[发明专利]一种负载氮化钛的活性炭吸附剂及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种活性炭及制备方法，尤其涉及负载氮化钛的活性炭吸附剂及制备方法，属于吸附剂技术领域。

背景技术

据资料统计，我国每年有180亿m³以上的纯甲烷混入矿井风流中通过乏风排空，相当于3600多万吨煤炭被白白浪费掉。不仅如此，甲烷的温室效应是CO₂的21倍，对大气臭氧层的破坏能力为CO₂的7倍，甲烷排入大气对大气环境的破坏，已经成为全世界共同面临的重大环境问题。由于流量大、浓度低、富集效率低、存在安全隐患、综合利用困难，煤矿乏风中瓦斯富集技术的开发与应用挑战性很强，成为世界各产煤大国共同关心的前沿热点问题。高效吸附剂的研制也成为制约煤矿乏风瓦斯回收利用的重要技术。

许多研究N₂、CO₂、CH₄和O₂在活性炭上的吸附平衡的实验结果表明：活性炭对甲烷具有优先吸附的性能。至今为止，还没有发现以高温焙烧负载TiO₂的活性炭吸附剂制备负载TiN的活性炭吸附剂的报道。

发明内容

本发明的目的为了提高活性炭对CH₄的吸附量，而提供一种负载氮化钛的活性炭吸附剂及制备方法，采用高温焙烧负载TiO₂的活性炭吸附剂来制备负载TiN的活性炭吸附剂的办法，调节活性炭表面的孔口结构和孔口尺寸，改变分子表面极性，提高CH₄的吸附量和常压穿透时间。本发明方法操作简单、环境友好、经济，可用于大规模生产负载氮化钛活性炭吸附剂。

一种负载氮化钛的活性炭吸附剂，其特征在于，氮化钛负载在活性炭上，形成结合体颗粒。

本发明提出一种负载氮化钛的活性炭吸附剂的制备方法，具体包括如下步骤：

（1）对活性炭采用超声波进行预处理，去除活性炭中的粉末和油类物质，用去离子水洗涤，抽滤，烘干；

（2）将TiCl₃配置成浓度为0.3-0.7mol/L（优选0.5mol/L）的TiCl₃盐酸溶液，将其转移到不锈钢反应釜的聚四氟乙烯内胆中；

（3）将步骤（1）得到的处理后的活性炭加入到步骤（2）配置的溶液中，将不锈钢反应釜拧紧，放置在程序升温控制的电热恒温鼓风干燥箱中进行水热处理，水热处理温度为160-200℃，处理时间为12-24h后自然降至室温；将水热处理后的活性炭进行洗涤、抽滤、烘干，即得负载二氧化钛的活性炭吸附剂。

（4）在氮气保护下，将步骤（3）得到的负载二氧化钛的活性炭吸附剂在瓷舟中填装一层，在带有程序升温控制的管式纤维电阻炉中进行焙烧，焙烧温度不低于1100℃，处理时间不低于30min，然后降至室温，即得负载氮化钛的活性炭吸附剂。

本发明中，步骤（1）中的活性炭使用前进行筛选，使其粒径在10~30目。对活性炭进行预处理，优选采用将活性炭置于装有体积约为活性炭体积的2倍去离子水的烧杯中，将其置于装有水溶液的数控超声波清洗器中，在室温下超声0.5~2h。

步骤（2）中TiCl₃盐酸溶液中HCl的浓度为1.9mol/L。

步骤（3）优选水热处理的升温速率为1-5℃/min，更优选3℃/min。水热处理温度为160-200℃，处理时间为12-24h，一般情况若温度高，则处理时间短，若温度低则处理时间长；优选水热处理温度为160℃，处理时间为24h。在反应釜中装填的填料/容积的体积比为60-80%，优选70%。

步骤（4）中，焙烧温度不低于1100℃，一般随着负载二氧化钛的活性炭吸附剂的厚度增加，焙烧时间增长，但总的时间一般不低于30min，若焙烧温度增加，时间也可相应的缩短。一般优选负载二氧化钛的活性炭吸附剂的厚度为5-15mm；最佳厚度为5mm，焙烧温度为1100℃，处理时间为30min。

利用本发明所得的产物的结构、形貌、性能等测定可以分别采用X射线粉末衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散谱仪（EDS）等温变压吸附曲线（PSA）、常压穿透曲线等进行表征与测量。

本发明优点在于：

1.本发明工艺简单，原料价廉，制备条件温和，操作简单，因此易于推广产业化和市场化。

2.得到负载型吸附剂为颗粒状，吸附量得到较大提高，同时提高吸附剂的穿透时间。