一种含氮活性炭的制备装置及制备方法
【专利摘要】本发明属于活性炭材料技术领域。本发明的含氮活性炭制备工艺包括：在高温管式炉内的保护气体氛围下对前驱体进行碳化；利用测温探头测温并控制封闭式热水釜内的氨水在常温～99℃；再对碳化后的前驱体进行活化；活化过程中，保护气体通入封闭式热水釜，在封闭式热水釜经其内氨水加热，在封闭式热水釜内氨水液面之上空间内充满携带氨气和水蒸汽的保护气体；该携带氨气、水蒸汽的保护气体进入高温管式炉内；碳化后原料和携带的氨气和水蒸汽在保护气体氛围下进行活化：活化完成后，停止通入氨气和水蒸汽并关闭高温反应炉，冷却后得到富含氮的活性炭纤维。该工艺操作简单，容易控制，能耗小，产品质量均一和方便推广应用。
【专利说明】
一种含氮活性炭的制备装置及制备方法
技术领域
[0001]本发明属于活性炭材料技术领域，具体涉及一种含氮活性炭的制备装置及制备方法。
【背景技术】
[0002]富含氮的活性炭是碳结构中一部分碳原子被氮原子所取代，因而具有独特的表面化学性质，富含氮的活性炭相对不含氮的活性炭具有更好的亲水性和吸附能力，对硫系及氮系化合物有着较高的吸附性能，同时由于氮原子电子层离域能力更强因而具有更高的电化学性能。目前制备含氮活性炭的常见制备方法有模板法、碳化/活化含氮前驱体的方法等。其中最主要的研究是以含氮前驱体作为原料研究不同工艺的影响。
[0003]专利CN102553641B名为一含氮活性炭催化剂的制备方法的专利，将碳化料用强氧化剂浸渍或回流处理，之后与含氮试剂以一定比例共混，移入高温管式炉在惰性气氛下进行活化，制备富含氮的活性炭产品。专利CN102360959A利用富含氮元素的脲醛树脂作原料，将原料在惰性气氛下碳化后与氢氧化钾共混后炭化、活化制备富含氮元素的活性炭。专利CNl03408007A利用普通活性炭或碳材料加入乙醇溶液中，再加入三聚氰胺废弃物共混搅拌超声处理，之后在高温炉中惰性气氛下碳化活化处理，制备含氮活性炭。上述方法工艺较繁琐，且原料原料价格昂贵，而本工艺过程不仅操作简单，而且原料氨气可以循环利用，节能环保。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种富含氮元素的活性炭的制造制备装置及制备方法。
[0005]本发明的技术方案如下:
[0006]本发明提供的含氮活性炭的制备装置，其中，所述装置包括:
[0007]—个高温管式炉10，其出口端设有出口，入口端设置第一入口和第二入口 ；
[0008]一个装有保护性气体的保护性气体供给装置20;
[0009]一个装有氨水的封闭式热水釜30，所述封闭式热水釜30装有上端口伸出封闭式热水釜30上端盖的第一垂向管31和第二垂向管32;所述第一垂向管31底部伸入至封闭式热水釜中的氨水内；所述第二垂向管32底部伸入至所述封闭式热水釜内氨水液面的上部空间内；
[0010]所述保护性气体供给装置20出口与一个三通的第一支管相连通;该三通的第二支管通过第一开关阀2与所述高温管式炉10的第一入口相连通，该三通的第三支管与所述安放于封闭式热水釜30内的第一垂向管31上端口相连通;所述高温管式炉10的第二入口通过第二开关阀3与安放于封闭式热水釜30内的第二垂向管32相连通。
[0011]本发明所述的保护性气体供给装置，可以使用本领域公知的各类气体储存装置，例如储气罐、储气瓶等。
[0012]根据本发明的制备装置，其中优选地，所述保护性气体供给装置20出口通过流量计4与一个三通的第一支管相连通。
[0013]进一步优选地，所述制备装置还包括安装于所述保护性气体供给装置20的出口与所述流量计4之间的连接管道上的第三开关阀I。
[0014]根据本发明的制备装置，其中优选地，所述制备装置还可以包括顺次连通于所述高温管式炉出口的尾气过滤装置40和氨气回收装置50，反应过程产生的固体颗粒废物被过滤后，未消耗的氨气被收集后循环利用。所述尾气过滤装置和氨气回收装置均可以使用本领域现有的、可以实现固体颗粒废物过滤与氨气吸收的装置。
[0015]根据本发明的制备装置，其中，所述制备装置还可以包括装于所述封闭式热水釜30内用以测温并控制水温的测温探头33。
[0016]本发明提供的基于上述含氮活性炭制备装置的制备方法，包括以下步骤:
