CN114684808A - 一种多孔纳米炭材料的制备方法及其在分离丙烯/丙烷中的应用 - Google Patents

一种多孔纳米炭材料的制备方法及其在分离丙烯/丙烷中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多孔纳米炭材料的制备方法及其在分离丙烯/丙烷中的应用，在炭化工艺中选用氧化性或还原性气体与惰性气体进行混合，氧化性或还原性气体与惰性气体的体积比为1:500‑1:20，混合气的总流量为50‑500mL/min，利用在热解过程中，氧化性或还原性气体直接参与炭前驱体聚合物的缩合、热缩聚和稠环化反应，促进类石墨的碳微晶生成、堆积，并在热解过中侵蚀炭材料的表面，使闭孔开放，形成均匀的超微孔和大微孔容结构。本发明不需要添加金属助剂和二次活化过程就可以获得超微孔孔径分布集中、微孔容积大的多孔纳米炭材料，实现具有高吸附量、高选择性和快速扩散速率的C3H6/C3H8分离过程，具有广泛的工业前景。

Description

一种多孔纳米炭材料的制备方法及其在分离丙烯/丙烷中的 应用
技术领域
本发明属于气体分离领域，涉及一种多孔纳米炭材料的制备方法及其在分离丙烯/丙烷中的应用。
背景技术
丙烯(C3H6)和丙烷(C3H8)都是重要的高价值化学品。其中，C3H6是制造世界第二大合成塑料聚丙烯的重要原料，近年来全球范围内C3H6需求量大幅提高，而C3H8常用做冷冻剂和内燃机燃料，广泛用于日常生活中。然而，石化工业中的C3H6和C3H8经常以混合物形式存在，需要将其分离，分别得到高纯度的C3H6和C3H8，才能满足产品市场的需求。
目前报道的用于吸附分离C3H6/C3H8混合气的多孔固体吸附剂主要包括晶体材料、分子筛和新型多孔炭材料。由于多孔炭材料具有好的耐水汽特性和结构稳定性，具有更实际的应用前景。已经公开的用于C3H6/C3H8分离的多孔炭固体吸附剂制备过程中需要添加金属离子或经过二次活化处理得到具有合适孔隙的多孔炭材料。例如，中国专利CN113620289以大米为碳源，分别经过铁盐溶液浸渍处理、炭化和CO2活化过程制备了微孔-大孔结构的多孔炭吸附剂，但是C3H6吸附量相对较低(<2.2mmol g-1)；中国专利CN 110436462以淀粉为碳源，在有机添加剂和金属盐助剂的存在下，经过离子交换反应至少8h，随后经过炭化、二次活化制备了超微孔炭分子筛吸附剂。尽管这些多孔炭吸附剂提高了C3H6/C3H8的分离选择性，但是，多孔炭材料制备过程中采用两步炭化-活化工艺，制备步骤繁琐，且其微观形貌为无规则块体，纳米尺度下较长的扩散路径限制了气体分子的扩散传质过程，降低了传质速率，进而影响其分离效率。中国专利CN 111229164采用一步炭化过程制备了孔隙贯通的微孔纳米炭吸附剂，尽管提高了材料的传质速率，但是材料孔容小(<0.15cm3/g)，孔径分布较宽，导致吸附量低。目前，多孔炭吸附剂在C3H6/C3H8分离中面临高吸附量、高选择性和快速扩散速率难兼容的问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种多孔纳米炭材料的制备方法及其在分离丙烯/丙烷中的应用，制备方法不需要添加金属助剂和二次活化过程就可以获得超微孔孔径分布集中、微孔容积大的纳米炭材料，实现具有高吸附量、高选择性和快速扩散速率的C3H6/C3H8分离过程。本发明的炭化工艺选用氧化性或还原性的气体与惰性气体按一定比例进行混合，利用在热解过程中，氧化性或还原性气体直接参与炭前驱体聚合物的缩合、热缩聚和稠环化反应，促进类石墨的碳微晶生成、堆积，并在热解过中侵蚀炭材料的表面，使闭孔开放，形成均匀的超微孔和大微孔容结构。该方法简单，易实施。
本发明的技术方案如下：
一种多孔纳米炭材料的制备方法，包括下述步骤：
