RU2223911C1 - Способ получения активированного угля для электротехнических целей - Google Patents
Способ получения активированного угля для электротехнических целей Download PDFInfo
- Publication number
- RU2223911C1 RU2223911C1 RU2003110029/15A RU2003110029A RU2223911C1 RU 2223911 C1 RU2223911 C1 RU 2223911C1 RU 2003110029/15 A RU2003110029/15 A RU 2003110029/15A RU 2003110029 A RU2003110029 A RU 2003110029A RU 2223911 C1 RU2223911 C1 RU 2223911C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- solution
- activated carbon
- coal
- dried
- pore volume
- Prior art date
Links
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
Abstract
Изобретение относится к электротехнике, в частности к производству электродов конденсаторов-накопителей, содержащих активированный уголь и обладающих высокой емкостью на основе эффекта двойного электрического слоя. Предложен способ получения активированного угля, включающий предварительную пропитку карбонизата березовой древесины раствором ортофосфорной кислоты с концентрацией 3-5% при соотношении раствор кислоты:сырье=3-5:1 вес.ч., сушку пропитанного сырья, ступенчатую или плавную со скоростью подъема температуры 30-50oС/ч карбонизацию в инертной атмосфере до температуры 700-850oС и парогазовую активацию до достижения суммарного объема пор 0,9-1,5 см3/г с последующей обработкой растворами щелочи с концентрацией 1,0-10%, а затем азотной кислоты с концентрацией 0,2-10%, промывку и сушку. Полученный предлагаемым способом активированный уголь обладает высокой электрической емкостью и стабильностью электрических параметров во времени.
Description
Изобретение относится к области получения активированных углей для электротехнических целей, в частности для производства электродов конденсаторов-накопителей, обладающих высокой емкостью на основе эффекта двойного электрического слоя. Конденсаторы-накопители такого рода имеют широкое применение в системах обеспечения бесперебойного снабжения электроэнергией, в устройствах запуска двигателей внутреннего сгорания и в качестве источников питания для электродвигателей различного применения.
Близким по назначению к предлагаемому является способ получения активного угля для электродов конденсаторов, включающий последовательную обработку активного угля цианистыми соединениями и 1 М фосфорной кислотой (см. J. "Carbon" V28 2/3, с.301-309). Недостатком данного способа является образование в пористой структуре угля водорастворимых соединений железа, что значительно снижает электроемкостные свойства угля и может привести к частичному разрушению структуры и нарушению электропроводности самого электрода в процессе работы за счет избыточного отложения железосодержащих солей в нерастворимой форме на его отдельных участках.
Близким по технической сущности является способ получения активированного угля, разработанный группой под руководством И.А.Кузина, включающий обработку угля раствором азотной кислоты высокой концентрации, промывку и сушку (см. И.А.Тарковская. "Окисленный уголь", К., 1981, с.123-132, 164).
Основным недостатком активных углей, получаемых подобным способом, является невысокий объем их пористой структуры с преобладанием макропор, невысокая устойчивость в среде электролита, например в растворе щелочи, и низкие емкостные характеристики.
Наиболее близким по технической сущности является способ получения модифицированного активного угля для изготовления электродов конденсаторов, включающий последовательную обработку промышленного активированного угля растворами щелочи (1-10%) и азотной кислоты (0,2-10%) с возможностью последующей прокалки при температурах 135-900oС в инертной или слабоокисляющей среде или при 135-300oС в атмосфере воздуха, водяного пара или отходящих газов (Пат. РФ 2166478, кл. С 01 В 31/08, 31/16). Этот способ принят за прототип предлагаемого изобретения.
Недостатком прототипа является нестабильность емкостных характеристик во времени за счет образования внутри пористой структуры углей сложных органических соединений, препятствующих свободному массообмену внутри пор и уменьшающих рабочую поверхность угля для образования двойного электрического слоя. Кроме того, очевидно, что в процессе обработки происходит образование большого количества небольших фрагментов графитоподобных сеток, что также затрудняет доступ молекул электролита в углеродную структуру и снижает емкостные характеристики получаемого угля.
Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в значительном повышении электрической емкости получаемого угля и стабилизации во времени его электрических характеристик.
Указанный технический результат достигается предложенным способом, включающим предварительную пропитку карбонизата березовой древесины раствором ортофосфорной кислоты (ОФК) с концентрацией 3-5% из соотношения "раствор ОФК:сырье"=3-5:1 весовых частей, затем пропитанное сырье сушится, полученный после сушки продукт подвергают ступенчатой или плавной со скоростью подъема температуры 30-50oС/ч карбонизации в инертной атмосфере до температуры 700-850oС и парогазовой активации до достижения суммарного объема пор 0,9-1,5 см3/г, после чего для получения требуемых электрохимических показателей угля проводится обработка продукта растворами щелочи с концентрацией 1,0-10%, а затем азотной кислоты с концентрацией 0,2-10%, промывка и последующая сушка.
Отличие предложенного способа от прототипа заключается в том, что в качестве сырья берут карбонизат березовой древесины и перед щелочной обработкой его пропитывают раствором ОФК с концентрацией 3-5% из соотношения "раствор ОФК:сырье"=3-5:1 весовых частей, затем пропитанное сырье сушат, полученный после сушки продукт подвергают ступенчатой или плавной со скоростью подъема температуры 30-50oС/ч карбонизации в инертной атмосфере до температуры 700-850oС и парогазовой активации до достижения суммарного объема пор 0,9-1,5 см3/г.
Из научно-технической литературы авторам не известен способ получения активных углей для электротехнических целей, подобный предлагаемому.
Использование указанных выше признаков позволяет на стадии получения активного угля производить направленное формирование его пористой структуры с целью увеличения ее устойчивости в растворах электролитов, например гидроксида натрия или серной кислоты, а также значительно увеличить электрическую емкость и стабилизировать электрические параметры получаемого угля во времени, а следовательно, использовать его для изготовления, например, электродов конденсаторов-накопителей, обладающих высокой электрической емкостью и стабильными характеристиками в течение большого числа циклов "заряд-разряд".
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Берут карбонизат березовой древесины, обрабатывают его раствором ОФК с концентрацией 3-5% из соотношения "раствор ОФК:сырье"=3-5:1, сушат, затем подвергают ступенчатой или плавной со скоростью подъема температуры 30-50oС/ч карбонизации в инертной атмосфере до температуры 700-850oС и парогазовой активации до достижения суммарного объема пор 0,9-1,5 см3/г, после чего обрабатывают раствором щелочи с концентрацией 1,0-10,0%, а потом раствором азотной кислоты с концентрацией 0,2-10% промывают дистиллированной водой и сушат.
Сущность изобретения поясняется следующими примерами конкретного выполнения способа.
Пример 1. Берут 1 кг карбонизата березовой древесины, пропитывают 3 литрами 5% раствора ОФК до полного насыщения раствором макропористой структуры карбонизата, затем излишкам раствора дают стечь, а сам карбонизат сушат. Полученный продукт ступенчато карбонизуют до температуры 700oС с выдержкой в течение часа при температурах 450, 550 и 700oС, а затем активируют парогазовым способом до достижения суммарного объема пор 0,9 см3/г.
Полученный активный уголь обрабатывают 1,5 л 5% раствора NaOH и промывают водой. После этого уголь помещают в колонку со стационарным слоем угля и обрабатывают 2% раствором НNО3. Проводят промывку от свободной азотной кислоты с последующей сушкой. После этого колонку останавливают и выгружают охлажденный уголь.
Интегральная емкость полученного таким образом угля при использовании его в электродах конденсаторов-накопителей в одномерном режиме +0,9...-0,1 В достигает 760-800 фарад/г против 520-550 фарад/г угля, полученного по прототипу, длительность работы в составе конденсатора-накопителя составляет до 950 циклов заряд-разряд, против 300-400 циклов для прототипа.
Пример 2. Берут 1 кг карбонизата березовой древесины, обрабатывают 5 л 3% раствора ОФК до полного насыщения, сливают излишек раствора и сушат. Пропитанный продукт карбонизуют со скоростью 50oС/ч до температуры 850oС, потом активируют парогазовым способом до достижения суммарного объема пор 1,5 см3/г.