[0017]I)纤维前驱体的碳化:
[0018]将纤维前驱体装入高温管式炉之内，关闭第二开关阀，打开第一开关阀，保护性气体供给装置内的保护气体进入高温管式炉，高温管式炉内温度控制在600°C?100tC，纤维前驱体在保护气体氛围中进行碳化；
[0019]2)控制所述装有氨水的封闭式热水爸内氨水温度在常温?99°C ；
[0020]3)纤维前驱体的活化:
[0021]高温管式炉内的纤维前驱体碳化完成之后，关闭第一开关阀，打开第二开关阀，保护性气体供给装置内的保护气体进入装有氨水的封闭式热水釜，在封闭式热水釜经其内氨水加热，在封闭式热水釜内热溶液液面之上空间内充满携带氨气和水蒸汽的保护气体;该携带氨气和水蒸汽的保护气体通过打开的第二开关阀进入高温管式炉内；在高温管式炉内，经碳化后的纤维前驱体、氨气和水蒸汽三者在保护气体氛围下在700?900°C进行30?120分钟的活化处理；
[0022]4)活化处理完成后，停止通入氨气和水蒸汽并关闭高温反应炉，冷却后得到含氮活性炭。
[0023]根据本发明的制备方法，其中优选地，步骤I)所述的纤维前躯体为沥青基纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇缩甲醛纤维、聚乙烯醇纤维、粘胶纤维、竹纤维、棉纤维、剑麻纤维、棕榈纤维或天然秸杆纤维素纤维中的一种或几种。
[0024]根据本发明的制备方法，其中，所述的保护气体为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和氡气中的一种或由几种按任意体积比混合的混合气。
[0025]根据本发明的制备方法，其中优选地，所述封闭式热水釜内的氨水的质量浓度为5%?28%。
[0026]根据本发明的制备方法，其中优选地，所述保护性气体供给装置通过流量计分别与第二开关阀和第一开关阀相连，所述保护性气体供给装置出口与流量计之间管道上装有第三开关阀，通过第三开关阀控制保护性气体的供给量。
[0027]根据本发明的制备方法，其中优选地，所述的制备方法还可以包括通过连通于所述高温管式炉出口的尾气过滤装置和氨气回收装置，反应过程产生的固体颗粒废物被过滤后，未消耗的氨气被收集后循环利用。
[0028]本发明具有如下优点:
[0029]本发明的工艺流程简单，活化过程通过控制封闭式热水釜内氨水温度可以精确调节氨气的含量，从而调节最终产品的含氮量，从而可以针对不同需求设计生产出不同型号的产品；具有较大的推广应用价值。
【附图说明】
[0030]图1为本发明的含氮活性炭的制备工艺流程示意图。
[0031]附图标记
[0032]丨、第三开关阀2、第一开关阀 3、第二开关阀
[0033]4、流量计10、高温管式炉 20、保护性气体供给装置
[0034]30、封闭式热水釜31、第一垂向管 32、第二垂向管
[0035]33、测温探头40、尾气过滤装置50、氨气回收装置
【具体实施方式】
[0036]下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0037]图1是本发明一个实施例的含氮活性炭的制备装置的结构示意图，同时也是含氮活性炭的制备方法的流程示意图。由图1可知，本发明的含氮活性炭的制备装置，其包括:
[0038]—个高温管式炉10，其出口端设有出口，入口端设置第一入口和第二入口 ；
[0039]—个装有保护性气体的保护性气体供给装置20;
[0040]一个装有氨水的封闭式热水釜30，所述封闭式热水釜30装有上端口伸出封闭式热水釜30上端盖的第一垂向管31和第二垂向管32;所述第一垂向管31底部伸入至封闭式热水釜中的氨水内；所述第二垂向管32底部伸入至所述封闭式热水釜内氨水液面的上部空间内；
[0041 ]所述保护性气体供给装置20出口与一个三通的第一支管相连通;该三通的第二支管通过第一开关阀2与所述高温管式炉10的第一入口相连通，该三通的第三支管与所述安放于封闭式热水釜30内的第一垂向管31上端口相连通;所述高温管式炉10的第二入口通过第二开关阀3与安放于封闭式热水釜30内的第二垂向管32相连通。
