一种用于生产碳分子筛的多孔碳制备方法与流程

1.本发明属于新型碳材料、纳米多孔材料领域，具体涉及适用于工业规模的、由植物碳晶(pl)热解(液相炭化)制备多孔碳，用于生产碳分子筛的工艺方法。


背景技术：

2.碳分子筛是20世纪七十年代发展起来的一种新型吸附剂，是一种优良的非极性碳素材料，制氮碳分子筛(carbon molecular sieves，cms)用于分离空气富集氮气，采用常温低压制氮工艺，比传统的深冷高压制氮工艺具有投资费用少，产氮速度快、氮气成本低等优点。因此，它是目前工程界首选的变压吸附(简称p.s.a)空分富氮吸附剂，这种氮气在化学工业、石油天然气工业、电子工业、食品工业、煤炭工业、医药工业、电缆行业、金属热处理、运输及储存等方面广泛应用。
3.碳分子筛生产工艺包括以下四个过程：
①
原料炭化(干馏)过程，
②
粉化、捏合、挤型过程，
③
活化造孔过程，
④
孔结构调节过程。
4.生产碳分子筛对原料的要求是：含碳量高、挥发份适中(大高，产量低；大低，不利于孔隙结构形成)、灰分低、水分少、原料含有较丰富的含氧基团。
5.生产碳分子筛的原料主要有：
①
)树脂类，如saran树脂、脲醛树脂、酚醛树脂、花泥(发泡酚醛树脂)，
②
煤及煤的衍生物，
③
植物果壳，
④
石油沥青及石油焦等。
6.对于树脂类原料，因分子结构规整，并含有一定量的含氧基团，是生产碳分子筛的较理想原料，但合成树脂因加入固化剂、发泡剂、阻燃剂的不同，生产的碳分子筛抗磨性也不同。且合成树脂价格高，生产的碳分子筛成本高。
7.对于煤及石油类原料，碳含量高、灰分低，原料组分复杂，分子结构含易逸出的杂原子少，不利于孔隙结构的形成。
8.对于植物果壳类原料，果壳主要成分为半纤维素、纤维素、木质素，干馏过程中绝大部分半纤维素、纤维素裂解为低分子化合物，只有少量的木质素缩聚为果壳焦。果壳虽然易得，价格便宜，但生产碳分子筛产量低、成本高，且生产的碳分子筛抗磨性较差。
9.寻求一种原料易得、价格便宜、碳含量高、灰分低、抗磨性能好、含氧基团较多、利于孔隙结构形成的碳分子筛原料，是广大碳分子筛工作者们孜孜以求的夙愿。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于提供一种用于生产碳分子筛的多孔碳制备方法，旨在解决所述背景技术中存在的问题。为实现所述目的，本发明采用的技术方案是：
11.本发明提供了一种用于生产碳分子筛的多孔碳制备方法，是以植物碳晶(pl)为原料在一定条件下热解的多孔碳。其制备过程包括：植物碳晶的熔化工艺、植物碳晶的热解(炭化)工艺、多孔碳的冷却出料工艺、多孔碳的收集包装工艺。
12.植物碳晶(pl)，是从植物中提取的一种物质，其平均分子量为650～1300。其中c：70～75％，h:6-8％，o:15～20％，n:0.1％～0.3％，分子中存在大量的芳香基、酚羟基、醇羟
基、羰基、甲氧基、羧基等活性基团，加热时可以缩聚成高分子。
13.植物碳晶(pl)原料易得，并可再生，且价格便宜。
14.植物碳晶(pl)含碳量高，炭化后多孔碳得率高。
15.植物碳晶(pl)分子中存在大量的酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、羧基等活性基团，炭化时易分解成大量的co2、co、ch4、h2气体，有利于孔隙结构的形成。且活性基团加热时有利于缩聚成高分子的多孔碳。
16.植物碳晶(pl)分子中存在大量的芳香基，炭化时芳香烃缩聚为稠环芳烃，稠环芳烃层叠为中间相沥青，继续炭化时形成乱层的石墨结构，使材料的抗磨性大大增加。
17.植物碳晶融化工艺
18.是在类似于沥青融化器的设备中进行，热媒为导热油，导热油炉燃料为本项目热解工艺中产生的可燃气。热熔体温度为180～220℃，压力为0～0.3mpa。熔体经200目过滤后用泵打入热解釜。
19.植物碳晶热解(炭化)工艺
20.是在热解釜中进行。热解釜为电加热釜，配备完善的上料、出料系统、热解气冷却系统、plc控制系统。热解气冷凝液用于提取化工原料，不凝气用于导热油炉燃料。热解工艺条件为：反应温度350～850℃，压力为：0.1～0.3mpa，时间为：3～20小时。
21.多孔碳的冷却出料工艺
22.是在外设冷却水夹套的螺旋推料器完成。多孔碳冷却到温度《50℃。
23.多孔碳的收集包装工艺
24.是指多孔碳从收集槽通过皮带输送到包装计量槽，定量计量包装。
25.本发明的有益效果：通过利用易得且含碳量高的植物碳晶，经过融化和热解碳化，最终形成所需目标成品，本制作工艺方法简单易操作，且产碳量高，生成的多孔碳本身具备碳分子筛特征，耐磨耐用，适合作为高质量碳分子筛的生产原料。
附图说明
26.图1为本发明提供的孔径分布曲线图；
27.图2为本发明提供的sem电镜图。
