一种超高比表面积VOCs吸附用活性炭制备方法与流程

一种超高比表面积vocs吸附用活性炭制备方法
技术领域
1.本发明涉及活性炭制备技术领域，尤其涉及一种超高比表面积 vocs吸附用活性炭制备方法。


背景技术：

2.活性炭是具有孔隙结构发达、比表面积大、选择性吸附能力强的碳质吸附材料。在一定的条件下，对液体或气体的某一或某些物质进行吸附脱除、净化、精制或回收，从而实现化工原料的再利用和环境的净化。时至今日，活性炭已经被广泛应用于工业、农业、国防、交通、食品、医药、环境保护等各个领域。目前制备活性炭的原料主要有木炭、木屑、各种果壳、煤炭和石油焦等高含碳物质。目前制备活性炭常用的方法有物理活化法、化学活化法或物理活化与化学活化结合的方法。
3.目前制备的方法得到的活性炭比表面积小，主要以微孔为主，孔结构单一。


技术实现要素：

4.本发明提供一种超高比表面积vocs吸附用活性炭制备方法，用以解决现有的活性炭制备方法存在制备的活性炭比表面积小和孔隙尺寸小的问题。
5.本发明提供一种超高比表面积vocs吸附用活性炭制备方法，包括：
6.步骤s100，对石油焦原料进行粉碎处理，得到石油焦粉末；
7.步骤s200，将所述石油焦粉末在氮气保护下加热进行碳化处理，得到碳化物；
8.步骤s300，向所述碳化物中通入水蒸气，并利用微波对所述碳化物进行预活化处理，得到活化碳化物；
9.步骤s400，将所述活化碳化物与煤焦油以及氢氧化钾混合，并通过成型机制成块状活性炭；
10.步骤s500，将所述块状活性炭在氮气保护下进行脱水处理和活化处理。
11.根据本发明提供的一种超高比表面积vocs吸附用活性炭制备方法，所述对石油焦原料进行粉碎处理包括以下步骤：
12.对所述石油焦原料进行粉碎；
13.通过筛网对粉碎后的所述石油焦原料进行筛选，得到所述石油焦粉末。
14.根据本发明提供的一种超高比表面积vocs吸附用活性炭制备方法，所述筛网的目数小于200目。
15.根据本发明提供的一种超高比表面积vocs吸附用活性炭制备方法，所述将所述石油焦粉末在氮气保护下加热进行碳化处理包括以下步骤：
16.将所述石油焦粉末在氮气保护下加热至第一预设温度进行分解反应；
17.将所述石油焦粉末在氮气保护下加热至第二预设温度进行氧键断裂反应；
18.将所述石油焦粉末在氮气保护下加热至第三预设温度进行脱氧反应。
19.根据本发明提供的一种超高比表面积vocs吸附用活性炭制备方法，所述第一预设
温度小于400℃，所述第二预设温度为400℃
‑
700℃，所述第三预设温度为700℃
‑
1000℃。
20.根据本发明提供的一种超高比表面积vocs吸附用活性炭制备方法，所述水蒸气的温度为700℃
‑
750℃。
21.根据本发明提供的一种超高比表面积vocs吸附用活性炭制备方法，在执行所述步骤s400之前还执行以下步骤：
22.步骤301，将所述活化碳化物置于干燥室，并在氮气保护下冷却至室温。
23.根据本发明提供的一种超高比表面积vocs吸附用活性炭制备方法，所述将所述块状活性炭在氮气保护下进行脱水处理和活化处理包括以下步骤：
24.将所述块状活性炭在氮气保护下加热至第四预设温度进行脱水处理；
25.将所述块状活性炭在氮气保护下加热至第五预设温度进行高温活化处理。
26.根据本发明提供的一种超高比表面积vocs吸附用活性炭制备方法，所述第四预设温度为350℃
‑
400℃，所述第五预设温度为800℃
ꢀ‑
850℃。
27.根据本发明提供的一种超高比表面积vocs吸附用活性炭制备方法，所述脱水处理的时长为1h
‑
2h，所述高温活化处理的时长为 3h
‑
4h。
28.本发明提供的超高比表面积vocs吸附用活性炭制备方法，通过将石油焦粉末在氮气保护下加热进行碳化处理，得到碳化物；通过向碳化物中通入水蒸气，并利用微波对碳化物进行加热，使得碳化物的总孔容和比面积增大；通过将活化碳化物与煤焦油以及氢氧化钾混合加热，使得碳化物的总孔容和比表面积进一步增大，有效提高了活性炭对vocs分子的吸附效率。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1是本发明提供的超高比表面积vocs吸附用活性炭制备方法的流程示意图。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
