[发明专利]分阶段气体组合活化的煤基活性炭制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及煤基活性炭制备方法。

背景技术

活性炭材料作为一种高性能吸附材料，广泛应用于能源、环保、化工等领域。气相吸附用活性炭应具有极其发达的微孔结构，以强化气体分子的吸附；通达的中孔结构，以有利于气体的扩散和输运，因此这两种孔结构的同时实现是活性炭制备工艺进步的关键。以煤为原料制备活性炭，具有原料来源广、种类多、价格低等优势，且煤的变质程度不同，分子结构差异显著，能够定向制备特定孔结构的活性炭。弱粘结性煤的基本结构单元包括由几个芳环、氢化芳环等组成的类石墨微晶碳，由链状脂肪族结构和氧桥等无规则碳联接。在炭化过程中，微晶碳和无规则碳的转化、排列及消耗易受温度、气氛等条件影响，结构的调控性较高，有利于定向制备微孔、中孔并存的活性炭。

目前制备煤基活性炭主要采用气体活化法，是将原料煤经炭化过程后，采用活化气体，在一定温度下与炭化料进行活化反应，最终形成发达的孔隙结构。由于炭化料中无规则碳和微晶碳的无序性，导致活化过程气体内扩散控制与化学反应控制同时发生作用，内部微孔、中孔得到充分发展时，表面也造成严重烧失，降低了得炭率。

在本领域现阶段研究中，制备煤基活性炭的方法存在以下问题：

(1)煤基活性炭生产过程中，炭化过程单以隔绝空气控制温度完成，无法定向控制原煤中无规则碳和微晶碳的转化及消耗，即对炭化料中两种形态碳的含量、聚集程度和交联状态缺乏有效控制；

(2)气体活化过程中，由于炭化料中无规则碳和微晶碳交联的无序性，活性炭内部中孔很大程度上以扩宽微孔、烧穿孔壁的方式生成，使得初期生成的微孔结构遭到破坏；最终以增加活化时间、提高烧失率才能得到中孔、微孔并存的活性炭；

(3)气体活化过程中，由于炭化料中两种碳结构的无序性，气体扩散控制、气体与碳质间的反应控制往往同时发生作用，使得活性炭内部孔隙得到充分发展时，表面也造成严重的碳损失，降低了得炭率，提高了生产成本；

(4)气体活化过程中，往往采用单一的活化气体，由于孔隙生成是由气体与碳结构的反应特性决定的，即使控制不同的活化条件(活化温度、活化时间等)，微孔、中孔的生成过程均是相似的。因此采用单种活化气体不易引导特定孔隙结构的生成，很难大幅度调控孔隙结构特征。

发明内容

本发明要解决目前制备煤基活性炭，在活化过程中气体分子内扩散与化学反应存在的矛盾，导致微孔破坏及表面碳损失高的问题，提供分阶段气体组合活化的煤基活性炭制备方法。

分阶段气体组合活化的煤基活性炭制备方法，具体是按照以下步骤进行的：

一、将弱粘结性煤破碎，筛分得到粒径为3mm～5mm的煤粒；

二、将步骤一得到的煤粒在隔绝空气条件下，控制升温速率为8℃/min～15℃/min，升温至440℃～550℃，保持1h～3h进行前期中温炭化处理，得到炭化料；

三、将步骤二得到的炭化料自然冷却至200℃～320℃，在空气流通的条件下，保持6h～10h进行空气氧化处理；

四、将步骤三空气氧化处理后的炭化料，在隔绝空气条件下，控制升温速率为20℃/min～30℃/min，升温至650℃～850℃，保持0.5h～2h进行高温炭化处理；

五、将步骤四高温炭化处理后的炭化料，采用水蒸气作为活化剂，控制活化温度为740℃～850℃，水蒸气活化至烧失率达到25％～35％，得到初期活化的活性炭；

六、将步骤五得到的活性炭，采用CO₂作为活化剂，控制活化温度800℃～900℃，CO₂活化至烧失率达到50％～60％，完成分阶段气体组合活化的煤基活性炭制备方法。

本发明的有益效果是：

本发明通过控制炭化温度和气氛，调控弱粘结性煤中无规则碳和微晶碳的消耗与转化，以控制炭化料中碳结构的有序程度；利用水蒸气和CO₂与碳结构的反应特点，分阶段设置活化条件，即第一阶段以水蒸气为活化气体，强化扩散过程，在微晶结构间发展通达的中孔；第二阶段以CO₂为活化气体，强化微晶刻蚀过程，在微晶结构内发展丰富的微孔。最终得到微孔发达、中孔通达的活性炭，并提高成孔效率。

具体优良效果如下：

(1)本发明提出煤基活性炭生产过程中，引导炭化料中无规则碳与微晶碳结构的有序化，以及实现对炭化料进行分阶段气体活化，分步生成中孔、微孔的活性炭制备方法。