一种用于捕获CO₂的球状活性炭的制备方法

专利名称：一种用于捕获CO₂的球状活性炭的制备方法
技术领域：
本发明属于活性炭的一种制备方法，具体地说涉及一种用于捕获CO2的球状活性炭的制备方法。
背景技术：
全球气候变暖是21世纪人类面临的最重大的环境问题。由于燃煤发电厂排放的CO2被认为是引起“温室效应”的主要气体，因此人们付出巨大努力发展新型材料和技术用于降低CO2的排放量。球状活性炭具有丰富的孔容、表面光滑、流动性好、压降小、吸脱附速率快及化学和热稳定性高优点，被认为是一种良好的CO2固体捕获剂。然而球状活性炭在捕获CO2的实际应用中必须满足另外两个条件(I)高强度，主要是针对捕获CO2所使用的大型流化床。低强度球状活性炭在大型流化床中由于滚动摩擦和气流穿透摩擦容易破碎；高比表面积，利用大量的微孔空间能大量吸附C02。综合以上因素，大孔吸附树脂基和大孔离子交换树脂基球状活性炭显示出其明显的优势。吕春祥(专利公开号CN1480397A)等采用球形树脂为原料，经过溶胀、深度磺化、梯度浓度酸洗、炭化和活化制备了球状活性炭。凌立成(专利公开号CN1480399A)等采用球形树脂为原料，经过空气预氧化、高温炭化和水蒸气活化制备了球状活性炭。齐鸿云(专利公开号CN1631516)等采用苯乙烯-二乙烯苯共聚大孔型珠体为原料，经过氯甲基化、傅氏反应、稳定化、和活化等一系列工艺路线制备了球状活性炭。虽然以上专利均采用大孔吸附树脂球或大孔离子交换树脂球制备了高强度的球状活性炭，但比表面积相对较低(450-1500m2/g)，不利于CO2捕获。梁晓怿(专利公开号CN101062770A)等采用浙青球、酚醛树脂球及大孔吸附树脂球等原球先高温炭化，后经KOH活化制备了高比表面积的球状活性炭(1400-2300m2/g)。虽然经KOH活化后能制备出无破裂的高比表面积球状活性炭，但KOH属于强碱性活化剂，在高温下对碳原子的刻蚀能力超强，导致炭收率较低，在实验中我们发现这种高比表面积球状活性炭的强度较低，平均颗粒强度仅4-6 N，难以在用于吸附CO2的大型流化床中使用。目前在制备即具高强度又兼有高比表面积的球状活性炭方面尚未见报道
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺路线简单，工艺步骤少，具有高强度、高比表面积和高CO2吸附量的用于捕获CO2的球状活性炭的制备方法。本发明采用商品化的大孔吸附树脂球或大孔离子交换树脂球为原料，通过高温炭化、K2CO3活化制备球状活性炭。K2CO3作为一种相对于KOH温和的活化剂，能够在最大程度上降低钾离子对炭原子的刻蚀程度，使获得的球状活性炭具有较高的机械强度。同时，K2CO3通过树脂球本身存在的中大孔容易进入内部进行有效的刻蚀炭原子，能够制备高比表面积的球状活性炭。具体步骤为
(I)树脂球的炭化将树脂球在氮气保护下以O. 5-20C /min的速率升温至700-900°C，并在此温度下炭化l_3h，得到球状炭；(2)球状炭的活化将得到的球状炭与K2CO3按质量比1:2-6混合后，以2-5°C /min的速率升温至800-90(TC，并在此温度下活化0.5-2h。最后经去离子水反复洗涤至中性，干燥，即得球状活性炭。所述的树脂球是大孔吸附树脂球或大孔离子交换树脂球等其中一种，其中孔径分布于 10_50nmo所述的树脂球是直接炭化和活化，不需经过氧化、磺化等预处理。本发明制备的球状活性炭的平均颗粒强度为10-15N、比表面积为1800_2600m2/g、CO2吸附量为10-18 wt%o本发明具有如下优点
本方法工艺路线简单、工艺步骤少、产率高、有利于工业化推广。本方法制备的球状活性炭强度高(平均颗粒10-15N)、比表面积高(1800-2600m2/g)、CO2 吸附量高(10-18 wt%)。
具体实施例方式实施例I :
将15g大孔吸附树脂球(中孔孔径分布于10-30nm)置于立式炭化炉中，N2作为保护气，以O. 50C /min的升温速率加热到800°C，然后恒温炭化lh。自然冷却到室温，即得球状炭(收率12g)。将以上所得球状炭(12g)与K2CO3 (24g)按质量比1:2混合后，以2V /min的速率升温至800°C，并在此温度下活化O. 5h。最后经去离子水反复洗涤至中性，干燥，即得球状活性炭(平均颗粒强度15N ;比表面积1800m2/g ；C02吸附量10 wt%)。实施例2:
