化或其它处理系统中非常有用。活性炭的高度多孔表面可使其能够将各种空气传播的污染物吸附到活性炭表面上或活性炭表面中，从而从空气中除去污染物。利用活性炭的空气处理系统可被配置为使待处理的空气与活性炭的表面接触而通过以从空气中除去污染物，并且活性炭可在其中没有正在处理空气的操作阶段期间再生。活性炭的再生可以通过施加热和/或使与活性炭表面接触的清洁再生性空气(或其它气体)流动而进一步促进。

发明内容

公开了制造增强的活性炭的方法。根据该方法，包含氧气的第一加热气体流过包括含活性炭的颗粒的流化床，以形成氧化的活性炭颗粒。包含氮气或氨气的第二加热气体流过包括氧化的活性炭颗粒的流化床，以形成氮掺杂的活性炭颗粒。包含氢气的第三加热气体流过包括氮化的活性炭颗粒的流化床，以形成增强的活性炭颗粒。

在一些方面，第一气体包含氧气和惰性气体。

在一些方面，第一气体包含1-21摩尔%的氧气和79-99摩尔%的惰性气体。

在前述方面的任一方面或组合中，第一气体的温度为100-600℃。

在前述方面的任一方面或组合中，该方法还包括将包含活性炭的颗粒与所述第一加热气体保持在所述流化床中1-10小时。

在前述方面的任一方面或组合中，第二气体还包含氢气。

在前述方面的任一方面或组合中，第二气体的温度为300-800℃。

在前述方面的任一方面或组合中，该方法还包括将氧化的活性炭颗粒与所述第二气体保持在所述流化床中1-10小时。

在前述方面的任一方面或组合中，第三气体包含1-100摩尔%的氢气和0-99摩尔%的惰性气体。

在前述方面的任一方面或组合中，第三气体的温度为300-700℃。

在前述方面的任一方面或组合中，该方法还包括将氮化的活性炭颗粒与所述第三气体保持在所述流化床中1-10小时。

在前述方面的任一方面或组合中，该方法还包括在选自以下的至少一个阶段中在惰性气体流中吹扫所述颗粒：在暴露于所述第一和第二气体之间、在暴露于所述第二和第三气体之间、以及在暴露于所述第三气体之后。

还公开了处理空气的方法。根据该方法，根据前述方面中的任一方面或组合的方法制备增强的活性炭。沿着与待处理的空气源操作连通的空气流动路径设置增强的活性炭颗粒。使在所述空气流动路径上流动的空气与增强的活性炭颗粒接触以产生经处理的空气。

还公开了制造空气处理装置的方法。根据该方法，根据前述方面中的任一方面或组合的方法制备增强的活性炭。沿着与待处理的空气源操作连通的空气流动路径设置增强的活性炭颗粒。

还公开了空气处理系统，其包括空气源和活性炭处理模块，所述活性炭处理模块包含与空气源操作性流体连通的入口、出口和根据前述方面中的任一方面或组合的方法制备的活性炭颗粒，所述活性炭颗粒设置在所述入口和所述出口之间的空气流动路径上。

还公开了制造增强的活性炭的系统。该系统包括可控气体源，其被配置为递送：包含氧气的第一气体、包含氮气或氨气的第二气体和包含氢气的第三气体。该系统还包括包含活性炭的颗粒源；流化床反应器，其被布置为接收来自所述气体源的气体和来自所述颗粒源的活化的颗粒；以及热源，其被布置为加热所述气体或所述流化床反应器。

在一些方面，制造增强的活性炭的系统还包括控制器。控制器被配置为加热所述第一气体并引导所述第一气体流过包括颗粒的所述流化床反应器，加热所述第二气体并引导所述第二气体流过包括颗粒的所述流化床反应器，以及加热所述第三气体并引导所述第三气体流过包括颗粒的所述流化床反应器。