[0042]其中优选地，所述保护性气体供给装置20出口通过流量计4与一个三通的第一支管相连通。进一步优选地，所述制备装置还包括安装于所述保护性气体供给装置20的出口与所述流量计4之间的连接管道上的第三开关阀I。所述制备装置还可以包括顺次连通于所述高温管式炉出口的尾气过滤装置40和氨气回收装置50。所述制备装置还可以包括装于所述封闭式热水釜30内用以测温并控制水温的测温探头33。
[0043]本发明提供的含氮活性炭的制备方法，其制备步骤包括:
[0044]I)构建一个上述的微孔活性炭纤维的水蒸汽活化制备装置；
[0045]2)纤维前躯体的碳化:
[0046]将纤维前躯体装入高温管式炉10之内，高温管式炉10内温度控制在600°C?1000°C ;对装于所述高温管式炉10内的纤维前躯体进行碳化处理:在纤维前躯体进行碳化处理时，关闭第二开关阀3，打开第一开关阀2，保护性气体供给装置20内的保护气体进入高温管式炉10，纤维前躯体在600?1000 0C下的保护气体氛围中进行碳化;所述的纤维前躯体可以为沥青基纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇缩甲醛纤维、聚乙烯醇纤维、粘胶纤维、竹纤维、棉纤维、剑麻纤维、棕榈纤维或天然秸杆纤维素纤维等。
[0047]2)利用测温探头测温并控制所述封闭式热水釜30内水温在常温?99°C;
[0048]3)纤维前躯体的活化:
[0049]待高温管式炉10内的纤维前躯体碳化完成之后，关闭第一开关阀2，打开第二开关阀3，保护性气体供给装置20内的保护气体通过第一垂向管31进入封闭式热水釜30，在封闭式热水爸30经其内氨水加热，在封闭式热水爸30内氨水液面之上空间内充满携带氨气与水蒸汽的保护气体;该携带氨气与水蒸汽的保护气体通过打开的第二开关阀3和高温管式炉10的第二入口进入高温管式炉10内；在高温管式炉内的经碳化后的纤维前躯体在700?900°C和携带氨气和水蒸汽保护气体氛围下进行30?120分钟的活化处理:
[0050]4)活化处理完成后，停止通入氨气与水蒸汽并关闭高温反应炉10，冷却后得到微孔活性炭纤维。
[0051]所述的保护气体为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和氡气中的一种或几种的气体任意体积比混合的混合气。
[0052]所述保护性气体供给装置20出口与所述流量计4之间管道上装有第三开关阀1，通过第三开关阀I控制保护性气体的供给量。
[0053]所述的制备步骤还包括通过连通于所述高温管式炉10出口的尾气过滤装置40对高温管式炉10产生的固体颗粒废物进行过滤，过滤后的未参与反应的氨气被氨气回收装置50回收再利用。
[0054]由上可知，本发明的微孔活性炭纤维的氨气与水蒸汽活化制备方法及制备装置，技术方案的核心在于:制备活性炭纤维的活化过程所需要的氨气与水蒸汽由保护性气体携带进入;其制备装置只需要一个保护性气体提供装置，保护性气体通过流量计之后与三通管的一个支管连接相通，三通管的第二个支管通入封闭式热水釜的液面以下，第三个支管直接通入高温管式炉，气体和封闭式热水釜30里的氨水充分接触后接入高温管式炉10，在碳化过程关闭第二开关阀3，打开第一开关阀2，使600?1000°C下的碳化过程在保护气体氛围进行;活化过程关闭第一开关阀2，打开第二开关阀3，使保护气体携带一定的氨气与水分进入高温管式炉，氨气与水蒸气对碳化后纤维料在700?900°C下进行30?120分钟的活化。
[0055]活化过程，关闭第一开关阀2，打开第二开关阀3，保护性气体通入釜内水面下一定距离，使气体和水充分接触后携带一定水分由釜的上部气体出口排出并导入高温反应炉内；可以利用测温探头控制封闭式热水釜30内水的温度，根据需要调整控制水温在常温?99°C之间，温度不同保护性气体所能携带的氨气与水分含量不同，温度越高，通入高温反应炉内的氨气与水蒸汽含量越高。
[0056]本发明设备装置简单，工艺容易控制，能耗小，产品质量均一，具有较大的推广应用价值。
[0057]当然，本发明还可以有多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明的公开做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