Полученный активный уголь обрабатывают 1,5 л 5% раствора NaOH и промывают дистиллированной водой от избытка щелочи. После этого помещают в колонку со стационарным слоем угля, обрабатывают 2% раствором НNО3. Проводят промывку от излишков азотной кислоты, а затем сушат.
При работе электрода в том же режиме (см. пример 1) достигается интегральная емкость 780-820 фарад/г с максимумом при катодной поляризации в области 0,0. ..+0,5 В., При этом длительность работы углей в составе электродов в конденсаторе составляет до 900 циклов.
Пример 3. Берут 1 кг карбонизата березовой древесины, пропитывают 4 л 4% раствора ОФК до насыщения, удаляют невпитавшийся раствор и сушат. Пропитанный продукт подвергают плавной карбонизации до температуры 750oС со скоростью подъема температуры 30oС/ч, а затем активируют парогазовым способом до достижения суммарного объема пор 1,2 см3/г. Полученный активный уголь обрабатывают 1,5 л 5% раствора NaOH, промывают от щелочи, а затем помещают в колонку со стационарным слоем и обрабатывают 2% раствором азотной кислоты. После этого уголь промывают дистиллированной водой и сушат.
При работе электродов, полученных с использованием угля по этому примеру, в интервале -0,1...+0,9 В интегральная емкость составляет 800-850 фарад/г при длительности работы до 1000 циклов.
Наиболее важными показателями, определяющими качество активных углей для электротехнических целей, являются высокая электрическая емкость и стабильность во времени электрических параметров пористой структуры угля, которых на основании длительных исследований удалось добиться авторам в активном угле, полученном предлагаемым способом.
Определяющим для получения указанных свойств угля является подбор исходного сырья и режимов его обработки.
Опытным путем установлено, что в качестве исходного сырья наилучшим оказался карбонизат березовой древесины. Выбор карбонизата березовой древесины определяется, как было установлено на основании многочисленных экспериментов, необходимостью существования уже на стадии сырья высокой плотности углеродной структуры и ее высокой электропроводности в сочетании с наличием в нем развитой макропористой структуры.
Экспериментально авторами было установлено, что использование более плотных материалов, например карбонизатов полимерных смол, приводит к невозможности проведения предварительной обработки из-за их низкой впитывающей способности. Применение в качестве сырья более рыхлых, хорошо впитывающих материалов, например карбонизата сосновой древесины, приводит к снижению прочности получаемых углей и ухудшению их электрических характеристик за счет низкой упорядоченности углеродной структуры материала.
Раствор ортофосфорной кислоты для пропитки берут с концентрацией 3-5%, т. к. при концентрации менее 3,0% структура получаемого угля не приобретает достаточной устойчивости к воздействию кислот и щелочей, а при концентрации выше 5,0% происходит усадка угля с уменьшением объема его пористой структуры.
Для пропитки сырья раствор ОФК берут в соотношении 3-5 весовых частей на одну весовую часть карбонизата березовой древесины. Соотношение раствор:карбонизат ниже 3:1 приводит к недостаточной защищенности поверхности пористой структуры в процессе карбонизации и активации и, следовательно, низкой ее устойчивости к воздействию растворов электролитов, а выше 5:1 - к перерасходу раствора ОФК и усадке углеродного материала с уменьшением объема пористой структуры.
Для формирования микропористой структуры карбонизат березовой древесины после пропитки раствором ОФК и последующей сушки карбонизуют ступенчато или плавно со скоростью подъема температуры 30-50oС/ч. При скорости подъема температуры более 50oС/ч происходит резкое выделение летучих веществ, что приводит к неравномерному разрыхлению углеродного скелета получаемого угля. Скорость подъема температуры менее чем 30oС/ч приводит к затягиванию процесса и неоправданному перерасходу энергии. Карбонизацию ведут до температуры 700-850oС в инертной среде. Карбонизация до температуры менее 700oС приводит к низкой упорядоченности углеродной структуры получаемого продукта, что проявляется в снижении прочностных характеристик и ухудшении электротехнических параметров угля. Карбонизация до температуры более 850oС ведет к значительной усадке углеродного материала и уменьшению объема пористой структуры, а следовательно, к снижению емкостных характеристик углей.