附图说明

在说明书结尾处的权利要求中特别指出并清楚地要求保护本公开的主题。从结合附图的以下详细描述中，本公开的前述和其它特征以及优点是显而易见的，在附图中：

图1是流化床组装体的示例性实施方案的示意图；

图2是气体处理系统的示例性实施方案的示意图；以及

图3是气体处理系统的另一示例性实施方案的示意图。

具体实施方式

图1中示出了用于处理活性炭颗粒的示例性流化床组装体。如图1中所示，该组装体包括流化床反应器12，其具有设置在流化床12的一端的入口开口14和设置在流化床12的相对端的出口开口16。流化床12设置在可以是管状的外部外壳18的内部，出口16延伸到外部外壳18的外部。在操作期间，包括外部外壳18的流化床组装体可设置在炉(未示出)中以提供热。热电偶17和19被设置用于分别监测流化床12和外壳18内部空间的温度。入口20连接到气体进料管线22。第一气体源24、第二气体源25和第三气体源26以及第四气体源27分别通过阀31、32、33和34连接到向流化床12供应气体进料的气体进料管线22。其它部件，例如质量流量控制器29、压力调节阀28、压力传感器30和阀35也设置在气体进料管线22中，用于监测和控制递送到流化床12的气体的流速和压力。其它部件(未示出)可包括压缩机、减压器、减压阀或其它气流管理部件。气体源可以是任何类型的气体源，例如加压容器或气体发生反应器。流化床出口16与出口管线36连接，所述出口管线36包括止回阀37，并且与排出器诸如水或其它液体鼓泡器38连接。具有切断阀42的排放管线40还将进料管线22连接到鼓泡器38，鼓泡器38通过排出口44排放到大气中。

在操作中，气体通过入口20进入炉18。例如，当气体通过流化床12和外管18之间的空间以通过入口14进入流化床12时，可以加热气体。流化床12具有设置在其中的活化的颗粒46，并且通过流化床的向上气体流速将足够的向上力应用到颗粒46上以抵消作用在颗粒上的重力，使得它们在流化床空间中以流体配置悬浮。气流通常保持在低于将夹带的颗粒通过出口16带出流化床的水平，并且出口16还可以装有过滤器或筛网以进一步帮助阻止金属粉末颗粒46离开流化床12。气体通过出口16离开流化床12，并经由出口管线36流到鼓泡器38，从鼓泡器38通过排出口44排出至大气中。气体可以以足以与颗粒产生流体混合物的速度流动，其具体值可以由技术人员基于粒度和密度计算和设定。

如上所述，流化床12包括活化的颗粒46，并且颗粒与气体的接触促进了进行用气体组分处理颗粒，如下面更详细地描述的。本文所用的活性炭颗粒可包括粉末活性炭或颗粒状活性炭中的一种或两种，正如那些术语由ASTM D2652-11所定义，其公开内容通过引用以其整体并入本文。活性炭具有提供高表面积的表面多孔性。在一些实施方案中，本文所用的活性炭颗粒可具有至少500 m²/g的比表面积。在一些实施方案中，本文所用的活性炭颗粒可具有至少1000 m²/g的比表面积。在一些实施方案中，本文所用的活性炭颗粒可具有至少2000 m²/g的比表面积。在一些实施方案中，本文所用的活性炭颗粒可具有至少3000 m²/g的比表面积。在一些实施方案中，本文所用的活性炭颗粒可包括具有小到足以通过80目筛的粒度的粉末活性炭。在一些实施方案中，本文所用的活性炭颗粒可包括颗粒状活性炭，其具有足够小以通过4目筛且足够大以保持在80目筛上的粒度，其可根据本领域公认的命名惯例表征为4×80颗粒状活性炭。颗粒状活性炭的其它粒度范围可包括4×6、4×8、4×10、8×20、8×30、8×40、12×30、12×40。活性炭颗粒可通过各种技术制备，包括在有机粉末如竹子、椰子壳、木材、煤、褐煤、煤的惰性气氛下热解，然后在高温下暴露于氧化气氛以中和并除去热解期间形成的气体。根据最终用途应用的要求，活性炭颗粒可包括可用本文所述的处理气体流化的任何颗粒(例如，具有可用本文所述的处理气体流化的尺寸和重量的颗粒)。