【主权项】
1.一种含氮活性炭的制备装置，其特征在于，所述装置包括: 一个高温管式炉(10)，其出口端设有出口，入口端设置第一入口和第二入口 ； 一个装有保护性气体的保护性气体供给装置(20); 一个装有氨水的封闭式热水釜(30)，所述封闭式热水釜(30)装有上端口伸出封闭式热水釜(30)上端盖的第一垂向管(31)和第二垂向管(32);所述第一垂向管(31)底部伸入至封闭式热水釜中的氨水内；所述第二垂向管(32)底部伸入至所述封闭式热水釜内氨水液面的上部空间内； 所述保护性气体供给装置(20)出口与一个三通的第一支管相连通;该三通的第二支管通过第一开关阀(2)与所述高温管式炉(10)的第一入口相连通，该三通的第三支管与所述安放于封闭式热水釜(30)内的第一垂向管(31)上端口相连通;所述高温管式炉(10)的第二入口通过第二开关阀(3)与安放于封闭式热水釜(30)内的第二垂向管(32)相连通。2.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，所述保护性气体供给装置(20的出口通过流量计(4)与一个三通的第一支管相连通;作为优选地，所述制备装置还包括安装于所述保护性气体供给装置(20)出口与所述流量计(4)之间的连接管道上的第三开关阀(I)。3.根据权利要求1或2所述的制备装置，其特征在于，所述制备装置还包括顺次连通于所述高温管式炉出口的尾气过滤装置(40)和氨气回收装置(50)，反应过程产生的固体颗粒废物被过滤后，未消耗的氨气被收集后循环利用。4.根据权利要求1或2所述的制备装置，其特征在于，所述制备装置还包括装于所述封闭式热水釜(30)内的测温探头(33)。5.—种基于权利要求1所述制备装置的含氮活性炭的制备方法，包括以下步骤: 1)纤维前驱体的碳化: 将纤维前驱体装入高温管式炉之内，关闭第二开关阀，打开第一开关阀，保护性气体供给装置内的保护气体进入高温管式炉，高温管式炉内温度控制在600?100tC，纤维前驱体在保护气体氛围中进行碳化； 2)控制所述装有氨水的封闭式热水釜内氨水温度在常温?990C； 3)纤维前驱体的活化: 高温管式炉内的纤维前驱体碳化完成之后，关闭第一开关阀，打开第二开关阀，保护性气体供给装置内的保护气体进入装有氨水的封闭式热水釜，在封闭式热水釜经其内氨水加热，在封闭式热水釜内热溶液液面之上空间内充满携带氨气和水蒸汽的保护气体;该携带氨气和水蒸汽的保护气体通过打开的第二开关阀进入高温管式炉内；在高温管式炉内，经碳化后的纤维前驱体、氨气和水蒸汽三者在保护气体氛围下在700?900°C进行30?120分钟的活化处理； 4)活化处理完成后，停止通入氨气和水蒸汽并关闭高温反应炉，冷却后得到含氮活性炭。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述的纤维前躯体为沥青基纤维、聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇缩甲醛纤维、聚乙烯醇纤维、粘胶纤维、竹纤维、棉纤维、剑麻纤维、棕榈纤维或天然秸杆纤维素纤维中的一种或几种。7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述的保护气体为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氣气和氡气中的一种或由几种按任意体积比混合的混合气。8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述封闭式热水釜内的氨水的质量浓度为5%?28%。9.根据权利要求5-8任一所述的制备方法，其特征在于，所述保护性气体供给装置通过流量计分别与第二开关阀和第一开关阀相连，所述保护性气体供给装置出口与流量计之间管道上装有第三开关阀，通过第三开关阀控制保护性气体的供给量。
【文档编号】C01B31/10GK105905895SQ201610236706
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】赵阳, 肖红梅
【申请人】中国科学院理化技术研究所