[發(fā)明專利]活性炭及其制備方法和應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811554227.5
• 申請日: 2018-12-18
• 公開（公告）號: CN111330538A
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李俊華;劉帥;彭悅;晏濤
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: B01J20/20
• 分類號: B01J20/20;B01J20/28;B01J20/30;C01B32/312;C01B32/318;C01B32/342;B01D53/02
• 代理公司: 北京林達(dá)劉知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11277
• 代理人: 劉新宇;李茂家

本發(fā)明公開一種活性炭及其制備方法和應(yīng)用，所述活性炭具有超高的比表面積和孔隙度，孔徑范圍為0.4～10nm，且1nm以下的微孔容為0.5cm³/g以下，具有高于現(xiàn)有商業(yè)活性炭的吸附性能。因此該活性炭吸附材料在化工和環(huán)保中二氧化硫、氮氧化物及揮發(fā)性有機(jī)物等污染物控制領(lǐng)域有較大的應(yīng)用潛力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于多孔吸附材料及其制備的技術(shù)領(lǐng)域，尤其屬于多孔活性炭及其制備領(lǐng)域，同時涉及化工和環(huán)保行業(yè)中二氧化硫、氮氧化物及多種VOCs的吸附凈化，特別涉及一種多微孔的活性炭吸附劑及其凈化VOCs的應(yīng)用。

背景技術(shù)

VOCs的治理是目前環(huán)保領(lǐng)域最為重要的研究熱點之一。大氣中的人為來源揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)來源廣泛，主要包括石化、油品運(yùn)輸、印刷和建材裝飾等行業(yè)，對人體和環(huán)境危害巨大。

在常見的VOCs治理方法中，固體吸附法具有成熟的應(yīng)用背景，且廣泛應(yīng)用于VOCs的去除，活性炭是最常見的吸附劑。作為最重要的工業(yè)吸附劑之一，活性炭是一種具有發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)、較高比表面積，多種表面官能團(tuán)(如羧基、羰基、羥基等)、較大機(jī)械強(qiáng)度、以及耐酸、耐堿、耐熱、失效后易再生等特性的含碳物質(zhì)，可以廣泛應(yīng)用于水凈化、空氣凈化、有機(jī)溶劑回收、航空、軍事、食品、催化劑載體、電極材料等方面。

活性炭用于VOCs吸附中，最關(guān)鍵的難點是，針對不同類型和不同濃度的VOCs，如何調(diào)節(jié)適合的孔結(jié)構(gòu)以獲得優(yōu)化的吸附性能。活性炭主要分為煤質(zhì)活性炭和木質(zhì)活性炭。目前使用最廣泛的是煤質(zhì)活性炭，然而木質(zhì)活性炭的比表面積和孔隙度通常高于煤質(zhì)活性炭，因此更加適合VOCs吸附。但是木質(zhì)活性炭通常多用于水處理中有機(jī)污染物或重金屬離子的吸附去除，對于氣相VOCs的吸附研究相對較少，因此缺乏合適的制備方法以獲得更多適合VOCs吸附的孔結(jié)構(gòu)。

引用文獻(xiàn)1公開了一種木質(zhì)活性炭的生產(chǎn)工藝，包括以下步驟：(1)準(zhǔn)備原料、(2)對原料進(jìn)行碳化處理、(3)粉碎、檢驗、包裝入庫，本發(fā)明充分運(yùn)用了木材、木屑、樹根、果核、果殼等植物資源、拓寬了活性炭原料的來源渠道，降低了活性炭的原料成本，并且該活性炭制備方法簡便、耗時較短，制成的活性炭成品品質(zhì)較高。但該文獻(xiàn)沒有對所得到的活性炭的吸附行為作出進(jìn)一步的研究。

引用文獻(xiàn)2針對于現(xiàn)有活性炭吸附容積小、脫硫活性不高、表面含氮官能團(tuán)熱穩(wěn)定性差等缺陷，設(shè)計了一套具備高吸附容積、高熱穩(wěn)定性、高吸附活性和易于實現(xiàn)工業(yè)化系統(tǒng)的制備工藝，并在實際煙氣條件下得到了改性后活性炭對煙氣中的SO₂的良好吸附作用。其提出商業(yè)柱狀活性炭先進(jìn)行900-1100℃的氮?dú)鈿夥崭邷靥幚恚钚蕴康目紫督Y(jié)構(gòu)得到明顯改善，孔隙度和介孔率增加，活性炭吸附能力得到極大的增強(qiáng)。其次，擴(kuò)孔后的活性炭經(jīng)過氨氣在900-1100℃的高溫修飾改性，表面含氮官能團(tuán)明顯增加，熱穩(wěn)定性及活性顯著增強(qiáng)，實現(xiàn)對于SO₂的大容量吸附-脫附的吸附作用。該文獻(xiàn)基于商業(yè)活性炭的二次處理，也沒有針對木質(zhì)活性炭提出特別的觀點。

引用文獻(xiàn)3提供了一種改性活性炭的制備方法，將木質(zhì)素活性炭在過氧化氫中浸泡，然后將活性炭粉與強(qiáng)堿溶液混合，在氧化氣氛下進(jìn)行活化得到改性活性炭前驅(qū)體，然后與強(qiáng)酸溶液混合，處理后得到產(chǎn)品。該方法制備得到的改性活性炭孔隙率提高，具有較大的比表面積。但沒有對孔徑對于特定濃度的氣體吸附行為的影響進(jìn)行研究。

另外，引用文獻(xiàn)4提供了一種制備活性炭的方法，其包括把有機(jī)化合物吸附到含有顯示出寬孔徑分布(0.5～10nm)的孔的活性炭中從而選擇性地封閉具有小孔徑的孔(0.5～2nm)的步驟。根據(jù)該制備方法，可以制備出吸附-脫附特性優(yōu)良的活性炭。雖然其提出了通過控制孔徑來對吸附或脫附行為進(jìn)行改進(jìn)，但其使用了額外的有機(jī)化合物。

因此，可見，雖然現(xiàn)有技術(shù)對源自于木質(zhì)的活性炭的制備進(jìn)行了一定程度的改進(jìn)，同時對不同來源的活性炭的孔徑與吸附行為的關(guān)系進(jìn)行了某些討論，但總體上對于用于VOCs吸附的源自于木質(zhì)的活性炭的可控吸附行為還有進(jìn)一步研究的余地。

引用文獻(xiàn)：