[发明专利]活性炭及其制造方法

说明书

本发明总体上涉及活性炭的形成方法。活性炭的形成方法包括将炭黑与活化催化剂混合并加热炭黑以形成活性炭。本发明还涉及本文公开的活性炭的应用。在优选实施方案中，活化催化剂选自过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾、或其组合。

技术领域

本发明总体上涉及活性炭的形成方法。本发明还涉及本文公开的活性炭的应用。

背景技术

近几十年来，碳废料的焚烧对环境造成了严重的空气和土壤污染。这种作业引起了如对环境的潜在毒性和有价值材料的损失等问题。这种碳废料包含大量可用于各种工业应用的有价值的重金属和炭黑。从经济和环境的角度来看，从碳废料中回收低级碳并将其进一步转化为增值材料是必要的。取代焚烧，将炭黑废料转化为增值产品是全球社会的新兴领域。炭黑(CB)为具有纳米粒度的碳系材料。它们的显著性能包括大的表面积、优异的电子输送性质和化学性质。由于这些显著的性能，这些碳纳米材料已被开发用于各种应用，如水处理、颜料、光电子、太阳能收集、和导电性填料等。然而，CB的结构性能，主要是其粒度和孔隙率，在很大程度上取决于原料(石油、煤炭或天然气)和制造方法。从炭黑废料中浸出的炭黑由于其物理和化学性能差，而被认为是低级材料。结果，大量生产的CB浸渍材料的所得性能的一致性低。

已经开发了许多物理和化学处理方法，以将低级碳转化为高价值的最终产品。在蒸汽、空气、CO₂、N₂和惰性气体的存在下，现有的物理活化需要极高的温度(800℃)。化学活化涉及使用高危险化学品，如硝酸、磷酸、硫酸和氢氧化钾来进行以引起活化。物理活化的高能耗和化学活化期间的危险化学品使用是这些技术的主要缺点。

活性炭市场是供不应求的快速增长的市场。此外，由于上述问题，对生产设置的限制性规定越来越多。预计2025年全球市场潜力约为260亿美元，其中预计亚洲市场约为50亿美元。

希望克服或改善上述问题中的至少一个，或者至少提供有用的替代方案。

发明内容

本发明涉及活性炭的生产方法。特别是，本发明涉及通过结合化学和物理活化手段将低级炭黑(例如从炼油厂废料中提取的炭黑)转化为活性炭。这种活化策略提供了具有高表面积和吸附容量的活性炭，并且将有利地降低活性炭生产的加工成本和原材料成本。相比之下，目前制造活性炭的惯例来自木炭，这增加了活性炭的成本，因为木炭相对更贵。

本发明涉及一种活性炭的形成方法，其包括：

a)将炭黑与活化催化剂在极性溶剂中混合以形成混合物；和

b)将混合物在约350℃至约500℃下加热以形成活性炭；

其中炭黑与活化催化剂的重量比为约1:0.1至约1:0.5；和

其中活化催化剂选自过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾或其组合。

与使用蒸汽活化以在高于800℃的温度下生产活性炭的现有技术相比，本发明使用低成本催化剂和中等温度(500℃)将低级碳转化为活性炭。本发明也不需要蒸汽或加压系统来工作。进一步有利的是，与现有的活化方法相比，该方法具有更低的能量需求和更高的活性炭产率。其也可用于其它碳废料。

在一些实施方案中，将混合物在约400℃下加热至少3h。

在一些实施方案中，溶剂选自水、乙醇、乙二醇或其组合。

在一些实施方案中，溶剂是重量比为85:15的水和乙醇的混合物，重量比为85:15的水和乙二醇的混合物，或重量比为85:15的乙醇和乙二醇的混合物。

有利的是，溶剂能够使炭黑和活化催化剂充分混合(或完全混合)，使得活化催化剂可以至少吸附在炭黑的表面上。

在一些实施方案中，炭黑与溶剂的重量比为约1:5至约1:100。

在一些实施方案中，将混合物混合至少1h。