Активирование продукта производят при температуре 850oС парогазовым методом до достижения суммарного объема пор 0,9-1,5 см3/г. При суммарном объеме пор менее 0,9 см3/г площадь поверхности углей недостаточна для обеспечения требуемой емкости. А при величине суммарного объема пор более 1,5 см3/г в угле начинают доминировать макропоры, что в свою очередь приводит к снижению рабочей поверхности пор.
Уголь, полученный предлагаемым способом, является многоцелевым и может использоваться при изготовлении композиционных электродов для кислотных и щелочных моно- и биполярных конденсаторов, а также конденсаторов с нейтральным и неводным электролитом.
Основное преимущество угля проявляется в монополярном режиме гибридных конденсаторов-накопителей, таких как, например, углерод-свинец.
Из вышеизложенного следует, что каждый из признаков заявленной совокупности в большей или меньшей степени влияет на достижение поставленной задачи, а именно получение активного угля с большой электрической емкостью и стабильными во времени электрическими характеристиками, а вся совокупность является достаточной для характеристики заявленного технического решения.
Claims (1)
- Способ получения активированного угля для электротехнических целей путем обработки сырья раствором щелочи, затем азотной кислоты с последующей промывкой и сушкой, отличающийся тем, что в качестве сырья берут карбонизат березовой древесины, который перед обработкой раствором щелочи пропитывают раствором ортофосфорной кислоты с концентрацией 3-5% при соотношении раствор ортофосфорной кислоты : сырье=3-5 : 1 вес. ч., затем сушат, а после сушки подвергают ступенчатой или плавной со скоростью подъема температуры 30-50°С/ч карбонизации в инертной атмосфере до 700-850°С и парогазовой активации до достижения суммарного объема пор 0,9-1,5 см3/г.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003110029/15A RU2223911C1 (ru) | 2003-04-08 | 2003-04-08 | Способ получения активированного угля для электротехнических целей |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003110029/15A RU2223911C1 (ru) | 2003-04-08 | 2003-04-08 | Способ получения активированного угля для электротехнических целей |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2223911C1 true RU2223911C1 (ru) | 2004-02-20 |
Family
ID=32173593
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003110029/15A RU2223911C1 (ru) | 2003-04-08 | 2003-04-08 | Способ получения активированного угля для электротехнических целей |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2223911C1 (ru) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8313723B2 (en) | 2005-08-25 | 2012-11-20 | Nanocarbons Llc | Activated carbon fibers, methods of their preparation, and devices comprising activated carbon fibers |
RU2472702C2 (ru) * | 2007-02-14 | 2013-01-20 | Университи оф Кентукки Ресеарч Фоундатион Инк. | Способы формирования активированного углерода |
US8580418B2 (en) | 2006-01-31 | 2013-11-12 | Nanocarbons Llc | Non-woven fibrous materials and electrodes therefrom |
WO2014196888A1 (ru) * | 2013-06-05 | 2014-12-11 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Товарищество Энергетических И Электромобильных Проектов" | Способ получения углеродного материала для изготовления электродов конденсаторов |