32.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领
域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
34.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
35.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
36.图1示例了本发明提供的超高比表面积vocs吸附用活性炭制备方法的流程示意图，如图1所示，超高比表面积vocs吸附用活性炭制备方法包括以下步骤：
37.步骤s100，对石油焦原料进行粉碎处理，得到石油焦粉末；
38.进一步地，在本发明的一个实施例中，对石油焦原料进行粉碎处理包括以下步骤：
39.步骤s101，对石油焦原料进行粉碎；
40.步骤s102，通过筛网对粉碎后的石油焦原料进行筛选，得到石油焦粉末。
41.筛选的目的在于使得石油焦粉末的粒径均匀，以满足后续加工要求，对于筛选出的粒径较大的石油焦粉末可进行二次粉碎和筛选。筛网的目数小于200目，以确保筛选的石油焦粉末的粒径为200
‑
100目。
42.步骤s200，将石油焦粉末在氮气保护下加热进行碳化处理，得到碳化物；
43.进一步地，在本发明的一个实施例中，将石油焦粉末在氮气保护下加热进行碳化处理包括以下步骤：
44.步骤s201，将石油焦粉末在氮气保护下加热至第一预设温度进行分解反应；
45.将石油焦粉末在氮气保护下加热至第一预设温度主要进行分解反应，在进行分解反应的过程中，石油焦粉末中的挥发成分被去除，得到适合下一步活化用的炭化料。第一预设温度小于400℃，当然，第一预设温度的温度值并不限定于此，具体温度值根据石油焦粉末的粒径以及数量进行确定。
46.步骤s202，将石油焦粉末在氮气保护下加热至第二预设温度进行氧键断裂反应；
47.本实施例中第二预设温度为400℃
‑
700℃。
48.步骤s203，将石油焦粉末在氮气保护下加热至第三预设温度进行脱氧反应。
49.经过分解反应、氧键断裂反应以及脱氧反应，无论是链状分子物质还是芳香族分子物质，经过上述三个反应阶段获得缩合苯环平面状分子而形成三向网状结构的炭化物。本实施例中第三预设温度为700℃
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1000℃，上述三个反应总用时为1h
‑
2h，每个反应阶段的具体反应时间根据实际需要进行确定。
50.步骤s300，向碳化物中通入水蒸气，并利用微波对碳化物进行预活化处理，得到活
化碳化物；
51.在进行预活化处理过程中，向活化反应炉中通入水蒸气，将水蒸气与碳化物充分搅拌，使碳化物均匀湿润。水蒸气的温度为700℃
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750℃，当然，水蒸气的温度并不限定于此，若需要更高温度的水蒸气，可通过加压与加热的方式提高水蒸气的温度，水蒸气的具体温度可根据实际需要进行设置。
52.水蒸气与碳化物混合，水蒸气会进入碳化物的孔隙中遇冷之后变成水。根据毛细管现象可知，碳化物的微孔中存在着游离水分，会使得碳化物湿润膨胀。
53.水蒸气与碳化物混合后，再利用微波对碳化物进行预活化处理，微波会穿透碳化物直接作用于微孔中的游离水分，游离水分在微波作用下急剧蒸发，产生蒸汽压，从碳化物的内部向外爆发性压出。使碳化物的孔隙空间扩大，同时使碳化物急剧干燥，并产生无数龟裂，碳化物的多孔结构更为显著，内部表面积进一步扩大。连续通入水蒸汽，水蒸汽不断地流到碳化物的多孔和龟裂中，抑制和排除碳化氢的固着，能很好地保持其多孔结构，最终得到活化碳化物。相较于使用常规的加热方式，使用微波可以直接作用于微孔中的游离水分，使得游离水分迅速膨胀，微孔孔隙的空间扩大幅度更大，以及龟裂的缝隙更大，从而实现碳化物的总孔容和比面积进一步增大。预活化处理过程持续 1h