具体实施方式
28.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
29.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
30.下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
31.实施例一：
32.本发明实施例提供了一种用于生产碳分子筛的多孔碳制备方法，将植物碳晶连续投入沥青融化器中，热媒为导热油，导热油炉燃料为本项目热解工艺中产生的可燃气。热熔体温度为180～220℃，压力为0～0.3mpa。熔体经200目过滤后用泵打入热解釜。热解釜为电加热釜，配备完善的上料、出料系统、热解气冷却系统、plc控制系统。热解气冷凝液用于提取化工原料，不凝气用于导热油炉燃料。热解工艺条件为：反应温度550℃，压力为：0.1～0.3mpa，时间为：5小时。
33.热解完成后，将多孔碳从热解釜底部出料阀排入外设冷却水夹套的螺旋推料器，将多孔碳冷却到温度《50℃，送入多孔碳收集槽，然后通过皮带输送到包装计量槽，定量计量包装。
34.制备的多孔碳性能如下表：
35.项目数值比表面积(m2/g)509孔径(nm)1.15～1.5总孔体积(ml/g)0.15灰分(％)《0.1微孔极限吸附量(cm3/g)82.2
36.表1多孔碳性能
37.用此多孔碳制备碳分子筛性能如下表：
[0038][0039]
表2碳分子筛性能
[0040]
颗粒直径(圆柱状)：1.0～1.2mm；
[0041]
堆积密度：640～680g/l；
[0042]
抗压强度：》50n；
[0043]
磨耗量：《2％。
[0044]
实施例二：
[0045]
重复实施例一，热解工艺条件为：反应温度600℃，压力为：0.1～0.3mpa，时间为：5小时。
[0046]
制备的多孔碳性能如下表：
[0047]
项目数值
比表面积(m2/g)548孔径(nm)1.15～1.5总孔体积(ml/g)0.158灰分(％)《0.1微孔极限吸附量(cm3/g)91
[0048]
表3多孔碳性能
[0049]
用此多孔碳制备碳分子筛性能如下表：
[0050][0051][0052]
表4碳分子筛性能
[0053]
颗粒直径(圆柱状)：1.0～1.2mm；
[0054]
堆积密度：640～680g/l；
[0055]
抗压强度：》50n；
[0056]
磨耗量：《2％。
[0057]
实施例三：
[0058]
重复实施例一，热解工艺条件为：反应温度650℃，压力为：0.1～0.3mpa，时间为：5小时。
[0059]
制备的多孔碳性能如下表：
[0060][0061]
表5多孔碳性能
[0062]
用此多孔碳制备碳分子筛性能如下表：
[0063][0064][0065]
表6碳分子筛性能
[0066]
颗粒直径(圆柱状)：1.0～1.2mm；
[0067]
堆积密度：640～680g/l；
[0068]
抗压强度：》50n；
[0069]
磨耗量：《2％。
[0070]
实施例四：
[0071]
重复实施例一，热解工艺条件为：反应温度700℃，压力为：0.1～0.3mpa，时间为：5小时。
[0072]
制备的多孔碳性能如下表：
[0073]
项目数值比表面积(m2/g)612孔径(nm)1.15～1.5总孔体积(ml/g)0.17灰分(％)《0.1微孔极限吸附量(cm3/g)115
[0074]
表7多孔碳性能
[0075]
用此多孔碳制备碳分子筛性能如下表：
[0076][0077][0078]
表8碳分子筛性能
[0079]
颗粒直径(圆柱状)：1.0～1.2mm；
[0080]
堆积密度：640～680g/l；
[0081]
抗压强度：》50n；
[0082]
磨耗量：《2％。
[0083]
实施例五：
[0084]
重复实施例一，热解工艺条件为：反应温度750℃，压力为：0.1～0.3mpa，时间为：5小时。
[0085]
制备的多孔碳性能如下表：
[0086][0087]
表9多孔碳性能
[0088]
用此多孔碳制备碳分子筛性能如下表：
[0089][0090]
表10碳分子筛性能
[0091]
颗粒直径(圆柱状)：1.0～1.2mm；
[0092]
堆积密度：640～680g/l；
[0093]
抗压强度：》50n；
[0094]
磨耗量：《2％。
[0095]
通过利用易得且含碳量高的植物碳晶，经过融化和热解碳化，最终形成所需目标成品，本制作工艺方法简单易操作，且产碳量高，生成的多孔碳本身具备碳分子筛特征，耐磨耐用，适合作为高质量碳分子筛的生产原料。
[0096]
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。