将15g大孔吸附树脂球(中孔孔径分布于20-40nm)置于立式炭化炉中，N2作为保护气，以1°C /min的升温速率加热到800°C，然后恒温炭化2h。自然冷却到室温，即得球状炭(收率llg)。将以上所得球状炭(IIg)与K2CO3 (33g)按质量比1:3混合后，以3°C/min的速率升温至830°C，并在此温度下活化lh。最后经去离子水反复洗涤至中性，干燥，即得球状活性炭(平均颗粒强度14N ;比表面积2050m2/g ；C02吸附量13. 6 wt%)。实施例3:
将15g大孔吸附树脂球(中孔孔径分布于30-50nm)置于立式炭化炉中，N2作为保护气，以I. 50C /min的升温速率加热到850°C，然后恒温炭化lh。自然冷却到室温，即得球状炭(收率10g)。将以上所得球状炭(IOg)与K2CO3 (40g)按质量比1:4混合后，以4°C /min的速率升温至870°C，并在此温度下活化I. 5h。最后经去离子水反复洗涤至中性，干燥，即得球状活性炭(平均颗粒强度12N ;比表面积2380m2/g ；C02吸附量15. 2 wt%)。实施例4:
将15g大孔吸附树脂球(中孔孔径分布于10-50nm)置于立式炭化炉中，N2作为保护气，以2V /min的升温速率加热到900°C，然后恒温炭化3h。自然冷却到室温，即得球状炭(收率8g)。将以上所得球状炭(8g)与K2CO3 (48g)按质量比1:6混合后，以5°C /min的速率升温至900°C，并在此温度下活化2h。最后经去离子水反复洗涤至中性，干燥，即得球状活性炭(平均颗粒强度ION ;比表面积2600m2/g ；C02吸附量18 wt%)。实施例5 将15g大孔离子交换树脂球(中孔孔径分布于10-20nm)置于立式炭化炉中，N2作为保护气，以O. 5°C /min的升温速率加热到800°C，然后恒温炭化2h。自然冷却到室温，即得球状炭(收率7g)。将以上所得球状炭(78)与K2CO3 (28g)按质量比1:4混合后，以3°C/min的速率升温至830°C，并在此温度下活化lh。最后经去离子水反复洗涤至中性，干燥，即得球状活性炭(平均颗粒强度13N ;比表面积2030m2/g ；C02吸附量14. 5 wt%)。 实施例6:
将15g大孔离子交换树脂球(中孔孔径分布于25-40nm)置于立式炭化炉中，N2作为保护气，以2V /min的升温速率加热到850°C，然后恒温炭化2h。自然冷却到室温，即得球状炭(收率6g)。将以上所得球状炭(68)与K2CO3 (30g)按质量比1:5混合后，以2V /min的速率升温至850°C，并在此温度下活化I. 5h。最后经去离子水反复洗涤至中性，干燥，即得球状活性炭(平均颗粒强度11N ;比表面积2350m2/g ；C02吸附量16. 4 wt%)。
权利要求
1.一种用于捕获CO2的球状活性炭的制备方法，其特征在于包括如下骤 (1)树脂球的炭化将树脂球在氮气保护下以O.5-20C /min的速率升温至700-900°C，并在此温度下炭化l_3h，得到球状炭； (2)球状炭的活化将得到的球状炭与1(20)3按质量比1:2-6混合后，以2-5°C/min的速率升温至800-90(TC，并在此温度下活化O. 5-2h ;最后经去离子水反复洗涤至中性，干燥，即得球状活性炭。
2.如权利要求I所述的一种用于捕获CO2的球状活性炭的制备方法，其特征在于所述的树脂球是大孔吸附树脂球或大孔离子交换树脂球其中一种，其中孔径分布于10-50nm。
3.如权利要求I所述的一种用于捕获CO2的球状活性炭的制备方法，其特征在于制备的球状活性炭的平均颗粒强度为10-15N、比表面积为1800-2600m2/g、CO2吸附量为10-18wt%。
全文摘要
一种用于捕获CO2的球状活性炭的制备方法是将树脂球在氮气保护下以0.5-2℃/min的速率升温至700-900℃，并在此温度下炭化1-3h，得到球状炭；得到的球状炭与K2CO3按质量比1:2-6混合后，以2-5℃/min的速率升温至800-900℃，并在此温度下活化0.5-2h。最后经去离子水反复洗涤至中性，干燥，即得球状活性炭。本发明催化剂具有工艺路线简单，工艺步骤少，具有高强度、高比表面积和高CO2吸附量的优点。
文档编号C01B31/14GK102862983SQ201210363280
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者孙国华, 李开喜 申请人:中国科学院山西煤炭化学研究所