[发明专利]以煤焦油渣为原料制备活性炭的方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种以煤焦油渣为原料的高性能活性炭制备方法，以及该类活性炭作为净水剂和超级电容器电极材料的应用。

背景技术

活性炭是一种黑色的多孔性化学物质。活性炭的突出优点是内部孔隙结构发达、比表面积大，具有优良的吸附性能和良好的化学稳定性(如：耐酸、耐碱、不溶于水和有机溶剂)、物理稳定性(如：机械强度高、耐热)以及使用失效后容易再生等性能。它能脱色、脱臭、脱硫、脱苯，还能选择性地脱除液相或气相中某些化学杂质。它也能吸附某些物质作为催化剂，使化学反应速度大大加快，是良好的催化剂裁体。因此自20世纪初投入工业生产以来，活性炭作为吸附剂、催化剂载体等在国防、化工、石油、电子、纺织、食品、医药、交通能源、农业、原子能工业、城市建设、环境保护等各方面都有着广泛的用途，工业需求量大，从而使活性炭工业得到了长足发展。特别是近年，随环保意识的进一步加强，为防治大气、水质、土壤污染等以保护环境，使得活性炭的生产和研究有了更快的发展。在需求量增加的同时，活性炭在品种与应用领域也随之拓宽。随着可持续发展战略的深入，新材料的开发成为研究的热点之一，活性炭的应用也开始向新型催化剂载体，储氢电池、电容器等方向发展。

活性炭之所以有如此多的功能，是因为炭体表面有发达的孔隙结构。获得具有发达孔隙结构、大比表面积以及优良的吸附性能的活性炭的优质原料主要有木材、煤、沥青、石油焦以及煤化工副产品煤焦油渣。煤焦油渣是煤化工过程中分离出的大宗产品，它具有天然多孔性结构，比表面积大，价格低廉，含碳量高等特点，是制备高性能活性炭的良好原料之一。

新疆作为能源大省，煤的储量居全国前列。与煤对应的产业链煤化工是新疆支柱产业之一，随着冶金工业的新一轮发展，煤化工同样得到快速发展。例如，年产300万吨的焦化厂，副产物煤焦油渣近10万吨。目前煤焦油渣常见的利用方法是将其作为炼焦油配煤原料，其利用率仅为生产量的30%，绝大部分煤焦油渣仍被当做废物丢弃，对环境具有较大的危害性，主要表现为占地面积达，堆场投资大，运营费高，弃置堆积时还会放出硫化物，污染环境。由此可见，目前影响煤化工企业效益与生产的主要问题是如何寻找煤焦油渣的新用途与出路。如果以煤焦油渣为原料制备活性炭不仅能解决活性炭原料问题，也为煤焦渣的综合利用找到一条合理的出路。此外，以煤焦油渣为原料，采用物理化学活化法制备出比表面积高、吸附性能好的活性炭，可以满足新能源、新材料、气体分离、环保、医药、军事等重要领域的需要。

活性炭作为环保低廉净水剂，其净水技术的应用是保障人们用水安全与卫生的重要措施。近年来，我国活性炭企业先后开发、研制了净水粉状型活性炭、净水柱状型活性炭、净水原煤破碎型活性炭、净水压块型煤质活性炭等品牌。但是这些普通活性炭的比表面积和吸附性能有限，致使其净水能力有限，不能满足高污染水（例如油田污水和煤化工污水）的处理。因此，开发具有高比表面积和优良吸附能力的活性炭用于污水深度处理迫在眉睫。同时，深入研究活性炭净水技术及其应用，为国内外日常用水的安全保障也能发挥应有的作用。

此外，进入新世纪以来，随着石油、天然气和煤等不可再生能源的不断消耗殆尽，世界经济发展受其影响越来越大，我国属于石油资源相对匮乏国家，随着国际石油价格的不断攀升，将对国家的经济和石油安全带来严重影响。因此洁净新能源的研究和开发对国家经济的可持续发展有着重要的作用。超级电容器作为重要清洁能源之一，具有成本低廉、材料丰富、充放电寿命长及安全性能高等优点，受到全世界科学家和政府部门的广泛关注。将超级电容器与锂离子电池串联，组装成超级电池，可以有效地提高电源系统的功率和安全性，并能降低运营成本，满足电动汽车的经济技术要求。正常行驶时，由二次电池给汽车供电，同时给超级电容器充电；在汽车启动、加速和爬坡时，由超级电容器提供脉冲大电流；减速刹车时，还可以由制动充电系统给电容器快速充电，回收能量。这样不仅可以降低电池的负荷峰，使电池的使用寿命延长3倍左右，还能使能量的利用率提高1.5倍以上。超级电容器电极材料主要有导电聚合物和复合电极材料，金属氧化物，碳基材料。而这些材料中碳基材料的关注度最高，研究最早，而且技术也最为成熟。用于制备超级电容器的电极材料主要是碳材料中的活性炭。活性炭作为超级电容器电极材料的优点是：原料丰富，价格低廉，性能好。

由此可见，以煤焦油渣为原料制备高性能活性炭作为净水剂和超级电容器电极材料不但可以为煤焦油渣的综合利用找到新的出路，提高煤焦油渣的附加值，而且可以拉伸煤化工行业的产业链，也能为环保和能源事业做出贡献。

发明内容