[发明专利]一种具有层次孔结构沥青基球形活性炭的制备方法

说明书

本发明涉及一种具有层次孔结构沥青基球形活性炭的制备方法，该方法制得的沥青基球形活性炭密度为0.4～0.85g/cm³、比表面积为100～1600m²/g、微孔含量为60～75％、中孔含量为25～15％、大孔含量为15～10％。本发明方法具体以软化点为240～280℃的高软化点煤沥青为原料，采用螺杆挤出混合技术将高软化点煤沥青、精萘、高温易裂解物质和金属盐进行均匀混合，利用精萘、高温易裂解物质和金属盐不同的造孔机理，最终形成兼具“大孔‑中孔‑微孔”层次孔结构沥青基球形活性炭。本发明的孔结构控制方法工艺简单，可拓展沥青基球形活性炭在民用、工业、航天航空等领域中的广泛应用。

技术领域

本发明涉及一种具有层次孔结构沥青基球形活性炭的制备方法，尤其是涉及一种兼具“大孔-中孔-微孔”层次孔结构沥青基球形活性炭的制备方法及其沥青基球形活性炭。

背景技术

沥青基球形活性炭，是指以高软化点煤沥青(软化点240～280℃)为原料，通过球化、萃取分离、氧化不熔化、炭化和水蒸气活化而制得的新型碳质多孔材料。同普通粒状活性炭、柱状活性炭或粉体活性炭相比，沥青基球形活性炭在装填密度、强度、电解吸等方面具有明显的性能优势。另外，沥青基球形活性炭属于军民融合新材料，在国防重点工程、高精尖武器装备、医药、电子、空气与水净化等方面具有广泛的应用前景。

沥青基球形活性炭的孔结构形成机理如下：1)在高软化点煤沥青中均匀混合10～35％的精萘，制成含萘沥青颗粒；2)含萘沥青颗粒成球之后，采用有机溶剂萃取的方法，将含萘沥青球中的萘分离出来，形成原始的孔隙，制成含孔沥青球；3)含孔沥青球经过氧化不熔化、炭化之后，在800～950℃与水蒸气进行活化反应。由于含孔沥青球中的孔为原子级别的超微孔，且在后续氧化不熔化、炭化过程中发生收缩；在水蒸气活化过程中，H₂O分子将扩散进入这些超微孔中与基体碳发生系列水蒸气活化反应，最终形成2nm以内的微孔。

沥青基球形活性炭独特的球形结构及其高强度、微孔结构特征，使其对CO²之类小分子具有较高的吸附选择性。但在沥青基球形活性炭的实际应用过程中，需要同时选择性吸附分子动力学直径不同的分子，因此需要构建兼具“大孔(孔径大于50nm的孔)-中孔(孔径为2～50nm的孔)-微孔(孔径小于2nm的孔)”的层次孔结构。另外，兼具“大孔-中孔-微孔”层次孔结构的沥青基球形活性炭，其比表面积、孔容要高于单一微孔结构的沥青基球形活性炭，因此采用变压吸附时，其对特种分子的吸附容量也将提高。目前，尽管有文献报道采用二氧化碳二次活化法可以提高沥青基球形活性炭的比表面积和中孔孔容，但该方法工艺复杂、成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有层次孔结构沥青基球形活性炭的制备方法，具体提供一种密度为0.4～0.85g/cm³、比表面积为100～1600m²/g、微孔含量为60～75％、中孔含量为25～15％、大孔含量为15～10％的沥青基球形活性炭的孔径控制方法。

该方法，具体以高软化点煤沥青为原料，在高软化点煤沥青中均匀混合一定比例的精萘、高温易裂解物质和金属盐，利用精萘、高温易裂解物质和金属盐不同的造孔机理，最终形成兼具“大孔-中孔-微孔”层次孔结构沥青基球形活性炭。

首先，含萘沥青球脱除精萘后，会在沥青球内部形成初始的孔隙，这些初始的孔隙将为后续的氧化不熔化、炭化和水蒸气活化提供反应介质扩散通道，并在800～950℃的水蒸气活化过程水蒸气与基体碳发生系列活化反应形成微孔。

其次，利用高温易裂解物质在氧化不熔化、炭化过程中的裂解反应特性，在基体碳中形成部分大孔和中孔。

最后，基于过渡金属在800～950℃的高温下参与的催化反应生成CO₂、CO的过程中形成中孔。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下具体技术方案：