[发明专利]一种多孔纳米炭材料的制备方法及其在分离丙烯/丙烷中的应用

说明书

本发明提供一种多孔纳米炭材料的制备方法及其在分离丙烯/丙烷中的应用，在炭化工艺中选用氧化性或还原性气体与惰性气体进行混合，氧化性或还原性气体与惰性气体的体积比为1:500‑1:20，混合气的总流量为50‑500mL/min，利用在热解过程中，氧化性或还原性气体直接参与炭前驱体聚合物的缩合、热缩聚和稠环化反应，促进类石墨的碳微晶生成、堆积，并在热解过中侵蚀炭材料的表面，使闭孔开放，形成均匀的超微孔和大微孔容结构。本发明不需要添加金属助剂和二次活化过程就可以获得超微孔孔径分布集中、微孔容积大的多孔纳米炭材料，实现具有高吸附量、高选择性和快速扩散速率的Csubgt;3/subgt;Hsubgt;6/subgt;/Csubgt;3/subgt;Hsubgt;8/subgt;分离过程，具有广泛的工业前景。

技术领域

本发明属于气体分离领域，涉及一种多孔纳米炭材料的制备方法及其在分离丙烯/丙烷中的应用。

背景技术

丙烯(C₃H₆)和丙烷(C₃H₈)都是重要的高价值化学品。其中，C₃H₆是制造世界第二大合成塑料聚丙烯的重要原料，近年来全球范围内C₃H₆需求量大幅提高，而C₃H₈常用做冷冻剂和内燃机燃料，广泛用于日常生活中。然而，石化工业中的C₃H₆和C₃H₈经常以混合物形式存在，需要将其分离，分别得到高纯度的C₃H₆和C₃H₈，才能满足产品市场的需求。

目前报道的用于吸附分离C₃H₆/C₃H₈混合气的多孔固体吸附剂主要包括晶体材料、分子筛和新型多孔炭材料。由于多孔炭材料具有好的耐水汽特性和结构稳定性，具有更实际的应用前景。已经公开的用于C₃H₆/C₃H₈分离的多孔炭固体吸附剂制备过程中需要添加金属离子或经过二次活化处理得到具有合适孔隙的多孔炭材料。例如，中国专利CN113620289以大米为碳源，分别经过铁盐溶液浸渍处理、炭化和CO₂活化过程制备了微孔-大孔结构的多孔炭吸附剂，但是C₃H₆吸附量相对较低(2.2mmol g^-1)；中国专利CN 110436462以淀粉为碳源，在有机添加剂和金属盐助剂的存在下，经过离子交换反应至少8h，随后经过炭化、二次活化制备了超微孔炭分子筛吸附剂。尽管这些多孔炭吸附剂提高了C₃H₆/C₃H₈的分离选择性，但是，多孔炭材料制备过程中采用两步炭化-活化工艺，制备步骤繁琐，且其微观形貌为无规则块体，纳米尺度下较长的扩散路径限制了气体分子的扩散传质过程，降低了传质速率，进而影响其分离效率。中国专利CN 111229164采用一步炭化过程制备了孔隙贯通的微孔纳米炭吸附剂，尽管提高了材料的传质速率，但是材料孔容小(0.15cm³/g)，孔径分布较宽，导致吸附量低。目前，多孔炭吸附剂在C₃H₆/C₃H₈分离中面临高吸附量、高选择性和快速扩散速率难兼容的问题。

发明内容