CN114195120B - 一种高纯碳的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高纯碳的制备方法，该方法以可溶性糖类物质为原料，经纯化处理后放入高压反应釜中进行高压低温预碳化处理，再放入碳化炉中进行碳化处理，得到碳粉，再将碳粉压块后采用高频感应炉进行高真空高温除杂处理，从而得到高纯碳。该方法在高压低温碳化处理时对高压反应釜进行加压，有效地抑制了糖类物质热分解过程的发泡现象和二氧化碳等副产物的产生，碳收得率较高。在高真空高温除杂之前将碳粉压成了碳块，碳块能直接被真空高频感应炉加热，降低了能耗，并能提高碳收率，同时通过对糖类物质进行离子交换除杂及结晶纯化处理，可使得得到的碳的纯度达到99.999％以上，碳收得率高达70％以上。

Description

一种高纯碳的制备方法

技术领域

本发明涉及一种生产高纯碳的方法，属于高纯碳生产技术领域。

背景技术

碳是一种重要的非金属元素。碳材料具有耐高温、良好的导电导热性、抗热震性以及化学稳定性等，是一种重要的非金属材料，广泛地应用于机械、原子能、航空航天、半导体、新能源、汽车工业等领域。近些年科学技术的不断发展，对碳材料尤其是高纯碳材料的开发、生产和应用提出了更新、更高的要求，其纯度通常需要达到99.999％以上。

目前主要是利用碳材料的高化学稳定性，具有高的熔点和沸点，一般条件下不与各种强酸、碱、氧化剂及还原剂、各种有机和无机溶剂发生作用的特征，采用湿法提纯法和干法提纯法等工艺对碳材料进行提纯。

湿法提纯法主要是利用碳材料中的杂质在高温下与强酸、强碱反应生成可溶性盐，再用水洗涤加以去除，从而提高碳材料的纯度。该方法大量使用强酸、强碱，容易造成水污染，对环境不友好，对碳材料纯度的提高有限，难以提高至4N以上。

干法提纯法主要是利用碳材料的熔沸点远高于其杂质的熔沸点，将碳材料加热至2700℃以上，其杂质率先气化脱除，从而达到提高碳材料纯度的目的。该方法适用于纯度大于99％的细碳粉的提纯。由于该方法需加热至2700℃以上，因此能耗较大，成本高。

除上述以天然石墨粉为原料经提纯而获得高纯度碳材料外，人们常用高含碳量的焦油、沥青等原料加热分解获得焦油及沥青碳进而制取人造石墨材料，但受原料纯度影响，所得碳材料纯度一般都不高。

另外中国专利CN104176725B中设计者提出，以水溶性糖类物质为碳源材料，丙烯酰胺和N，N’-亚甲基双丙烯酰胺为凝胶材料配制水溶液，然后进行凝胶固化，形成凝胶体，再进行低温热解预碳化处理和高温碳化和/或石墨化处理后，即得到碳和/或石墨材料。该方法原料来源广泛，工艺简单方便，无环境污染问题。但该方法在凝胶固化过程中需使用过硫酸铵或亚硫酸铵等，使得制备的碳材料中硫的含量很高，纯度只能达到99.99％，无法达到99.999％以上。

中国专利CN110510597A中设计者提出，将蔗糖作为碳源材料配制蔗糖溶液，利用离子交换树脂分离出Fe、Al、Ca等金属离子杂质，得到预提纯蔗糖溶液，随后烘干得到蔗糖晶体。将蔗糖研磨成粉末，于惰性气体保护下，在高温节能管式炉中进行低温稳定化处理，并在高温碳管炉中进行高温碳化提纯处理，通过控制温度、反应时间、压力范围，使杂质气化或气化分解，从而制得纯度达99.9995～99.9999％高纯碳材料。该方法原料来源广泛，成本低廉，且对环境友好，工艺过程简单，无需复杂化学反应即可制得高纯碳材料。但糖类物质常压下加热分解时会产生大量水以及副产物二氧化碳等气体，会出现严重的不可控发泡，体积极大膨胀，给操作带来很大不便。同时二氧化碳等副产物的产生使得碳收得率很低，通常不超过15％。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高纯碳的制备方法，该方法能有效抑制糖类物质热分解过程的发泡现象和二氧化碳等副产物的产生，操作方便，碳收得率高达70％以上，能耗较低，对环境友好。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

本发明一种高纯碳的制备方法，包括如下步骤：将糖晶体进行高压低温预碳化获得预碳化产物，再进行碳化处理获得碳粉，再将碳粉压制成型，获得碳块，然后将碳块进行高温除杂处理，即得高纯碳；所述高压低温预碳化的压力为1～10MPa、高压低温预碳化的温度为150～250℃、高压低温预碳化的时间为10～100h。