在操作中，来自气体源24的包括氧气的第一气体混合物通过进料管线22进料，其中流速和气体压力由质量流量控制器29和压力调节阀28控制。活性炭颗粒可以预先用加热的氧气进行活化过程，以从炭的孔体积中氧化和除去热解反应产物，以及本文公开的暴露于氧气是准备活性炭用于氮化的预氧化过程，并且是应用到已经活化(包括用氧化活化)以形成活性炭的炭上的另外的氧化步骤。第一气体可包括氧气和惰性气体(例如，氮气、氦气、氩气或其组合)，并且在一些实施方案中可以仅由氧气和惰性气体组成。在一些实施方案中，空气可用作第一气体。在一些实施方案中，第一气体可包括在具有1摩尔%、2摩尔%或5摩尔%的下端和10摩尔%、15摩尔%、20摩尔%、21摩尔%或30摩尔%的上端的范围内的氧气，余量为一种或多种惰性气体。这些范围端点可独立地组合以形成具有不同端点组合的许多不同范围，并且形成可能范围的每种组合特此明确公开。加热第一气体，以及在一些实施方案中，在温度在具有100℃、200℃或300℃的下端和400℃、500℃或600℃的上端的范围内的反应条件下，使第一气体与活性炭颗粒接触。这些范围端点可独立地组合以形成具有不同端点组合的许多不同范围，并且形成可能范围的每种组合特此明确公开。活性炭颗粒可以与第一气体在流化床中接触一段时间，其范围例如为1-10小时。在间歇模式(例如图1中所示的处理方案中所描述的)中，操作流化床特定量的时间以实现所需的接触时间。在连续模式中，可调节通过流化床的颗粒通过量以实现等于所需接触时间的平均停留时间。

在用加热的第一气体处理活化的颗粒之后，它们可以任选地在氧化气体中冷却到室温和/或通过在流化床12中使它们与惰性气体（如氦气、氮气、氩气）接触而进行吹扫处理，所述惰性气体可以由吹扫气体源25供应。在一些实施方案中，吹扫可以进行一段持续时间和/或在减少活性炭颗粒表面处的水分的条件下进行。吹扫持续时间的示例性实施方案可在1-2小时的范围内。吹扫温度可以在从上端的反应温度降至100℃的范围内，并且在颗粒已经冷却至室温的情况下，吹扫可以在100-200℃的温度下进行。

在用加热的第一气体处理活化的颗粒和任何惰性气体吹扫之后，在流化床12中用来自第二气体源26的第二气体处理活性炭颗粒46。应用第二气体以使活性炭表面官能化，以及第二气体包括氮气或氨气，并且也可以任选地包括氢气。因此，在一些实施方案中，第二气体可包括选自氮气、氨气、氮气/氢气共混物、氨气/氢气共混物、和氮气/氨气共混物、或氮气/氨气/氢气共混物的气体。也可以任选地包括其他气体(例如，氦气、氩气)，并且在一些实施方案中，第二气体可包括一定量的氮气或氨气，基于气体的总摩尔数，其在具有5摩尔%、或10摩尔%、或15摩尔%、或20摩尔%的下端和40摩尔%、或60摩尔%、或70摩尔%、或80摩尔%、或90摩尔%、或100摩尔%的上端的范围。上述上限和下限端点可以独立地组合以公开各种不同的范围，并且形成范围的端点的每种可能的组合特此明确公开。在一些实施方案中，基于氮气、氨气和氢气的总摩尔数，气体可以包含在具有5摩尔%、或10摩尔%、或30摩尔%、或40摩尔%、或60摩尔%的下端和70摩尔%、或80摩尔%、或85摩尔%、或90摩尔%、或95摩尔%的上端的范围内的量的氢气。这些范围端点可独立地组合以形成具有不同端点组合的许多不同范围，并且形成可能范围的每种组合特此明确公开。

还加热第二气体，并且在一些实施方案中，在温度在具有300℃、400℃或500℃的下端和600℃、700℃或800℃的上端的范围内的反应条件下，使第二气体与活性炭颗粒接触，余量为一种或多种惰性气体。这些范围端点可独立地组合以形成具有不同端点组合的许多不同范围，并且形成可能范围的每种组合特此明确公开。活性炭颗粒可与第二气体在流化床中接触一段时间，其范围例如为1-10小时，对于大于500℃的反应温度，这可在350℃下1小时的上升期之后。在一些实施方案中，活性炭颗粒的处理可继续一段持续时间和/或在提供整合到活性炭颗粒的晶格结构中的固有孔网络内的目标氮含量的条件下继续活性炭颗粒的处理。尽管本公开不受任何特定理论或操作模式的约束，但据信目标氮含量可提供增强的吸附能力，其包括在潮湿条件下增强的吸附能力。在一些实施方案中，用第二气体处理流化床中的颗粒可赋予颗粒在具有0.2 at.%、0.5 at.%、1.0 at.%或1.5 at.%的下限和3.5 at.%、4.0 at.%、4.5 at.%、5.0 at.%、6.0 at.%、7.0 at.%、8.0 at.%或9.0 at.%的上限的范围内的氮含量。这些范围界限可以独立地组合以形成不同的范围，并且由上述范围界限的可能组合表示的每个范围特此明确公开。

