[发明专利]一种深度脱除硫化氢的多孔炭吸附剂制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种深度脱除硫化氢的多孔炭吸附剂制备方法及其应用，本发明以苯、甲苯、二甲苯、吡啶、吡啶硼烷、噻吩和三(二甲胺基)膦为前驱体，分别与模板氧化钙、氧化硅、氧化镁、氧化锌按特定质量比气相沉积，制得氮、硫、磷、硼等杂原子掺杂的多孔炭硫化氢吸附剂。采用本发展方法制备的多孔炭具有较高比表面积、分级的孔结构、比重轻、且物理化学性质稳定的特点。本发明所提供的多孔炭气相沉积制备工艺简单、可大宗制备、多孔炭对硫化氢气体可逆吸附性能优异，适合于天然气中硫化氢气体的净化处理。

技术领域

本发明涉及吸附剂制备技术领域，具体是一种深度脱除硫化氢的多孔炭吸附剂制备方法及其应用。

背景技术

天然气主要成分是甲烷、二氧化碳、和硫化氢等。高浓度的硫化氢在天然气输送和利用过程中会导致管道和设备腐蚀、催化剂失活等问题。此外，硫化氢也是一种主要的大气污染物，给自然环境带来了严峻考验。目前，工业上脱除硫化氢主要分为湿法和干法脱硫。湿法脱硫如液相催化法、碳酸钠或有机醇胺水溶液吸收法等，这些脱硫工艺面临能耗高，二次污染严重，投资运行费用高等问题。与湿法相比，干法脱硫主要适用于低浓度硫化氢气体的脱除，比如原料气、天然气的脱硫净化，是一种精细脱硫化工分离过程。

高效脱除硫化氢的关键在于设计合成硫化氢吸附容量高、选择性好、经济可行的吸附剂。目前，研究较多的硫化氢吸附剂有金属氧化物、改性分子筛、以及活性炭等。通常金属氧化物脱硫效果好，但成本较高，金属氧化物的利用率低；分子筛吸附剂可逆性差、且再生能耗较高。相比之下，活性炭材料因具有高比表面积、孔结构可调、低成本、稳定性好、易掺杂改性等优点，被认为是脱除硫化氢最有希望的吸附剂之一。

多孔炭材料是一种被广泛使用的气体吸附剂，但常规多孔炭材料活性位点单一，难以从天然气中选择性吸附硫化氢。为了解决这一问题，在多孔炭骨架中掺杂杂原子，增加多孔炭的缺陷程度和极性，以此提高气体的分离选择性。例如：专利201910218614.X通过氮掺杂、专利201811157699.7通过氮-硼共掺杂、专利201810354535.7通过氮-硫共掺杂制备的功能化多孔炭材料，可以选择性分离二氧化碳或硫化氢气体，并且具有良好的吸附-脱附循环性能。然而，不可忽视的是这些多孔炭以金属有机框架材料、聚乙烯醇、壳聚糖等为前驱体，其实际应用仍需考虑多孔炭的成本问题。

基于以上背景，本发明致力于研发出一系列低成本的氮掺杂、氮-硼共掺杂、氮-硫掺杂、以及氮-磷共掺杂的多孔炭材料，以期为天然气中硫化氢的深度脱除找到创新且经济有效的解决方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于为天然气硫化氢深度脱除找到创新且经济有效的解决方案，提出了一种用于吸附硫化氢的氮、硫、磷、硼等杂原子掺杂的多孔炭材料的气相沉积制备方法。

为此，本发明提供如下技术方案：

一种深度脱除硫化氢的多孔炭吸附剂制备方法，包括如下步骤：

(1)取20-200g经100-150℃下预活化5-24h后的模板剂平铺于管式气相沉积炉的石英管恒温区，然后用惰性气体充分置换石英管中的空气。恒定惰性气体流速为100mL·min^-1，以5-20℃·min^-1的升温速率升至600-1000℃，并恒温2h；

(2)在恒定温度和惰性气体流速下，用注射泵将多孔炭前驱体以200-1000μL·min^-1的速率向气相沉积炉内进样，控制多孔炭前驱体与模板剂的质量比为(1-3):5；

(3)继续通入惰性气体，直至气相沉积反应完全并自然冷却至室温，收集产物并用6mol·L^-1的盐酸溶液去除模板剂，过滤所得产物用去离子水多次洗涤，直至滤液为中性，最后冷冻干燥即得多孔炭材料。

优选的，所述模板剂为氧化钙、氧化硅、氧化镁、氧化锌中至少一种。

优选的，所述惰性气体包括氮气或氩气中的一种。