一種高產(chǎn)率介孔活性炭的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高產(chǎn)率介孔活性炭的制備方法，具體是一種以聚磷酸銨為活化劑 制備高產(chǎn)率介孔活性炭的方法，屬于活性炭技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 活性炭又稱活性炭黑，是黑色粉末狀或塊狀、顆粒狀、蜂窩狀的無定形碳，也有排 列規(guī)整的晶體碳。主要是由富含碳的生物有機質(zhì)（如煤、木材、果殼、石油、瀝青、秸桿)原材 料，經(jīng)過高溫炭化及活化等熱解反應(yīng)轉(zhuǎn)化成為疏水性的材料制得。由于活性炭具有發(fā)達的 孔徑結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的物理、化學(xué)性質(zhì)，已被廣泛地應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、濕法冶金、環(huán)境保護、藥物 精制、食品加工、軍事化學(xué)防護等各個領(lǐng)域，是國民經(jīng)濟和國防建設(shè)以及人們?nèi)粘Ｉ畋夭?可少的產(chǎn)品。據(jù)報道，2013年全球活性炭需求量達到130萬噸，市場總額超過20億美元。中國 是全球最大的活性炭生產(chǎn)國，2013年其活性炭產(chǎn)能達到70萬噸左右。未來隨著全球工業(yè)環(huán) 保(汞排放等）、家居/汽車環(huán)保（甲醛、異味等）、自來水凈化、食品飲料精制等領(lǐng)域的發(fā)展， 使得活性炭的發(fā)展?jié)摿薮?，并且隨著活性炭在超級電容、大分子污染物吸附及催化載體 等方面的廣泛應(yīng)用，介孔活性炭的需求也將日益增加。
[0003] 介孔活性碳是傳統(tǒng)活性炭的一次革命性提升，介孔材料是指孔徑介于2-50nm的一 類多孔材料。介孔材料具有較高的比表面積、狹窄的孔徑分布、孔徑大小連續(xù)可調(diào)等特點， 使得它在吸附、分離，尤其是催化反應(yīng)中發(fā)揮作用。
[0004] 目前，比較廣泛應(yīng)用的介孔活性炭制備方法主要包括采用氧化硅、硅酸鹽、聚合物 等為模板制備介孔活性炭或者利用二氧化碳或水蒸氣為孔徑導(dǎo)向劑，在高溫下制備介孔 炭。例如，中國專利文獻CN 102125865 A公開了一種介孔碳載Pt納米催化劑及其制備方法， 它是以介孔氧化硅SBA-15為模板，蔗糖為碳源，控制溫度為600~900°C下燒制了介孔碳的 方法；中國專利文獻CN104140090A公開了一種親水型有序介孔炭材料的制備方法，它是以 SBA-15介孔分子篩為母模板，將其內(nèi)部P123共聚物模板劑在高溫下炭化生成有序介孔炭材 料TSC-1的方法。中國專利文獻CN 102616778 A公開一種微波加熱再生廢棄煤質(zhì)活性炭制 備中孔活性炭的方法，經(jīng)連續(xù)升溫、保溫后通入水蒸氣或二氧化碳，在此氣氛下活化，得到 中孔活性炭，然而上述報道的方法存在以下顯著缺陷:模板劑用量大、成本高、產(chǎn)率低、工藝 繁瑣、制備溫度高、消耗大量強腐蝕性酸清除模板等。
[0005] 中國專利文獻102674343A公開了一種活性炭的生產(chǎn)方法，在煤粉等原料中加入聚 磷酸鹽、活性硅酸等粘合劑，經(jīng)捏合、擠條、干燥、活化后得到成品。該發(fā)明使用一種由幾種 化合物配合的粘合劑，代替煤焦油，可以避免因使用煤焦油作粘合劑造成的嚴重污染，并節(jié) 省大量價格昂貴的煤焦油，降低生產(chǎn)成本;所得活性炭強度好，極少浮塵，而且有很高的吸 附能力;可以用于水處理、除臭、脫色、催化劑載體，用于變壓吸附中C0 2，N2氣體的脫除，用于 氣相吸附，用于溶劑回收、碳觸媒等，該專利雖然避免因使用煤焦油作粘合劑造成的嚴重污 染，但是產(chǎn)品得率低，得到的活性炭不是介孔活性炭。
[0006] 因此，開發(fā)尋找一種環(huán)境友好、高產(chǎn)率的、工藝簡單的介孔活性炭的工藝成為目前 人們研究的熱點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種高產(chǎn)率介孔活性炭的制備方法。
[0008] 原料說明：
[0009] 生物質(zhì)原料:本發(fā)明使用的生物質(zhì)原料為果殼、木肩、秸桿、造紙黑液木質(zhì)素、滸苔 等生物質(zhì)固體廢棄物，但并不局限于這些原料。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0011] -種高產(chǎn)率介孔活性炭的制備方法，步驟如下：
[0012] (1)將生物質(zhì)原料烘干或自然晾干后，粉碎、過100~200目篩，得生物質(zhì)原料粉；
[0013] (2)室溫下，將生物質(zhì)原料粉與活化劑固體粉末按照質(zhì)量比為1:1~5:1充分混合， 然后按照活化劑固體粉與去離子水質(zhì)量比為1:0.5~1:3的比例加入去離子水，攪拌混合均 勻，得混合料；
[0014] (3)將混合料置于超聲中，超聲混勻10~40min，然后于室溫中浸漬4~24h，得浸漬 后物料；
[0015] ⑷將浸漬后物料置于管式電阻爐中，升溫至300~700°C，活化處理1~3h，活化過 程無需通入氮氣；
[0016] (5)取出活化料，洗滌至pH為6~7,真空干燥至橫重，即得介孔活性炭。
