专利名称：一种高表面活性吸附材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高表面活性吸附材料及其制备方法。
背景技术：
具有高表面活性和高吸附能力的活性吸附材料已成为新材料领域的研究开发热点，其用途非常广泛，主要包括超级电容器、变压吸附、吸附储存天然气、医药提纯、空气净化以及吸收微波等领域，目前在超级电容器和变压吸附等领域已取得巨大经济和社会效益。如活性炭和活性炭纤维等即是常用的高表面活性吸附材料。但如何拓展其下游市场、扩大其实际应用领域，关键在于实现该类材料的产业化和大幅降低其生产成本。
已有一些发明专利介绍了与此相关的吸附材料的制备方法。如CN 1411903公开了一种储存天然气的富微孔炭质吸附剂及其制备方法。该方法以石油焦、木质素、核桃壳为原料，采用复合活化剂法双炉两步活化工艺和包覆成型工艺制备吸附剂。这种吸附剂具有特别发达的微孔，其BET(是一种基于BET多分子层吸附理论的测定固体比表面积的方法，BET是该理论的三个创始人勃鲁瑙尔(Brunauer)、爱默特(Emmett)和泰勒(Teller)的简称)比表面可达2500～3500m2/g，微孔的孔容达1.5～1.8cm3/g，是一种吸附储存天然气的理想材料，既可用于储存天然气作为汽车燃料或家用燃料及天然气的无管网储存运输，又能用于吸附有毒有害气体及作涂料添加剂用于吸波、吸声材料等。这种方法的缺点在于成型工艺复杂、制备成本较高、较难实现产业化。
CN 1617273公开了一种双电层电容器及其制备方法，该电极材料采用复合活化剂，低温和高温分别活化的方法制备而成，其微孔直径分布为1～2nm，微孔率在90％以上，BET比表面2500～3500m2/g，微孔孔容1.5～1.8cm3/g。该电容器的电容量为100～150F/g，电极密度0.5～0.6g/cm3，单位体积电容量50～80F/cm3。
CN 1070846和CN 1258638分别公开了一种储存天然气吸附剂及其制造方法和一种吸附储存甲烷的活性炭的制备方法，其共同特点是采用浸渍法混合原料与化学活化剂，采用单炉一步活化法制备粉状吸附剂，吸附剂的成型采用粘接剂压缩成型。这种工艺的明显不足之处在于活化反应不均匀，产品性能尚不理想。
CN 1402280提供了一种具有高比电容的成型活性炭电极的制备方法。该方法是以负载Mn、Co金属离子的比表面积＞3000m2/g粉状活性炭制得负载金属高比表面积成型活性炭电极。
但目前的高表面材料均不同程度的存在在制备时活化剂用量偏大，产品孔分布难于控制，制备工艺复杂，成本较高等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的高表面活性吸附材料。该吸附材料的比表面积高、孔径分布均匀，且生产成本低、较易实现产业化。
本发明的另一个目的是提供一种上述高表面活性吸附材料的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种高表面活性吸附材料，该材料以石油焦、沥青焦和果壳中的任意一种或多种为原料制备而成。
上述高表面活性吸附材料具有发达的微孔结构，其BET比表面可达2000～3000m2/g，微孔的孔容达1.2～1.5cm3/g，占总孔容的90％以上，其孔隙骨架结构由几层碳原子片层弯曲变形所构成，界面上的碳原子主要形成多种含氧官能团如C-O-C，C-OH，C＝O，O-C-O和COOH等。
上述高表面活性吸附材料可通过主要包括以下步骤的方法制备(1)一段炭化将所述的原料粉碎，筛分成200～500目粉末，经700～900℃炭化1.5～3小时；(2)三段活化将炭化后的原料与KOH以1∶1～1∶3的比例直接混合，在150～550℃的低温反应炉中反应1～2小时；低温反应后的物料进入高温反应炉，先在650～850℃下反应1～2小时，再在950～1050℃下反应1～3小时；(3)清洗、干燥将活化反应后的物料经水洗和酸洗至中性，再经充分干燥制得粉状高表面活性吸附材料。
上述(1)步中原料的炭化温度优选为800℃，炭化时间优选为2小时。
上述(3)步中所用的酸可用稀盐酸或稀硫酸等；优选为稀盐酸。
在上述的一段炭化和三段活化过程中，可实现炭化和活化过程的热联合和物料联合，以有效降低生产成本。而且，炭化与不同温度的活化过程通过换热网络达到热能的高效利用，活化的富氧过程与炭化的耗氧过程进行耦合，并在同一活化炉中进行，可实现整体物料平衡和热平衡，对外界环境没有污染。
采用上述工艺制得的高表面活性吸附材料，具有较高的比表面积和良好的吸附性能，可用于超级电容器、变压吸附提纯氢气、吸附储存天然气以及吸收微波等领域。用于超级电容器时其在常温下在有机体系双电极的表观比电容量可达40～50F/g。
与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明高表面活性吸附材料的比表面积高、孔径分布均匀，且原料易得，生产成本低。另一方面，本发明高表面活性吸附材料的制备方法操作简单，较易实现产业化；且通过过程耦合技术实现炭化和活化过程的热联合和物料联合，能够控制产品的比表面积、孔径分布，利于能量的优化利用，可大幅降低生产成本，并且该方法有利于开发副产物K2CO3的回收利用技术和反应烟气的利用技术，基本能够做到“零”污染。
