[发明专利]具有储能性能的炭质材料制备工艺

说明书

所属技术领域

本发明属于一种具有储存性能的炭质材料制备工艺，以石油沥青焦、果壳炭化料、煤质炭化料为原料，采用高温强碱化学活化法制备出具有高比表面积、纳米级微孔的储能炭质材料。通过此工艺制造出来的储能炭质材料微孔结构发达，特别适宜做天然气(甲烷)吸附储存和高能量储电电容器的材料。

背景技术

国家“十五”期间的能源战略调整，主要体现在天然气的推广运用。“西气东输”工程的顺利实施，旨在推广“以气代油”、“以气发电”、“城市气化”。随着石油储量的下降，人们需要寻找一种能取代石油的新型燃料，而天然气在世界上的储量极为丰富，已探明可开采储量147万亿立方米，是一种理想的新型燃料。天然气的主要成份是甲烷占85～95％，储能炭质材料是推广天然气的广泛不可缺少的新型储能材料。

炭质材料具有储能性能是基于它具有丰富的纳米级微孔体系，它的吸附储能作用绝大部分是在微孔内进行的，吸附量受微孔径和数量决定的。国内对高级活性炭的研究报道较多，技术也较为成熟，常见报道用于气相吸附储存的超级活性炭，它的BET比表面积大于2000m²/g，碘吸值大于2000mg/g，亚甲蓝值大于300mg/g，微孔孔径通常为2nm～50nm，而天然气(甲烷)的动力吸附孔径为0.75～1.5nm，这样超级活性炭就不符合吸附储存天然气(甲烷)的动力孔径要求。本项发明是可批量生产具有比表面积高达2500～4000m²/g，碘吸值大于2300mg/g，亚甲基蓝值大于600mg/g，纳米级微孔径为0.75～1.5nm的炭质材料，且微孔占总孔容积的90～95％.，而此炭质材料符合吸附储存天然气(甲烷)的动力孔径要求，非常适宜做天然气(甲烷)由高压压缩储存(CNG)转为吸附储存(ANG)，利于天然气(甲烷)的安全推广应用的储能炭质材料。

发明内容

本发明的目的是为了适应国家能源战略调整，大力推广新能源天然气(甲烷)的应用。为使天然气更好的应用于国民经济各个领域，必须改变天然气多级高压压缩储存法(CNG)为吸附储存法(ANG)，才能解决多级高压压缩法带来储存的极不安全因素，而吸附储存法需要具有高比表面积和纳米级微孔结构的炭质材料，目前工业化生产超级活性炭的方法是水蒸气物理活化法，不能生产适宜吸附储存天然气的炭质材料，为此本项发明使用高温强碱化学活化法，提供了一种可批量生产具有高比表面积和纳米级微孔结构的炭质材料的工艺。

本发明的技术方案是采用高温强碱化学活化法，以石油沥青焦为原料，经破磨、筛分、浸渍、炭化、催化活化、水洗、干燥和碱回收工艺组成。浸渍时用KOH∶NaOH为75∶25为碱催化剂在反应釜中浸渍原料2小时，其中碱催化剂∶原料为6∶1；催化活化的活化温度与时间按以下步骤进行，升温至400℃～450℃恒温30min，再升温至700℃～750℃恒温30min，最后升温至950℃～1000℃恒温90min后，冷却至室温出炉；炭化、催化活化的全过程都是在氮气的保护下进行；将含碱的炭质材料进行水洗、酸洗至中性；将水洗、酸洗后的碱溶液经电加热反应釜制成老液，然后检测浓度，对其补充至含量达60％后转入下批生产循环重复使用，降低制备成本，避免环境污染，实现碱回收循环使用的目的。

本发明的具体过程如下：

1、原料及其特性选择

以石油沥青焦(石油副产物)为原料，主要因为它是由长链脂肪烃缩聚物，稠环芳烃，少量低分子有机物组成，本质上是一种石墨化的碳素形态，呈黑色堆积状，不能溶融。其质量组成通常是；挥发份10％～15％、灰份低至1％以内、硫2％左右、固定碳85％左右、其他0.01％左右。

2、炭化活化前的准备

将石油沥青焦破碎、磨粉、筛分，取100-160目为备用原料。

KOH与石油沥青焦活化反应的主要过程：

KOH+C→K₂CO₃+K₂O+H₂

K₂CO₃、K₂O与石墨微晶和石墨微晶群的刻蚀过程形成网状错综复杂的微晶结构，微晶间以交联键互联，在空间形成发达的具有不同孔径的孔隙。当活化温度超过金属钾K的沸点762℃后，生成的金属钾蒸汽将会通过石墨六元环，使层与层间的石墨留下孔隙，因此钾蒸汽同样也能发挥开孔、造孔和扩孔的作用。