(1)将纳米炭材料前驱体聚合物置于管式炉中，在室温条件下经过氧化性或还原性气体与惰性气体的混合气吹扫1-2h，充分去除炉内杂质气，保证炭化环境气氛均匀；所述氧化性或还原性气体与惰性气体的体积比为1:500-1:20，混合气的总流量为50-500mL/min；
(2)在上述混合气氛围中，将管式炉以升温速率为0.5-10℃/min升至500-1200℃，恒温0.1-6h，待炭化结束后，冷却至室温，获得多孔纳米炭材料。
所述步骤(1)中的纳米炭材料前驱体聚合物的分子量<40000g/mol。更进一步地，纳米炭材料前驱体聚合物包括通过酚醛胺聚合获得的聚合物、通过酚醛反应获得的聚合物和通过醛胺反应获得的聚合物中的一种或几种。
所述步骤(1)中混合气为氧气/氮气、氢气/氮气、氧气/氩气、氢气/氩气、氧气/氦气或氢气/氦气。
所述步骤(2)中获得的纳米炭材料具有集中的超微孔孔径分布，超微孔尺寸为0.45-0.6nm，微孔容积为0.18-0.30cm3/g。
本发明还提供上述制备方法得到的多孔纳米炭材料在分离丙烯/丙烷中的应用。
所述分离丙烯/丙烷的温度为0-50℃、压力为1.0-20bar。
所述C3H6/C3H8混合物的体积比为1:20-20:1。
本发明的有益效果如下：
与现有技术相比，本发明不需要添加金属离子和经过二次活化过程，采用一步炭化过程制备了超微孔孔径分布集中、微孔容积大的多孔纳米炭材料，对C3H6/C3H8表现出高效的分离能力，具有广泛的工业前景。在25℃和1bar条件下对C3H6/C3H8分离选择性最高为570，C3H6吸附容量>2.5mmol g-1，气体扩散速率高于商业炭分子筛的2-3个数量级。
附图说明：
图1实施例1-3中纳米炭的孔径分布曲线
图2实施例1-3中纳米炭的C3H6吸附量曲线
图3实施例2中纳米炭的C3H6/C3H8分离选择性曲线
具体实施方式
本申请的实施例中具体的分析方法如下：
实施例1
实施例1中使用的酚醛胺聚合物的合成方法参照文献React.Funct.Polym.,2017,121,51的制备方法，酚醛胺聚合物的分子量为5900g/mol。将酚醛胺聚合物置于管式炉中，在氧气/氩气体积比为1:500、总流量为300mL/min的混合氛围下吹扫2h，随后在氧气/氩气混合气氛围下从室温以5℃/min升至900℃，恒温2h，冷却至室温，获得多孔纳米炭NC-1。超微孔孔径尺寸集中在0.52-0.60nm、比表面积为560m2/g、微孔孔容0.28cm3/g。在25℃和1bar条件下，C3H6和C3H8静态吸附量分别为2.75mmol/g和1.21mmol/g，IAST分离选择性为301，C3H6的扩散间常数为8.6×10-4s-1。
实施例2
实施例2中使用的酚醛聚合物的制备方法参照文献《化工新型材料》，2015,6,158报道的制备方法，酚醛聚合物的分子量为26000g/mol。将酚醛聚合物置于管式炉中，在氢气/氩气体积比为1:100、总流量为200mL/min的混合氛围下吹扫1h，随后在氢气/氩气混合气氛围下从室温以8℃/min升至1000℃，恒温2h，冷却至室温，获得多孔纳米炭NC-2。超微孔孔径尺寸集中在0.48-0.60nm、比表面积为669m2/g、微孔孔容0.28cm3/g。在25℃和1bar条件下，C3H6和C3H8静态吸附量分别为3.53mmol/g和1.02mmol/g，IAST分离选择性为525，C3H6的扩散间常数为6.6×10-3s-1。
实施例3
实施例3中使用的醛胺聚合物的制备方法参照文献Journal ofMolecularStructure,2018,1163,22报道的制备方法，醛胺聚合物的分子量为12700g/mol。将醛胺聚合物置于管式炉中，在氧气/氮气体积比为1:25、总流量为100mL/min的混合气氛围下吹扫2h，随后在氧气/氮气混合气氛围下从室温以2℃/min升至800℃，恒温0.3h，冷却至室温，获得多孔纳米炭NC-3。超微孔孔径尺寸集中在0.52-0.60nm、比表面积为520m2/g、微孔孔容0.26cm3/g。在25℃和1bar条件下，C3H6和C3H8静态吸附量分别为2.58mmol/g和1.11mmol/g，IAST分离选择性为296，C3H6的扩散间常数为4.8×10-4s-1。
