[发明专利]先进多孔含碳材料及其制备方法

说明书

本发明涉及具有包括微孔和大孔的孔的多孔含碳颗粒，这些多孔含碳颗粒具有通过激光衍射测定的范围为从15μm至100μm的平均直径，以及包含所述含碳颗粒的聚集体的多孔含碳整料。

本申请要求于2016年11月30日提交的欧洲申请16201571.3的优先权，出于所有目的将所述申请的全部内容通过援引方式并入本申请。

本发明涉及多孔含碳颗粒和包含偏二氯乙烯聚合物的多孔颗粒以及用于制造此类颗粒的方法。本发明还涉及具有包括微孔和大孔的孔的多孔含碳整料，该多孔含碳整料可具有或不具有蜂窝状结构，以及用于制造此种整料的方法。本发明涉及包含颗粒的聚集体的成形体的制造，所述颗粒包含偏二氯乙烯聚合物。本发明最后涉及多孔含碳整料用于通过选择性吸附CO₂气体而从气体组合物中提取CO₂的用途。

通常认为，使用固体吸附剂进行纯化可以提供优于常规方法(如蒸馏、基于液体的吸收方法或提取方法)的经济、能量和生态优势。分离技术的一些实例包括变压吸附(PSA)、变温吸附(TSA)、变真空吸附(VSA)、变电吸附(ESA)以及变真空和变温吸附(VTSA)的组合或变真空和变压吸附(VPSA)的组合。尽管PSA和TSA两者都是可商购的技术并且广泛用于工业中，但是在需要处理非常大的进料流体积的工艺中，吸附技术的应用仍然具有挑战性。对于从含CO₂的进料流(如烟道气和天然气)中捕获和纯化CO₂尤其如此。

TSA涉及在低温下选择性吸附一种组分的第一步骤，以及如下第二步骤，其中吸附剂的温度升高是气相中被吸附组分的摩尔分数增加的原因，因此纯化产物流。为了使TSA工艺可行，需要快速变温吸附(RTSA)工艺，其中吸附剂可以通过吸附、再生和冷却步骤被快速循环。

将吸附剂组装成高纵横比的结构，如中空纤维、层压体和蜂窝，其中薄壁尺寸允许快速传热和传质，这是有前景的。通常，与常规的珠粒和颗粒相比，具有相互连接和分支的大孔通道的结构化吸附剂(像整料)在性能上更优越。

多孔碳作为吸附剂已经用于许多应用，如水处理、空气净化或气体储存。

在用于气体吸附，尤其是用于CO₂吸附的多孔含碳材料的领域中，众所周知，所吸附的CO₂的量在很高比例上是由于微孔的存在。

另一个重要的参数是CO₂通过颗粒的多孔网络的扩散。

此外，为了确保气体的有效传质，这是快速循环过程中高的吸附和解吸动力学的关键参数，需要高度连接的大孔网络来提供微孔网络。的确，在过去，已经付出了许多努力来致力于创造分层多孔材料。通常仅中孔已被引入微孔材料中，并且已经证明这些中孔的存在没有充分地增加吸附和解吸动力学以在快速吸附/解吸过程中使用该材料。

对于高传质的另一个重要方面是将吸附剂组装到高纵横比的结构中。出于这个原因，整料和蜂巢状物是非常希望的。甚至更希望的是具有低壁厚的整料和/或蜂窝状结构。的确，低壁厚应该为高传质和传热提供明显优势。

通常通过将多孔碳粉与粘合剂混合并且通过将所得混合物压制成合适的形状来制造碳整料。作为实例，US 6,284,705涉及含碳蜂窝状整料，其通过活性碳颗粒与有机粘合剂和陶瓷形成材料的混合物的挤出来制成。向这些混合物中任选地添加稳定剂、加工助剂...在挤出之后，使整料达到高温以引起该有机粘合剂的碳化和封装多孔碳颗粒的陶瓷涂层的形成。在此途径中使用的粘合组分可能阻碍孔隙率的获得，并且是所得整料中的碳含量稀释的原因。尤其是在陶瓷材料的情况下，因此减低对于分离应用必要的吸附气体的能力。

已经考虑各种前体在惰性气氛下的碳化以生产有效含碳材料。通常，碳化之后是在氧化气氛下的活化步骤以增加表面积，使得材料可以用作多孔碳。