具体实施例方式
下面结合具体实施方式
对本发明作进一步的详细描述。
但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均包括在本发明的范围内。
实施例1(1)一段炭化将所述的原料石油焦、沥青焦和果壳以任意任意比例混合、粉碎，筛分成200～300目粉末，经800℃炭化2小时；(2)三段活化将炭化后的原料与KOH以1∶2的比例直接混合，在300℃的低温反应炉中反应2小时；低温反应后的物料进入高温反应炉，在750℃下反应1小时，后进入高温段，在1000℃下活化2小时；(3)清洗、干燥将活化反应后的物料经水洗和稀盐酸洗至中性，充分干燥制得粉状高表面活性吸附材料。
所得的材料常温下在有机体系双电极的表观比电容量为45F/g。
实施例2(1)一段炭化将所述的原料石油焦、沥青焦和果壳以任意任意比例混合、粉碎，筛分成400～500目粉末，经800℃炭化2小时；(2)三段活化将炭化后的原料与KOH以1∶1的比例直接混合，在200℃的低温反应炉中反应1小时；低温反应后的物料进入高温反应炉，先在850℃下反应2小时，再在950℃下反应1小时；(3)清洗、干燥将活化反应后的物料经水洗和稀盐酸洗至中性，再经充分干燥制得粉状高表面活性吸附材料。
所得的材料常温下在有机体系双电极的表观比电容量为49F/g。
实施例3(1)一段炭化将所述的原料沥青焦粉碎，筛分成200～300目粉末，经700℃炭化3小时；(2)三段活化将炭化后的原料与KOH以1∶3的比例直接混合，在550℃的低温反应炉中反应2小时；低温反应后的物料进入高温反应炉，先在700℃下反应1小时，再在1050℃下反应2小时；(3)清洗、干燥将活化反应后的物料经水洗和稀盐酸洗至中性，再经充分干燥制得粉状高表面活性吸附材料。
所得的材料常温下在有机体系双电极的表观比电容量为41F/g。
实施例4(1)一段炭化将所述的原料石油焦粉碎，筛分成300～500目粉末，经900℃炭化1.5小时；(2)三段活化将炭化后的原料与KOH以1∶2的比例直接混合，在400℃的低温反应炉中反应1小时；低温反应后的物料进入高温反应炉，先在800℃下反应2小时，再在950℃下反应3小时；(3)清洗、干燥将活化反应后的物料经水洗和稀盐酸洗至中性，再经充分干燥制得粉状高表面活性吸附材料。
所得的材料常温下在有机体系双电极的表观比电容量为40F/g。
实施例5(1)一段炭化将所述的原料沥青焦和果壳以任意任意比例混合、粉碎，筛分成300～400目粉末，经800℃炭化2小时；(2)三段活化将炭化后的原料与KOH以1∶3的比例直接混合，在150℃的低温反应炉中反应2小时；低温反应后的物料进入高温反应炉，先在650℃下反应2小时，再在1050℃下反应3小时；(3)清洗、干燥将活化反应后的物料经水洗和稀硫酸洗至中性，再经充分干燥制得粉状高表面活性吸附材料。
所得的材料常温下在有机体系双电极的表观比电容量为47F/g。
权利要求
1.一种高表面活性吸附材料，其特征在于该材料以石油焦、沥青焦和果壳中的任意一种或多种为原料制备而成。
2.根据权利要求1所述的高表面活性吸附材料，其特征在于所述的高表面活性吸附材料具有发达的微孔结构，其BET比表面达2000～3000m2/g，微孔的孔容达1.2～1.5cm3/g，占总孔容的90％以上，其孔隙骨架结构由几层碳原子片层弯曲变形所构成，界面上的碳原子主要形成多种含氧官能团。
3.根据权利要求2所述的高表面活性吸附材料，其特征在于所述的含氧官能团主要是C-O-C，C-OH，C＝O，O-C-O和COOH。
4.一种权利要求1所述的高表面活性吸附材料的制备方法，包括以下步骤(1)一段炭化将所述的原料粉碎，筛分成200～500目粉末，经700～900℃炭化1.5～3小时；(2)三段活化将炭化后的原料与KOH以1∶1～1∶3的比例直接混合，在150～550℃的低温反应炉中反应1～2小时；低温反应后的物料进入高温反应炉，先在650～850℃下反应1～2小时，再在950～1050℃下反应1～3小时；(3)清洗、干燥将活化反应后的物料经水洗和酸洗至中性，再经充分干燥制得粉状高表面活性吸附材料。
5.根据权利要求4所述的高表面活性吸附材料的制备方法，其特征在于所述的(1)步中原料的炭化温度为800℃，炭化时间为2小时。
6.根据权利要求4所述的高表面活性吸附材料的制备方法，其特征在于所述的(3)步中酸洗所用的酸为稀盐酸。
全文摘要
本发明公开了一种高表面活性吸附材料，该材料以石油焦、沥青焦和果壳中的任意一种或多种为原料制备而成。该吸附材料的比表面积高、孔径分布均匀，且原料易得、生产成本低。本发明还公开了上述高表面活性吸附材料的制备方法，该方法操作简单，较易实现产业化，且可大幅降低生产成本，污染小。
文档编号B01J20/30GK1958150SQ20061002203
公开日2007年5月9日 申请日期2006年10月13日 优先权日2006年10月13日
发明者徐文东, 边海军, 漆长席, 赵月兴 申请人:成都益盛环境工程科技有限责任公司