实施例4
实施例4中使用的酚醛胺聚合物的制备方法参照文献Polym.Chem.,2018,9,178报道的制备方法，酚醛胺聚合物的分子量为4000g/mol。将酚醛胺聚合物置于管式炉中，在氢气/氮气体积比为1:20、总流量为100mL/min的混合气氛围下吹扫1h，随后在氢气/氮气氛围下从室温以2℃/min升至1100℃，恒温1h，冷却至室温，获得多孔纳米炭NC-4。超微孔孔径尺寸集中在0.55-0.60nm、比表面积为600m2/g、微孔孔容0.28cm3/g。在25℃和1bar条件下，C3H6和C3H8静态吸附量分别为3.03mmol/g和1.44mmol/g，IAST分离选择性为247，C3H6的扩散间常数为9.6×10-3s-1。
实施例5
实施例5中使用的酚醛胺聚合物的制备方法参照文献Polym.Chem.,2018,9,178报道的制备方法，酚醛聚合物的分子量为2000g/mol。将酚醛胺聚合物置于管式炉中，在氢气/氦气体积比为1:60、总流量为150mL/min的混合气氛围下吹扫2h，随后在氢气/氦气混合气氛围下从室温以4℃/min升至850℃，恒温2h，冷却至室温，获得多孔纳米炭NC-5。超微孔孔径尺寸集中在0.52-0.60nm、比表面积为682m2/g、微孔孔容0.26cm3/g。在25℃和2bar条件下，C3H6和C3H8静态吸附量分别为4.66mmol/g和2.05mmol/g，IAST分离选择性为321，C3H6的扩散间常数为3.6×10-4s-1。
实施例6
实施例6中使用的醛胺聚合物的制备方法参照文献Journal ofPolymerSciencePartA:Polymer Chemistry,2019,57,1653报道的制备方法，醛胺聚合物的分子量为38000g/mol。将醛胺聚合物置于管式炉中，在氢气/氮气体积比为3:70、总流量为80mL/min的混合气氛围下吹扫2h，随后在氢气/氮气混合物氛围下从室温以1℃/min升至1200℃，恒温1h，冷却至室温，获得多孔纳米炭NC-6。超微孔孔径尺寸集中在0.46-0.60nm、比表面积为563m2/g、微孔孔容0.23cm3/g。在25℃和5bar条件下，C3H6和C3H8静态吸附量分别为6.23mmol/g和2.41mmol/g，IAST分离选择性为265，C3H6的扩散间常数为7.1×10-4s-1。
实施例7
实施例7中使用的酚醛聚合物的制备方法参照文献《化工新型材料》，2015,6,158报道的制备方法，酚醛聚合物的分子量为40000g/mol。将酚醛聚合物置于管式炉中，在氧气/氦气体积比为3:100、总流量为200mL/min的混合气氛围下吹扫1.5h，随后在氧气/氦气混合气氛围下从室温以1℃/min升至500℃，恒温0.5h，冷却至室温，获得多孔纳米炭NC-7。超微孔孔径尺寸集中在0.52-0.60nm、比表面积为481m2/g、微孔孔容0.25cm3/g。在25℃和15bar条件下，C3H6和C3H8静态吸附量分别为7.23mmol/g和6.71mmol/g，IAST分离选择性为120，C3H6的扩散间常数为5.5×10-3s-1。
实施例8
