[发明专利]低温定向制备高比表面积木质颗粒活性炭的方法

说明书

技术领域

  本发明涉及一种由木质纤维素类原料浸渍磷酸在浓硫酸催化下加热酸水解糖化，在低温350～500℃下定向制备高比表面积颗粒活性炭的方法。

 

背景技术

   高比表面积活性炭具有发达的微孔结构和较高的孔容积，因而在挥发性有机溶剂（VOCs）回收、储能、气体分离、催化反应、超级电容器等方面具有巨大的应用潜力。当前，制备高比表面积活性炭的主要途径是在高温下（700~1000℃），通过碱活化法(KOH, NaOH, K₂CO₃等)、物理活化法（水蒸汽，CO₂等）或者是物理-化学联合法来制备。而如果能用磷酸法在低温下制得高比表面积活性炭，尤其是高比表面积颗粒活性炭，来替代高温法所得的高比表面积活性炭，将到达节能减排、减轻环境污染、提高活化得率、大大降低成本和能源消耗的目的。例如，中国专利CN1304788A将KOH与石油焦按5:1的比例混合，在高温下活化制备了比表面积超过3500 m²/g的活性炭；美国专利US5143889以中间相沥青炭微球为原料，以KOH为活化剂制备了比表面积在3000~4600 m²/g左右的活性炭。Lili Wang等以稻壳为原料，磷酸为活化剂制备了比表面积为2700m²/g的活性炭，左宋林也以杉木屑为原料，磷酸活化法制备了比表面积在2500m²/g左右的活性炭。但以上的高比表面积活性炭都是粉状的，当其用粘结剂制备出颗粒炭后其比表面积会有所下降。美国专利US5206207、US5324703等采用木质原料经磷酸在480℃下（专利内无停留时间）活化制备了比表面积在2500m²/g左右的颗粒活性炭，但其工艺周期过长，能源消耗较大，磷酸浓度过高（85%）且有部分步骤较难控制。

 

发明内容

   为了解决现有技术存在的磷酸浓度过高、生产周期长、能源消耗大、孔分布不集中等缺点，本发明提供了一种简化了的低温定向制备高比表面积高中微孔木质颗粒活性炭的方法。

本发明的技术方案为：一种低温定向制备高比表面积木质颗粒活性炭的方法，包括木屑与催化剂的混合、成型、干燥固化、活化、洗涤干燥工序，木屑与催化剂的混合步骤具体是一个酸水解糖化过程，先将催化剂质量浓度为40～60%的磷酸与木屑按照纯磷酸与绝干木屑质量比为1.0：1～3.0:1的比例进行混合 ，并按照磷酸质量的1%～8%加入浓硫酸，在酸水解糖化处理混合物料达到常规的能成型的粘度后进入成型工序，酸水解糖化处理温度为100～120℃，时间1～4小时；成型工序为是在室温下，混合物料在捏合机中捏合5～10分钟进入成型机成型为柱状或颗粒状活性炭；干燥固化在烘箱中进行，温度为180～300℃，干燥固化时间为1～6小时。

所用木屑为各种木材加工剩余物或各种果核壳，所述的木材加工剩余物粉碎至20～60目，果核壳破碎至3～16目，控制水分含量为5～40%ｗｔ。

所用磷酸的。

所述浓硫酸的质量浓度为80～98%。

活化在马弗炉中进行，温度为350～500℃，活化时间为20～110分钟。

理论研究发现，高于80%浓度的磷酸可以使木质纤维素类原料中天然多糖均匀的溶解。天然多糖的水解过程，例如纤维素，可以用下列方程式表示：

在浓溶液中当水缺乏时，就引起水分子被无机酸分子包围，以上过程就很难发生。只有当方程左边的水分子足够多时水解产物才能大量生成。当水份极其缺乏时，这个过程就不会得到单糖，而停留在糊精产物阶段，若在无水介质中则几乎不进行反应，此时，自然界的多糖的链分裂并在酸分子的根分裂处与之结合，其方程式如下：

其中R为酸根。

此时所生成的新产物甚至在少量水份存在时也会迅速分解为原来的酸和具有反应能力的单糖基，而这些单糖基又很快的聚合成新的多糖，但其聚合度较自然多糖的小。在结构上这些新的多糖也与水解前原来的多糖不同。在酸的水溶液中也是同样如此，在木质纤维素类原料与40%～60%的磷酸液混合后，再辅以一定量的浓硫酸和加热处理，可以对其组织中的高聚物可以起到很好的降解和糖化作用。

磷酸受强热时会发生如下分子间脱水反应，依次生成焦磷酸、三磷酸和多聚的偏磷酸。三磷酸是链状结构，多聚的偏磷酸是环状结构。