[發(fā)明專利]微波加熱輔助水蒸氣一步活化制備煤基活性炭的方法

在審

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• 申請日: 2018-05-08
• 公開（公告）號: CN110451504A
• 公開（公告）日: 2019-11-15
• 發(fā)明（設計）人: 朱玉雯;郝云飛;韓廣程;高婷婷;劉漢橋;楊俊蘭
• 申請（專利權(quán)）人: 天津城建大學
• 主分類號: C01B32/33
• 分類號: C01B32/33;C01B32/336
• 代理公司: 12214 天津創(chuàng)智天誠知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 王秀奎<國際申請>=<國際公布>=<進入

本發(fā)明公開微波加熱輔助水蒸氣一步活化制備煤基活性炭的方法，將鐵源添加到煤粉中并進行微波輻照并通入水蒸氣進行活化，在使用鹽酸將活化后的混合物中鐵元素進行去除并干燥即可。本發(fā)明采用微波輻照法為低階煤制備活性炭提供熱能，為增加活性炭的強度，向煤粉中摻雜少量Fe基催化劑，調(diào)節(jié)類石墨微晶的含量；酸洗后脫除Fe，形成了明顯的中孔結(jié)構(gòu)，微波加熱和水蒸氣活化復合制備煤基活性炭的過程中，微波輻照會增加碳結(jié)構(gòu)的缺陷，增加反應活性位，從而促進水蒸氣與碳結(jié)構(gòu)的反應速率。碳結(jié)構(gòu)缺陷的增加也會促進活性炭表面官能團的生成，使含氧官能團的數(shù)量不低于9.5mmol/g，遠高于水蒸氣單獨活化生成的含氧官能團數(shù)量。

技術(shù)領域

本發(fā)明屬于活性炭技術(shù)領域，更加具體地說，涉及微波加熱輔助水蒸氣一步活化制備煤基活性炭的方法及其產(chǎn)品。

背景技術(shù)

目前制備煤基活性炭主要采用氣體活化法，與化學活化法相比，無需添加大量的化學品，不但生產(chǎn)成本低，而且避免造成設備腐蝕和環(huán)境污染。氣體活化法是將原料煤經(jīng)炭化過程后，采用活化氣體在一定溫度下與炭化料進行活化反應，最終形成發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)，并具有一定的表面化學特性。炭化過程通常在600～750℃惰性氣氛下進行，分解煤中無規(guī)則碳并強化微晶結(jié)構(gòu)碳，以提高活性炭的強度；活化過程通常在750～950℃進行，采用的活化氣體常為一定濃度的水蒸氣、CO₂、低濃度O₂或其混氣等，通過氣體與煤中碳結(jié)構(gòu)的氧化反應，最終生成具有豐富孔結(jié)構(gòu)和表面官能團的活性炭。

活性炭制備的炭化和活化過程均需要大量熱能，常規(guī)加熱(熱煙氣吹掃等)條件下，物料顆粒是由外向內(nèi)的加熱過程，升溫速率較低，加熱時間長，且物料容易受熱不均勻。活化氣體水蒸氣、CO₂等均為弱氧化性氣體，與煤中碳結(jié)構(gòu)的反應速率較低，活化時間長，且生成活性焦的表面官能團數(shù)量有限，無法強化活性炭的吸附和催化性能。此外，長時間由外向內(nèi)的活化過程，還會造成活性炭顆粒嚴重的表面燒失，從而降低得炭率、提高制備成本。

與之相比，微波加熱具有體式、選擇性加熱的優(yōu)勢，是非接觸式加熱，具有加熱速率高、顆粒受熱均勻，能夠快速啟動和停止的特點。原料煤中分布的微晶碳結(jié)構(gòu)和無機灰分等均具有良好的吸波能力，有利于微波電磁能向熱能的轉(zhuǎn)化，因此煤制活性炭過程具備利用微波加熱的條件。此外，微波加熱過程可造成碳的缺陷結(jié)構(gòu)，能夠促進活性炭表面官能團的生成。

總結(jié)現(xiàn)有氣體活化法制備煤基活性炭存在的主要問題是：

(1)炭化、活化過程需要大量的熱能，采用常規(guī)加熱方式時，例如對流換熱(熱煙氣沖刷)、熱傳導(顆粒由外向內(nèi)進行熱量傳遞)，具有傳熱速率低、加熱時間長、能耗高等弊端，且容易造成顆粒受熱不均從而降低活性炭的性能。

(2)炭化過程通常在600～750℃進行，而微晶碳結(jié)構(gòu)的強化(強縮聚形成類石墨微晶)通常在1000℃以上才有明顯的效果，因此相對較低的溫度下無法有效提高活性炭的強度，特別是對微晶碳含量較低的低階煤，通常制得的活性炭強度低，易磨損。

(3)若提高炭化溫度至1000℃以上，則類石墨微晶結(jié)構(gòu)增多，反應活性位減少，增加了下一步活化過程水蒸氣、CO₂等與碳結(jié)構(gòu)反應的難度，進而影響孔隙結(jié)構(gòu)的生成。因此，炭化、活化分兩步進行時，具有結(jié)構(gòu)強度和孔隙度之間的矛盾。

(4)活化過程中，水蒸氣、CO₂等為弱氧化性氣體，與碳結(jié)構(gòu)發(fā)生反應后生成的含氧官能團數(shù)量較低，不利于進一步提高活性炭的吸附和催化性能。

(5)現(xiàn)有采用微波加熱法制備活性炭，大多針對石油焦、瀝青等類石墨微晶結(jié)構(gòu)豐富的原料，而單獨的微波加熱無法產(chǎn)生大量微孔和中孔結(jié)構(gòu)。添加KOH等化學品可生成大量微孔，但中孔不發(fā)達，且大量化學品(KOH與煤的質(zhì)量比一般高于1:1)容易造成設備腐蝕和環(huán)境污染。

發(fā)明內(nèi)容