[0017] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(1)中所述的生物質(zhì)原料為生物質(zhì)固體廢棄物，所述的生物質(zhì) 固體廢棄物為造紙黑液木質(zhì)素、秸桿或滸苔。
[0018] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（1 )中，烘干或自然晾干后，生物質(zhì)原料的含水量為4~ 10wt% 〇
[0019] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(2)中所述的活化劑為聚磷酸銨，聚磷酸銨的平均聚合度5~ 15。聚磷酸銨無毒無味，不產(chǎn)生腐蝕氣體，吸濕性??；
[0020] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(2)中生物質(zhì)原料粉與活化劑固體粉的質(zhì)量比為2:1~4:1。
[0021] 優(yōu)選的，生物質(zhì)原料粉與活化劑固體粉的質(zhì)量比為2:1。
[0022] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(2)中活化劑固體粉與去離子的水質(zhì)量比為1:1~1:2,優(yōu)選的 活化劑固體粉與去離子的水質(zhì)量比為1:1.5。
[0023] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(3)中，超聲混勻時間為20~30min，超聲頻率為40~60KHz，所 述的浸漬時間為8~12h，優(yōu)選的，混勻時間為30min，浸漬時間為12h。
[0024] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(4)中活化處理溫度為400~600°C，優(yōu)選的，活化溫度為600 V。
[0025] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(4)中，升溫速率為5~20°C/min，優(yōu)選的，升溫速率為10°C/ min〇
[0026] 本發(fā)明的介孔活性炭的制備方法具有顯著的理論和工藝創(chuàng)新性，在理論創(chuàng)新方 面，本發(fā)明利用膨脹型阻燃劑阻燃機理，膨脹型阻燃劑有三個基本要素組成，即酸源、炭源 和氣源。聚磷酸銨作為酸源，又稱脫水劑或炭化促進劑;木肩、秸桿、造紙黑液木質(zhì)素、滸苔 等生物質(zhì)作為炭源，也叫成炭劑，它是形成泡沫炭化層的基礎(chǔ)。利用爐膛中的空氣作為氣 源，也稱發(fā)泡源。阻燃作用主要是依靠在材料表面形成多孔泡沫焦炭層，它是一個多相系 統(tǒng)，含有固體、液體和氣態(tài)產(chǎn)物。炭層阻燃性質(zhì)主要體現(xiàn)在:使熱難于穿透凝聚相，阻止氧氣 進入燃燒區(qū)域，阻止降解生成的氣態(tài)或液態(tài)產(chǎn)物溢出材料表面。焦碳層形成過程為:在150 °C左右，酸源產(chǎn)生能酯化多元醇和可作為脫水劑的酸;在稍高的溫度下，酸與碳源進行酯化 反應(yīng)，而體系中的胺基則作為酯化反應(yīng)的催化劑，加速反應(yīng);體系在酯化反應(yīng)前和酯化過程 中熔融，反應(yīng)過程中產(chǎn)生的不燃性氣體使已處于熔融狀態(tài)的體系膨脹發(fā)泡，與此同時，多元 醇和酯脫水碳化，形成無機物及碳殘余物，體系進一步發(fā)泡;反應(yīng)接近完成時，體系膠化和 固化，最后形成多孔泡沫炭層。
[0027] 有益效果：
[0028] 1、本發(fā)明的介孔活性炭的制備方法，成功采用了聚磷酸銨活化生物質(zhì)廢棄物制備 出來高得率高介孔率活性炭，所制備的活性炭比表面積高達882m 2/g，總孔容可達1.051cm3/ g，介孔率高達70%，所制備出活性炭的大分子污染物的吸附性能優(yōu)異。以生物質(zhì)固體廢棄 物為原料，原料便宜且易于大量獲取。所采用的活化劑廉價，易購得。與現(xiàn)有的模板制備工 藝相比，設(shè)備相對簡單、易操作，容易通過控制工藝參數(shù)控制產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)率，容易規(guī)?；?生產(chǎn)。
[0029] 2、本發(fā)明的制備工藝克服了現(xiàn)有模板劑使用量大、活化溫度高、得率低等缺陷，制 備過程簡單，操作溫度低，無需外加孔徑模板，生產(chǎn)成本低，產(chǎn)品得率高，具有豐富的介孔結(jié) 構(gòu)、較大的得率，較強吸附能力，其對酸性大紅的吸附高達400mg/g，可用作吸附劑吸附大分 子物質(zhì)。易于規(guī)?；a(chǎn)的生產(chǎn)工藝，因此具有重要的工業(yè)應(yīng)用潛力。
【附圖說明】
[0030] 圖1是實施例1制得的活性炭的掃描電鏡照片。
[0031] 圖2是實施例1制得的活性炭的他吸附脫附圖。
[0032]圖3是實施例1制得的活性炭介孔孔徑分布圖。
[0033]圖4是實施例1制得的活性炭對酸性大紅染料的吸附動力學(xué)圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合具體實施例及附圖對本發(fā)明做進一步說明，然而本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易 理解，實施例所述的工藝條件僅用于說明本發(fā)明，而不應(yīng)當(dāng)也不會限制權(quán)力要求書中所詳 細描述的本發(fā)明。