实施例8中使用的醛胺聚合物的制备方法参照文献Journal ofPolymerSciencePartA:Polymer Chemistry,2019,57,1653报道的制备方法，醛胺聚合物的分子量为6400g/mol。将醛胺聚合物置于管式炉中，在氢气/氦气体积比为3:100、总流量为100mL/min的混合气氛围下吹扫1.5h，随后在氢气/氦气混合气氛围下从室温以1℃/min升至850℃，恒温6h，冷却至室温，获得多孔纳米炭NC-8。超微孔孔径尺寸集中在0.52-0.60nm、比表面积为685m2/g、微孔孔容0.27cm3/g。在25℃和20bar条件下，C3H6和C3H8静态吸附量分别为8.54mmol/g和4.26mmol/g，IAST分离选择性为329，C3H6的扩散间常数为6.8×10-4s-1。
实施例9
实施例9中使用的酚醛胺聚合物的制备方法参照文献Polym.Chem.,2018,9,178报道的制备方法，酚醛聚合物的分子量为4000g/mol将酚醛胺聚合物置于管式炉中，在氧气/氩气体积比为1:100、总流量为350mL/min的混合气氛围下吹扫2h，随后在氧气/氩气混合气氛围下从室温以5℃/min升至600℃，恒温0.5h，冷却至室温，获得多孔纳米炭NC-9，超微孔孔径尺寸集中在0.48-0.60nm、比表面积为569m2/g、微孔孔容0.24cm3/g。在50℃和1bar条件下，C3H6和C3H8静态吸附量分别为3.02mmol/g和1.73mmol/g，IAST分离选择性为75，C3H6的扩散间常数为9.9×10-3s-1。
实施例10
实施例10中使用的酚醛胺聚合物的合成方法参照文献React.Funct.Polym.,2017,121,51的制备方法，酚醛胺聚合物的分子量为5900g/mol。将酚醛胺聚合物置于管式炉中，在氢气/氦气体积比为7:100、总流量为400mL/min的混合气氛围下吹扫2h，随后在氢气/氦气混合气氛围下从室温以4℃/min升至550℃，恒温1.5h，冷却至室温，获得多孔纳米炭NC-10。超微孔孔径尺寸集中在0.50-0.60nm、比表面积为426m2/g、微孔孔容0.21cm3/g。在50℃和1bar条件下，C3H6和C3H8静态吸附量分别为2.23mmol/g和1.36mmol/g，IAST分离选择性为127，C3H6的扩散间常数为1.1×10-2s-1。
对比例1(非本发明)
对比例1为实施例2的对比样品。采用实施例2中酚醛聚合物为原料，选择低含量还原性气体的混合气氛围进行炭化。将酚醛聚合物置于管式炉中，在氢气/氩气体积比为1:700、总流量为500mL/min的混合气氛围下吹扫1h，随后在氢气/氩气混合气氛围下从室温以5℃/min升至1000℃，恒温2h，冷却至室温，获得多孔纳米炭NC-11。超微孔孔径分布在0.50-0.6nm、比表面积为502m2/g、微孔孔容0.11cm3/g。在25℃和1bar条件下，C3H6和C3H8静态吸附量分别为1.47mmol/g和0.979mmol/g，IAST分离选择性为21，C3H6的扩散间常数为4.6×10- 5s-1。
对比例2(非本发明)
对比例2为实施例10的对比样品。以实施例10中的酚醛胺聚合物为原料，选择单组分惰性气氛进行炭化。将酚醛胺聚合物置于管式炉中，在氦气氛围下吹扫2h，总流量400mL/min，随后在氦气氛围下，从室温以4℃/min升至550℃，恒温1.5h，冷却至室温，获得多孔纳米炭NC-12。超微孔孔径分布在0.5-1.2nm、比表面积为460m2/g、微孔孔容0.12cm3/g。在25℃和1bar条件下，C3H6和C3H8静态吸附量分别为1.62mmol/g和1.06mmol/g，IAST分离选择性为23，C3H6的扩散间常数为3.2×10-5s-1。
对比例3(非本发明)
对比例3为实施例7的对比样。以实施例7中酚醛聚合物为原料，选择在低气体流量氛围进行炭化。将酚醛聚合物置于管式炉中，在氧气/氦气体积比为3:100、总流量为40mL/min的混合气氛围下吹扫1.5h，随后在氧气/氦气混合气氛围下从室温以1℃/min升至500℃，恒温0.5h，冷却至室温，获得多孔纳米炭NC-13。超微孔孔径分布范围较宽0.5-1.5nm、比表面积为300m2/g、微孔孔容0.10cm3/g。在25℃和1bar条件下，C3H6和C3H8静态吸附量分别为1.23mmol/g和0.71mmol/g，IAST分离选择性为5。