在用加热的第二气体处理之后，活性炭颗粒可通过在流化床12中与惰性气体（如氦气、氮气、氩气）接触而进行吹扫处理，所述惰性气体可由吹扫气体源25供应。吹扫条件可以如上关于在用第一气体处理后的吹扫所述。

在用加热的第二气体处理活化的颗粒以使活性炭表面官能化和任何惰性气体吹扫之后，在流化床12内用来自第三气体源27的第三气体处理活性炭颗粒46。第三气体可包括氢气，并且应用其以促进与用第三气体处理之前相比活性炭表面的增加的疏水性。第三气体可以是纯氢气，或者可包括除氮气以外的惰性气体，例如氦气或氩气。在一些实施方案中，基于气体的总摩尔数，第三气体可包括在具有1摩尔%、或5摩尔%、10摩尔%、或15摩尔%、或20摩尔%的下端和40摩尔%、或60摩尔%、或80摩尔%、或100摩尔%的上端的含量范围内的氢气。这些范围端点可独立地组合以形成具有不同端点组合的许多不同范围，并且形成可能范围的每种组合特此明确公开。还加热第三气体，并且在一些实施方案中，在温度在具有100℃、200℃或300℃的下端和400℃、500℃、600℃或700℃的上端的范围内的反应条件下，使第三气体与活性炭颗粒接触。这些范围端点可独立地组合以形成具有不同端点组合的许多不同范围，并且形成可能范围的每种组合特此明确公开。活性炭颗粒可与第三气体在流化床中接触一段时间，其范围例如为1-10小时。

在一些实施方案中，可以在用第二气体处理和用第三气体处理之间对颗粒进行冷却，以促进疏水性效应。例如，在一些实施方案中，在用第二气体处理之后，活性炭颗粒可在流化床中的第二气体中冷却至低于第二气体处理温度的第三气体处理温度，然后引入第三气体。在一些实施方案中，在用第二气体处理之后，活性炭颗粒可以在第二气体中冷却至低于第三气体处理温度的温度(例如，冷却至低于100℃的温度，例如室温)，然后引入第三气体，并将温度升高至第三气体处理温度。在一些实施方案中，在用第二气体处理之后，活性炭颗粒可以在第二气体中冷却至低于第三气体处理温度的温度(例如，冷却至低于100℃的温度，例如室温)，然后将气体进料变为非氮气的惰性气体进料(例如，氦气、氩气)，并且在惰性气体下将温度升高至第三气体处理温度，随后在第三气体处理温度下引入第三气体。

在用加热的第三气体处理活化的颗粒之后，通过使它们在流化床12中与惰性气体（如氦气、氮气、氩气）接触，可以将它们进行吹扫处理，所述惰性气体可以由吹扫气体源25供应。在用第三气体处理之后的吹扫持续时间的示例性实施方案可在1-2小时的范围内。在用第三气体处理之后的吹扫温度可以在从25℃至100℃的范围内。

在一些实施方案中，与固定床相比，流化床可提供各种技术益处，包括但不限于为活性炭颗粒群体提供均匀的反应条件和避免可在固定床中发生的局部热点。

在一些实施方案中，在从流化床中出现之后，在整合到空气处理装置中之前，增强的活性炭颗粒46可进行进一步处理。例如，在一些实施方案中，活性炭粉末可以被分离成可以针对不同应用的不同粒度范围。活性炭在高湿度条件下可能易受降低吸附能力的影响。在一些实施方案中，第一、第二和第三气体处理的上述处理方案可提供降低活性炭对受湿度影响而降低吸附能力的易感性的技术效果。

现在参考图2，示出了气体处理系统50的示例性实施方案。如图2中所示，将待处理的气体52引入活性炭处理模块54。处理模块54包括取自流化床12 (图1)的增强的活性炭颗粒46。活性炭颗粒可设置在或保持在基底（如多孔基底，例如纤维网或多孔泡沫基底）上。通过分散在流体介质中（任选地用粘合剂）并施加到基底上，可将活化的颗粒沉积到基底上。施加技术可包括但不限于洗涂、浸涂、喷涂、滚涂、刷和其它手动或自动施加技术。或者，活性炭颗粒可保持在有筛网的透气外壳内。鼓风机58引起气体52移动通过被支撑的活性炭颗粒46，以通过吸附除去污染物。处理后的气体59从处理模块54的出口离开。