本发明的制备方法，先将糖晶体于高压低温下进行碳化处理，通过高压低温预碳化处理有效的抑制了糖类物质热分解过程的发泡现象和二氧化碳等副产物的产生，然后再进行碳化处理彻底碳化获得碳粉，而随后在除杂过程中，通过预先压制成碳块，不仅可以降低能耗，而且可以进一步的提升碳收得率，通过上述工艺的协同增效，本发明的碳收得率高达70％以上

优选的方案，所述糖晶体的获取过程为：将含可溶性糖的溶液通过离子交换树脂，除杂，获得糖液，将糖液蒸发结晶获得糖晶体。

进一步的优选，所述可溶性糖选自蔗糖、葡萄糖、果糖和麦芽糖中的至少一种。

上述原料选自普通市售工业型即可。

通过离子交换树脂，可以除掉糖溶液中的铁、钙、钠、镁、氯、硫酸根等离子。

在实际操作过程中，待除杂完成后，将糖溶液放至烘箱中蒸发掉部分水分，待有糖的晶体析出后冷却至室温结晶，过滤，得到纯化的糖晶体。

优选的方案，将糖晶体置于高压反应釜中，抽真空后，再通入保护气氛，使得压力达到1～10MPa后，再升温至150～250℃，保温10～100h进行高压低温预碳化获得预碳化产物。

发明人发现，先升压后，再升温，可以更好的抑制糖类物质热分解过程的发泡现象和二氧化碳等副产物的产生，大幅提升碳收率。

进一步的优选，将糖晶体置于高压反应釜中，抽真空后，再通入保护气氛，使得压力达到3～8MPa后，再升温至200～250℃，保温10～20h进行高压低温预碳化获得预碳化产物。

优选的方案，所述碳化处理在保护气氛下进行，所述碳化处理的温度为600-1200℃、碳化处理的时间为1～10h。

进一步的优选，所述碳化处理的温度为800-1000℃、碳化处理的时间为4～8h。

在本发明中，保护气氛为氮气或/和氩气。

优选的方案，将碳块置于真空高频感应炉中进行高温除杂处理。

发明人发现，将碳粉压制成碳块后可以进一步提高碳收率，尤其是若采用真空高频感应炉不仅能耗更低，而且碳收率提升的更多。

优选的方案，所述高温除杂处理在真空环境下进行，高温除杂处理的压力为0.01～0.0001Pa、高温除杂处理的温度为1800～2500℃、高温除杂处理的时间为1～8h。

原理与优势

本发明的一种高纯碳的制备方法以可溶性糖类物质为原料，经纯化处理后放入高压反应釜中进行高压低温预碳化处理，再放入碳化炉中进行碳化处理，得到碳粉，再将碳粉压块后采用高频感应炉进行高真空高温除杂处理，从而得到高纯碳。该方法在高压低温碳化处理时对高压反应釜进行加压，有效地抑制了糖类物质热分解过程的发泡现象和二氧化碳等副产物的产生，碳收得率较高。在高真空高温除杂之前将碳粉压成了碳块，碳块能直接被真空高频感应炉加热，降低了能耗。同时通过对糖类物质进行离子交换除杂及结晶纯化处理，可使得得到的碳的纯度达到99.999％以上，碳收得率高达70％以上。

具体实施方式

一种高纯碳的制备方法以可溶性糖类物质为原料，经纯化处理后放入高压反应釜中进行高压低温预碳化处理，再放入碳化炉中进行碳化处理，得到碳粉，再将碳粉压块后采用真空高频感应炉进行高真空高温除杂处理，从而得到高纯碳。

实施例1

将蔗糖溶于去离子水中，得到蔗糖溶液。将蔗糖溶液通过离子交换柱，用离子交换树脂将溶液中的铁、钙、钠、镁、氯、硫酸根等离子除掉。再将溶液放至烘箱中，升温至105℃，将溶液的部分水分蒸发，待有蔗糖晶体析出时冷却至室温结晶，过滤，得到纯化的蔗糖晶体。将100g纯化的蔗糖晶体放入高压反应釜中，将高压反应釜抽真空后充入氩气，使高压反应釜内压力达到3MPa，再将高压反应釜升温至200℃，保温20h，得到高压低温预碳化产物。将高压低温预碳化处理的产物放入碳化炉中，在氩气保护下将碳化炉升温至800℃后，保温8h，进行碳化处理，得到碳粉。将碳粉压成块状得到碳块。将碳块放至真空高频感应炉中，将真空高频感应炉抽真空至0.01Pa，升温至1800℃保温4h，随炉冷却后得到30.73g高纯碳，计算得出碳收率为72.98％。经辉光放电质谱仪GDMS分析后，该高纯碳纯度达到99.9995％。

对比例1

其他条件与实施例1相同，仅是不进行低温预碳化处理，100g蔗糖晶体得到14.59g高纯碳，计算得出碳收率仅为34.65％，经辉光放电质谱仪GDMS分析后，该高纯碳纯度为99.9987％。