对比例1-3与实施例1-10的结构参数和其对C3H6/C3H8分离性能结果列于表1和表2。由表1和表2可知，选择在低体积比氢气/氩气混合气氛围、单组分惰性气氛和低气体流量氛围条件下炭化获得的纳米炭材料，微孔容积较小<0.15cm3/g，超微孔孔径分布范围较宽，导致C3H6的吸附量较低、C3H6/C3H8分离选择性低<25；而采用本专利的炭化方法，获得的纳米炭材料孔容积大>0.20cm3/g，超微孔孔径分布集中。其中，实施例2对C3H6的吸附量最高达到3.53mmol/g，C3H6/C3H8分离选择性达到570。这是因为在炭化过程中单组分惰性气体和氢气/氩气比例较低，所形成的炭化环境不利于炭微晶的有序生长，还原性气体氢气没有充分刻蚀纳米炭的骨架结构使闭孔打开，不利于形成大孔容结构。当气体流量过低时，不利于热解过程中产生的小分子逸出，也导致形成的微孔孔径分布较宽。
表1炭化过程的工艺参数
Figure BDA0003636149910000081
注：Vt:气体总流量；v:升温速率；t:恒温时间；T:炭化温度
表2纳米炭结构参数及C3H6/C3H8分离性能对比
Figure BDA0003636149910000091
注：SBET:比表面积；Vmic:材料微孔孔容；D:超微孔孔径；C:吸附容量；S:C3H6/C3H8分离选择性；D/r2:扩散时间常数

Claims (8)

1.一种多孔纳米炭材料的制备方法，其特征在于：包括下述步骤：
(1)将纳米炭材料前驱体聚合物置于管式炉中，在室温条件下经过氧化性或还原性气体与惰性气体的混合气吹扫1-2h，充分去除炉内杂质气，保证炭化环境气氛均匀；所述氧化性或还原性气体与惰性气体的体积比为1:500-1:20，混合气的总流量为50-500mL/min；
(2)在上述混合气氛围中，将管式炉以升温速率为0.5-10℃/min升至500-1200℃，恒温0.1-6h，待炭化结束后，冷却至室温，获得多孔纳米炭材料。
2.根据权利要求1所述的一种多孔纳米炭材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的纳米炭材料前驱体聚合物的分子量<40000g/mol。
3.根据权利要求2所述的一种多孔纳米炭材料的制备方法，其特征在于：所述纳米炭材料前驱体聚合物包括通过酚醛胺聚合获得的聚合物、通过酚醛反应获得的聚合物和通过醛胺反应获得的聚合物中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种多孔纳米炭材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中混合气为氧气/氮气、氢气/氮气、氧气/氩气、氢气/氩气、氧气/氦气或氢气/氦气。
5.根据权利要求1所述的一种多孔纳米炭材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中获得的纳米炭材料具有集中的超微孔孔径分布，超微孔尺寸为0.45-0.6nm，微孔容积为0.18-0.30cm3/g。
6.一种根据权利要求1所述的制备方法得到的多孔纳米炭材料在分离丙烯/丙烷中的应用。
7.根据权利要求6所述的多孔纳米炭材料在分离丙烯/丙烷中的应用，其特征在于：所述分离丙烯/丙烷的温度为0-50℃、压力为1.0-20bar。
8.根据权利要求6所述的多孔纳米炭材料在分离丙烯/丙烷中的应用，其特征在于：所述C3H6/C3H8混合物的体积比为1:20-20:1。
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