‑
2h，具体根据实际需要进行确定。
54.步骤s400，将活化碳化物与煤焦油以及氢氧化钾混合，并通过成型机制成块状活性炭；
55.进一步地，在本发明的一个实施例中，在执行步骤s400之前还执行以下步骤：
56.步骤301，将活化碳化物置于干燥室，并在氮气保护下冷却至室温。
57.在将活化碳化物与煤焦油以及氢氧化钾混合之前，需要降低活化碳化物的水分和温度，保证活化碳化物可以固化成型，因此需要将活化碳化物置于干燥室中在氮气保护下进行干燥和冷却。
58.在将活化碳化物与煤焦油以及氢氧化钾混合过程中，氢氧化钾、活化碳化物、煤焦油的质量比为3
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4:1:1，将活化碳化物与煤焦油以及氢氧化钾混合均匀后，最后通过成型机挤压制成块状活性炭，块状活性炭的直径为6mm
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10mm，优选项为8mm。
59.步骤s500，将块状活性炭在氮气保护下进行脱水处理和活化处理。
60.进一步地，在本发明的一个实施例中，将块状活性炭在氮气保护下进行脱水处理和活化处理包括以下步骤：
61.步骤s501，将块状活性炭在氮气保护下加热至第四预设温度进行脱水处理；
62.在对块状活性炭进行活化处理之前，需要进行脱水处理，通过将块状活性炭置于二段活化炉中，通入氮气进行保护，在第四预设温度下脱水1h
‑
2h，去除块状活性炭中的水分，第四预设温度为350℃
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400℃。
63.步骤s502，将块状活性炭在氮气保护下加热至第五预设温度进行高温活化处理。
64.将块状活性炭去除水分之后，在氮气保护下进行高温活化处理，高温活化处理时温度维持在第五预设温度，第五预设温度为800℃
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850℃，高温活化处理的时长为3h
‑
4h。高温活化处理使得koh发生反应，对块状活性炭起到活化作用。koh对块状活性炭的活化作用主要体现在以下两方面，一方面通过koh与碳反应生成k2co3来发展孔隙，同时kco3分解产生的k2o和co2也能够帮助发展微孔。另一方面k2co3、k2o分别与碳反应生成金属钾，当活化温
度超过金属钾的沸点(762)℃时，金属钾会扩散进入碳层，影响孔结构的发展。因此，可以通过调整koh和石油焦的活化比例来控制所制得活性炭的比表面积和孔结构。活性炭的bet比表面积分布在 3000m2/g
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4000m2/g范围内，活性炭的总孔容会随着比表面积的增加而增大，总孔容为0.9cm3/g
‑
2.2cm3/g。在活性炭中，微孔孔容分布占主要部分，采用koh活化可制得微孔发达的活性炭。活性炭的中孔孔容和微孔孔容随比表面积增加的幅度并不相同，微孔孔容基本上随比表面积的增加呈线性上升，中孔孔容在比表面积较低时所占比例较小，当活性炭比表面积超过2000m2/g时，中孔孔容增加较快，所占比例亦随之增加。活性炭随着活化程度的提高，其比表面积与微孔 (1nm
‑
2nm的微孔)容积以及中孔容积也大大增加，有效提高了对 vocs分子的吸附效率。
65.本发明提供的超高比表面积vocs吸附用活性炭制备方法，通过将石油焦粉末在氮气保护下加热进行碳化处理，得到碳化物；通过向碳化物中通入水蒸气，并利用微波对碳化物进行加热，使得碳化物的总孔容和比面积增大；通过将活化碳化物与煤焦油以及氢氧化钾混合加热，使得碳化物的总孔容和比表面积进一步增大，有效提高了活性炭对vocs分子的吸附效率。
66.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。