[发明专利]孔径可控的球形活性炭的制备方法及其产物和用途

说明书

本发明属于吸附材料技术领域，本发明提供球形活性炭的制备方法及其产物和用途。发明人惊讶地发现，使用本发明的制备方法，通过调控活化的处理气氛和处理温度，能够以良好的收率和较低的成本制备得到孔径可调的球形活性炭，例如孔径为3‑8nm的球形活性炭的质量含量高达95％以上。故可以通过工艺的选择实现不同孔径的球形活性炭的制备，以满足不同领域的需求。并且，所述活性炭还具有优异的吸附特性，可以高效地吸附有害性气体，如CO、H₂S、HCl、SO₂、NO_X中的一种或多种；或者，所述球形活性炭用于食品工业中，如作为准备和/或脱色食品。

技术领域

本发明属于吸附材料技术领域，特别涉及孔径可控的球形活性炭的制备方法及其产物和用途。

背景技术

活性炭具有宽泛的非特异性吸附性能，并且因此是最广泛使用的吸附剂。活性炭通常是通过对含碳起始化合物进行碳化，随后进行活化来获得的，所述的含碳起始化合物优选是这样的能够产生经济合理的产率的化合物。这是因为在碳化过程中挥发性成分的离去以及随后在活化过程中的烧尽而产生的重量损失是显著的。

球形活性炭相对于其他形式的活性炭例如粉末碳，碎片状碳，粒状碳，成型碳等而言具有众多的优点，这使得其对于某些应用而言是有用的或者甚至是必不可少的：它是自由流动的，耐磨损的或者更准确的说不起灰尘的，以及硬的。球形活性炭对于例如特定的应用领域而言是非常需要的，这是因为它特定的形状，以及还因为它高的耐磨损性。

球形活性炭今天仍然主要是通过多阶段和非常昂贵的方法来生产的。最广为人知的方法包括由石煤焦油沥青和来自石化工业的合适的沥青残留物来生产小球体，氧化所述的沥青以使得它们不可熔化，然后低温碳化和活化。例如，球形活性炭还可以在多阶段方法中由沥青来制造。这些多阶段方法是非常昂贵的，并且这种球形活性炭相关的高成本阻止了许多的应用，在这些应用中球形活性炭因为其性能而本应是优选的。

活性炭的孔径分布(poresizedistribution,PSD)决定了活性炭可吸附的物质尺寸。高比表面积活性炭的孔径大都集中在微孔(r2nm)范围内,对吸附气相和液相中的小分子相当有利，但是当吸附质是聚合物、染料或维生素等物质的时候，只有中孔(2nmr50nm)和大孔(r50nm)可以允许这样的大分子进入。大体来说，气相吸附应以微孔结构为主(占总孔容积的70％-90％)，且孔径分布集中；用于水处理、食品脱色、催化剂载体、血液净化、溶剂回收等领域时，要含有较多的中孔(50％-70％)，以保证尽快达到吸附平衡。中孔活性炭材料在电极材料的制备方面也具有很好的应用。因此，根据用途对吸附剂性能的要求研究制备具有特定孔径结构活性炭的方法具有重大的意义。

对于球形活性炭的生产工艺有很多，例如采用含碳原始材料经过碳化和活化处理，分别调控各个阶段的处理工艺参数，实现球形活性炭的制备。但是，当使用现有工艺制备球形活性炭时，还存在诸多缺陷。例如，现有工艺制备的活性炭的孔径往往不可控，其孔径分布较广，如微孔、中孔和大孔均存在，实际应用范围受到较大限制。因此，还需要开发更为稳定、适合规模化生产的孔径可控的活性炭制备方法。

发明内容

为了改善现有技术的不足，本发明提供一种孔径可控的球形活性炭的制备方法，包括如下步骤：

1)将球形聚合物或球形含碳生物质材料碳化；

2)将步骤1)得到的产物在含有惰性气体和水蒸气的气氛中进行第一次活化反应；

3)将步骤2)得到的产物在含有惰性气体、水蒸气和二氧化碳的气氛中进行第二次活化反应，制备得到孔径在3-8nm范围内的球形活性炭。

根据本发明，步骤1)中，所述含碳生物质材料选自果壳、椰壳、蔗渣、木材等。所述含碳生物质材料在使用前将其预制备得到球形结构，再进行碳化处理。