在一些实施方案中，活性炭气体处理模块可其它处理模块或材料一起并入到复合气体处理系统中。图3中示出了这样的系统的示例性实施方案。如图3中所示，气体处理系统60接收外部空气52 (或其它待处理的气体)并将其引导至微粒过滤器53，例如HEPA (高效微粒吸收器)过滤器。离开微粒过滤器53的经过滤的空气被引导到如上所述的包含增强的活性炭颗粒46的活性炭过滤器模块54。污染物被增强的活性炭颗粒46吸附，并且将经活性炭处理的空气引导到UV光催化剂过滤器55，过滤器55包括光催化剂例如二氧化钛，将其用UV光源活化以产生羟基自由基，羟基自由基可以灭活未被先前的过滤器除去的污染物。然后，将经处理的空气引导至任选的另外的过滤器56，其可包括一个或多个另外的过滤器或处理模块，例如阴离子过滤器或产生臭氧的离子发生器。

虽然已经结合仅仅有限数量的实施方案详细描述了本公开，但是应当容易理解，本公开不限于这样的公开的实施方案。更确切地讲，本公开可以被修改以结合此前未描述但与本公开的精神和范围相称的任何数量的变化、改变、替代或等效布置。另外，虽然已经描述了本公开的各种实施方案，但是应当理解，本公开的方面可以仅包括所描述的实施方案中的一些。因此，本公开不应被视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (17)

1.制造增强的活性炭的方法，其包括：

使包含氧气的第一加热气体流过包括含活性炭的颗粒的流化床，以形成氧化的活性炭颗粒；

使包含氮气或氨气的第二加热气体流过包括氧化的活性炭颗粒的流化床，以形成氮掺杂的活性炭颗粒；以及

使包含氢气的第三加热气体流过包括氮化的活性炭颗粒的流化床，以形成增强的活性炭颗粒。

2.权利要求1所述的方法，其中所述第一气体包含氧气和惰性气体。

3.权利要求2所述的方法，其中所述第一气体包含1-21摩尔%的氧气和79-99摩尔%的惰性气体。

4.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一气体的温度为100-600℃。

5.前述权利要求中任一项所述的方法，其还包括将包含活性炭的颗粒与所述第一加热气体保持在所述流化床中1-10小时。

6.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二气体还包含氢气。

7.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二气体的温度为300-800℃。

8.前述权利要求中任一项所述的方法，其还包括将氧化的活性炭颗粒与所述第二气体保持在所述流化床中1-10小时。

9.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第三气体包含1-100摩尔%的氢气和0-99摩尔%的惰性气体。

10.前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第三气体的温度为300-700℃。

11.前述权利要求中任一项所述的方法，其还包括将氮化的活性炭颗粒与所述第三气体保持在所述流化床中1-10小时。

12.前述权利要求中任一项所述的方法，其还包括在选自以下的至少一个阶段中在惰性气体流中吹扫所述颗粒：在暴露于所述第一和第二气体之间、在暴露于所述第二和第三气体之间、以及在暴露于所述第三气体之后。

13.处理空气的方法，其包括：

根据前述权利要求中任一项所述的方法制备增强的活性炭颗粒；

沿着与待处理的空气源操作连通的空气流动路径设置所述增强的活性炭颗粒；以及

使在所述空气流动路径上流动的空气与增强的活性炭颗粒接触以产生经处理的空气。

14.制造空气处理装置的方法，其包括：

根据权利要求1-12中任一项所述的方法制备增强的活性炭颗粒；以及

沿着与待处理的空气源操作连通的空气流动路径设置所述增强的活性炭颗粒。

15.空气处理系统，其包含：

空气源；以及

活性炭处理模块，其包含与空气源操作性流体连通的入口、出口和根据权利要求1-12中任一项所述的方法制备的活性炭颗粒，所述活性炭颗粒设置在所述入口和所述出口之间的空气流动路径上。

16.制造增强的活性炭的系统，其包含：

可控气体源，其被配置为递送：包含氧气的第一气体、包含氮气或氨气的第二气体和包含氢气的第三气体；

包含活性炭的颗粒源；

流化床反应器，其被布置为接收来自所述气体源的气体和来自所述颗粒源的活化的颗粒；以及

热源，其被布置为加热所述气体或所述流化床反应器。

17.权利要求16所述的系统，其还包括控制器，所述控制器被配置为：

加热所述第一气体并引导所述第一气体流过包括所述颗粒的所述流化床反应器；

加热所述第二气体并引导所述第二气体流过包括所述颗粒的所述流化床反应器；以及

加热所述第三气体并引导所述第三气体流过包括所述颗粒的所述流化床反应器。

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