[發明專利]低溫定向制備高比表面積木質顆粒活性炭的方法

無效

• 申請號: 201110033145.8
• 申請日: 2011-01-31
• 公開（公告）號: CN102092712A
• 公開（公告）日: 2011-06-15
• 發明（設計）人: 鄧先倫;朱光真;劉曉敏;孫康
• 申請（專利權）人: 中國林業科學研究院林產化學工業研究所
• 主分類號: C01B31/12
• 分類號: C01B31/12
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 馮慧

技術領域

??本發明涉及一種由木質纖維素類原料浸漬磷酸在濃硫酸催化下加熱酸水解糖化，在低溫350～500℃下定向制備高比表面積顆粒活性炭的方法。

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背景技術

???高比表面積活性炭具有發達的微孔結構和較高的孔容積，因而在揮發性有機溶劑（VOCs）回收、儲能、氣體分離、催化反應、超級電容器等方面具有巨大的應用潛力。當前，制備高比表面積活性炭的主要途徑是在高溫下（700~1000℃），通過堿活化法(KOH,?NaOH,?K₂CO₃等)、物理活化法（水蒸汽，CO₂等）或者是物理-化學聯合法來制備。而如果能用磷酸法在低溫下制得高比表面積活性炭，尤其是高比表面積顆粒活性炭，來替代高溫法所得的高比表面積活性炭，將到達節能減排、減輕環境污染、提高活化得率、大大降低成本和能源消耗的目的。例如，中國專利CN1304788A將KOH與石油焦按5:1的比例混合，在高溫下活化制備了比表面積超過3500?m²/g的活性炭；美國專利US5143889以中間相瀝青炭微球為原料，以KOH為活化劑制備了比表面積在3000~4600?m²/g左右的活性炭。Lili?Wang等以稻殼為原料，磷酸為活化劑制備了比表面積為2700m²/g的活性炭，左宋林也以杉木屑為原料，磷酸活化法制備了比表面積在2500m²/g左右的活性炭。但以上的高比表面積活性炭都是粉狀的，當其用粘結劑制備出顆粒炭后其比表面積會有所下降。美國專利US5206207、US5324703等采用木質原料經磷酸在480℃下（專利內無停留時間）活化制備了比表面積在2500m²/g左右的顆粒活性炭，但其工藝周期過長，能源消耗較大，磷酸濃度過高（85%）且有部分步驟較難控制。

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發明內容

???為了解決現有技術存在的磷酸濃度過高、生產周期長、能源消耗大、孔分布不集中等缺點，本發明提供了一種簡化了的低溫定向制備高比表面積高中微孔木質顆粒活性炭的方法。

本發明的技術方案為：一種低溫定向制備高比表面積木質顆粒活性炭的方法，包括木屑與催化劑的混合、成型、干燥固化、活化、洗滌干燥工序，木屑與催化劑的混合步驟具體是一個酸水解糖化過程，先將催化劑質量濃度為40～60%的磷酸與木屑按照純磷酸與絕干木屑質量比為1.0：1～3.0:1的比例進行混合?，并按照磷酸質量的1%～8%加入濃硫酸，在酸水解糖化處理混合物料達到常規的能成型的粘度后進入成型工序，酸水解糖化處理溫度為100～120℃，時間1～4小時；成型工序為是在室溫下，混合物料在捏合機中捏合5～10分鐘進入成型機成型為柱狀或顆粒狀活性炭；干燥固化在烘箱中進行，溫度為180～300℃，干燥固化時間為1～6小時。

所用木屑為各種木材加工剩余物或各種果核殼，所述的木材加工剩余物粉碎至20～60目，果核殼破碎至3～16目，控制水分含量為5～40%ｗｔ。

所用磷酸的。

所述濃硫酸的質量濃度為80～98%。

活化在馬弗爐中進行，溫度為350～500℃，活化時間為20～110分鐘。

理論研究發現，高于80%濃度的磷酸可以使木質纖維素類原料中天然多糖均勻的溶解。天然多糖的水解過程，例如纖維素，可以用下列方程式表示：

在濃溶液中當水缺乏時，就引起水分子被無機酸分子包圍，以上過程就很難發生。只有當方程左邊的水分子足夠多時水解產物才能大量生成。當水份極其缺乏時，這個過程就不會得到單糖，而停留在糊精產物階段，若在無水介質中則幾乎不進行反應，此時，自然界的多糖的鏈分裂并在酸分子的根分裂處與之結合，其方程式如下：

其中R為酸根。

此時所生成的新產物甚至在少量水份存在時也會迅速分解為原來的酸和具有反應能力的單糖基，而這些單糖基又很快的聚合成新的多糖，但其聚合度較自然多糖的小。在結構上這些新的多糖也與水解前原來的多糖不同。在酸的水溶液中也是同樣如此，在木質纖維素類原料與40%～60%的磷酸液混合后，再輔以一定量的濃硫酸和加熱處理，可以對其組織中的高聚物可以起到很好的降解和糖化作用。

磷酸受強熱時會發生如下分子間脫水反應，依次生成焦磷酸、三磷酸和多聚的偏磷酸。三磷酸是鏈狀結構，多聚的偏磷酸是環狀結構。