实施例2

将葡萄糖溶于去离子水中，得到葡萄糖溶液。将葡萄糖溶液通过离子交换柱，用离子交换树脂将溶液中的铁、钙、钠、镁、氯、硫酸根等离子除掉。再将溶液放至烘箱中，升温至105℃，将溶液的部分水分蒸发，待有葡萄糖晶体析出时冷却至室温结晶，过滤，得到纯化的葡萄糖晶体。将100g纯化的葡萄糖晶体放入高压反应釜中，将高压反应釜抽真空后充入氩气，使高压反应釜内压力达到5MPa，再将高压反应釜升温至250℃，保温10h，得到高压低温预碳化产物。将高压低温预碳化处理的产物放入碳化炉中，在氩气保护下将碳化炉升温至1000℃后，保温4h，进行碳化处理，得到碳粉。将碳粉压成块状得到碳块。将碳块放至真空高频感应炉中，将真空高频感应炉抽真空至0.001Pa，升温至2000℃保温8h，随炉冷却后得到27.34g高纯碳计算得出碳收率为75.19％。经辉光放电质谱仪GDMS分析后，该高纯碳纯度达到99.9996％。

对比例2

其他条件与实施例2相同，仅是不进行碳化处理，100g葡萄糖晶体得到16.36g高纯碳，计算得出碳收率为44.99％，经辉光放电质谱仪GDMS分析后，该高纯碳纯度达到99.9989％。

实施例3

将葡萄糖溶于去离子水中，得到葡萄糖溶液。将葡萄糖溶液通过离子交换柱，用离子交换树脂将溶液中的铁、钙、钠、镁、氯、硫酸根等离子除掉。再将溶液放至烘箱中，升温至105℃，将溶液的部分水分蒸发，待有葡萄糖晶体析出时冷却至室温结晶，过滤，得到纯化的葡萄糖晶体。将100g纯化的葡萄糖晶体放入高压反应釜中，将高压反应釜抽真空后充入氩气，使高压反应釜内压力达到8MPa，再将高压反应釜升温至250℃，保温10h，得到高压低温预碳化产物。将高压低温预碳化处理的产物放入碳化炉中，在氩气保护下将碳化炉升温至1000℃后，保温5h，进行碳化处理，得到碳粉。将碳粉压成块状得到碳块。将碳块放至真空高频感应炉中，将真空高频感应炉抽真空至0.001Pa，升温至2500℃保温8h，随炉冷却后得到26.84g高纯碳计算得出碳收率为73.81％。经辉光放电质谱仪GDMS分析后，该高纯碳纯度达到99.9998％。

对比例3

其他条件与实施例3相同，仅是不将碳粉压成块，100g葡萄糖晶体得到24.74g高纯碳，计算得出碳收率为68.03％，经辉光放电质谱仪GDMS分析后，该高纯碳纯度达到99.9995％。

为了便于读者，上述说明集中了所有可能实施例的代表实例，该实例介绍了本发明的原理，并说明了实施本发明的最佳方式。本说明并不试图穷举所有可能的变化形式。也可以有其他未进行说明的变化或改变。

Claims (7)

1.一种高纯碳的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将糖晶体置于高压反应釜中，抽真空后，再通入保护气氛，使得压力达到1～10MPa后，再升温至150～250℃，保温10～100h进行高压低温预碳化获得预碳化产物，再进行碳化处理获得碳粉，再将碳粉压制成型，获得碳块，然后将碳块进行高温除杂处理，即得高纯碳；所述碳化处理在保护气氛下进行，所述碳化处理的温度为600-1200℃、碳化处理的时间1～10h。

2.根据权利要求1所述的一种高纯碳的制备方法，其特征在于：所述糖晶体的获取过程为：将含可溶性糖的溶液通过离子交换树脂，除杂，获得糖液，将糖液蒸发结晶获得糖晶体。

3.根据权利要求2所述的一种高纯碳的制备方法，其特征在于：

所述可溶性糖选自蔗糖、葡萄糖、果糖和麦芽糖中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的一种高纯碳的制备方法，其特征在于：将糖晶体置于高压反应釜中，抽真空后，再通入保护气氛，使得压力达到3～8MPa后，再升温至200～250℃，保温10～20h进行高压低温预碳化获得预碳化产物。

5.根据权利要求1所述的一种高纯碳的制备方法，其特征在于：

所述碳化处理的温度为800-1000℃、碳化处理的时间为4～8h。

6.根据权利要求1所述的一种高纯碳的制备方法，其特征在于：将碳块置于真空高频感应炉中进行高温除杂处理。

7.根据权利要求1或6所述的一种高纯碳的制备方法，其特征在于：所述高温除杂处理在真空环境下进行，高温除杂处理的压力为0.01～0.0001Pa、高温除杂处理的温度为1800～2500℃、高温除杂处理的时间为1～8h。