EA039799B1 (ru) * | 2020-12-15 | 2022-03-15 | Учреждение Белорусского государственного университета "Научно-исследовательский институт физико-химических проблем" (НИИ ФХП БГУ) | Способ получения активированного мезопористого угля из лигнинсодержащего сырья |
RU2782029C1 (ru) * | 2021-07-12 | 2022-10-21 | Артюшечкин Данил Александрович | Способ изменения свойств угольных концентратов |
-
2003
- 2003-04-08 RU RU2003110029/15A patent/RU2223911C1/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Тарковская И.А. Окисленный уголь. - Киев: Наукова думка, 1981, с. 123-132, 164. * |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8313723B2 (en) | 2005-08-25 | 2012-11-20 | Nanocarbons Llc | Activated carbon fibers, methods of their preparation, and devices comprising activated carbon fibers |
US8580418B2 (en) | 2006-01-31 | 2013-11-12 | Nanocarbons Llc | Non-woven fibrous materials and electrodes therefrom |
RU2472702C2 (ru) * | 2007-02-14 | 2013-01-20 | Университи оф Кентукки Ресеарч Фоундатион Инк. | Способы формирования активированного углерода |
US8709972B2 (en) | 2007-02-14 | 2014-04-29 | Nanocarbons Llc | Methods of forming activated carbons |
WO2014196888A1 (ru) * | 2013-06-05 | 2014-12-11 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Товарищество Энергетических И Электромобильных Проектов" | Способ получения углеродного материала для изготовления электродов конденсаторов |
EA039799B1 (ru) * | 2020-12-15 | 2022-03-15 | Учреждение Белорусского государственного университета "Научно-исследовательский институт физико-химических проблем" (НИИ ФХП БГУ) | Способ получения активированного мезопористого угля из лигнинсодержащего сырья |
RU2782029C1 (ru) * | 2021-07-12 | 2022-10-21 | Артюшечкин Данил Александрович | Способ изменения свойств угольных концентратов |
RU2799322C1 (ru) * | 2022-11-18 | 2023-07-04 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Способ получения дробленого активированного угля |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108529587B (zh) | 一种磷掺杂生物质分级孔炭材料的制备方法及其应用 | |
JP7236391B2 (ja) | 活性炭の製造方法 | |
CN109987604B (zh) | 一种多孔碳材料及其制备方法 | |
CN107039193B (zh) | 一种用于超级电容器的蒜皮基活性炭电极材料及制备方法 | |
CN111453726A (zh) | 一种氮掺杂多孔炭材料及其制备方法与应用 | |
CN105645410B (zh) | 3d网络孔结构超级电容炭及其制备方法 | |
CN104715936B (zh) | 一种用于超级电容器的分级多孔碳电极材料及制备方法 | |
CN105692616A (zh) | 一种用松针基活性炭材料制备超级电容器电极材料的方法 | |
KR100348499B1 (ko) | 전기이중층 캐패시터용 왕겨 활성탄의 제조방법 | |
CN111320172A (zh) | 一种含微孔-介孔孔道的生物质活性炭基电极材料的定向合成方法及其应用 | |
CN106744935A (zh) | 柚子皮基层次孔炭的制备方法 | |
CN107459042A (zh) | 一种无模板法制备三维多级孔道活性炭的方法 | |
WO2019129009A1 (zh) | 多孔碳材料的制备方法及其应用 | |
KR20180065046A (ko) | 커피콩 추출물을 이용한 활성 탄소의 제조방법 및 이를 포함하는 전지용 전극 | |
Zhang et al. | Preparation and electrochemical performance of coconut shell activated carbon produced by the H3PO4 activation with rapid cooling method | |
CN108046254A (zh) | 一种玉米芯衍生活性炭电极材料及其制备方法 | |
RU2223911C1 (ru) | Способ получения активированного угля для электротехнических целей | |
CN104743543B (zh) | 一种聚苯胺/酚醛基碳材料的制备方法 | |
CN104167296A (zh) | 一种用于超级电容器的纳米电极材料的制备方法 | |
CN112635202A (zh) | 一种钴酸镍@石墨烯@杉木复合材料电极及其制备方法和应用 | |
CN117198765A (zh) | 一种同时具有高比容量和良好循环稳定性的碳基储能电极材料及制备方法 | |
WO2020103597A1 (zh) | 一种高比表面积活性炭电极材料及其制备方法 | |
CN114956040B (zh) | 一种氮氧掺杂分级多孔碳材料、制备方法及应用 | |
CN107954422B (zh) | 一种高比表面积的介孔生物质碳片材料的制备及应用 | |
KR101250523B1 (ko) | 고용량, 고출력 전기이중층 커패시터용 다공성 탄소재료 및 그 제조방법 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20100514 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150409 |