一種真空冷凍干燥制備氣體吸附用微孔活性炭的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種真空冷凍干燥制備氣體吸附用微孔活性炭的方法。其特征在于：將農(nóng)林廢棄物粉碎制成粉末并浸漬在蒸餾水中，過濾后進(jìn)行低溫冷凍，取出后迅速放入真空冷凍干燥機(jī)上干燥300min～600min；經(jīng)干燥后的粉末，進(jìn)一步粉碎至60～100目，再放入微波反應(yīng)器中進(jìn)行微波碳化；將炭化料浸漬在碳酸鹽復(fù)合活化劑溶液中，在超聲波下超聲攪拌30～100min；最后將炭化料放入氣氛爐中活化；冷卻至室溫取出，經(jīng)洗滌、干燥即得氣體吸附用微孔活性炭。本發(fā)明使用碳酸鹽為活化劑具有環(huán)境污染小的優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)條件要求低，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)工藝簡單，所制得的活性炭具有豐富的微孔結(jié)構(gòu)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
【專利說明】一種真空冷凍干燥制備氣體吸附用微孔活性炭的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于活性炭制備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種真空冷凍干燥制備氣體吸附用微 孔活性炭的方法。 技術(shù)背景
[0002] 活性炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積和優(yōu)良的吸附性能，是一種廣譜型 的多孔材料，近年來已廣泛用于液相、氣體的吸附、存儲以及分離等領(lǐng)域。活性炭的吸附 性能主要取決于自身發(fā)達(dá)的孔隙和巨大的比表面積，根據(jù)IUPAC可將活性炭孔徑分為微孔 (< 2 nm)、中孔（2 ?50nm)和大孔（> 50 nm)。
[0003] 對于氣體吸附而言，氣體分子的分子尺寸通常小于1. Onm，需用微孔比較發(fā)達(dá)的活 性炭。制備微孔活性炭的方法主要采用物理活化法，物理活化法是將原料先炭化，然后再用 水蒸氣或者二氧化碳進(jìn)行活化。雖然物理活化法制備的活性炭微孔發(fā)達(dá)，但對氣體的吸附 能力不高，因此，化學(xué)活化法特別是K 2C03化學(xué)活化法受到更多的重視，這是由于K2C03化學(xué) 活化法制備活性炭時，既具有二氧化碳類似于水蒸氣的物理活化作用，又具有K 20的化學(xué)催 化活化功能，這種催化功能使吸附性能得以提高。
[0004] 一般的制備活性炭的過程是在炭化過程對原料進(jìn)行干燥，但這干燥過程會因為水 分的流失而引起材料皺縮、坍塌，使碳骨架遭到破壞，不利于活性炭的制備。真空冷凍干燥 是一種脫水過程，它在許多生物化學(xué)與制藥應(yīng)用中是不可缺少的。它被用來獲得可長時期 保存的生物材料，例如微生物培養(yǎng)、酶、血液、與藥品。經(jīng)過蒸餾水浸泡，并達(dá)到飽和后，蒸餾 水填充到生物質(zhì)原料的孔隙中，過濾后經(jīng)過低溫冷凍，填充在樣品孔隙中水分凝固成冰。把 冷凍的樣品放入真空冷凍干燥機(jī)里，一方面是真空系統(tǒng)進(jìn)行抽真空把一部分水分帶走；另 一方面是物料受凍時把某些分子所含水分排到材料的表面凍結(jié)。達(dá)到冷凍要求后，由加熱 系統(tǒng)對物料加熱干燥，通過抽真空把材料中所含的水份抽離原料，達(dá)到材料冷凍干燥的要 求。傳統(tǒng)的干燥可能會引起材料皺縮，破壞細(xì)胞。真空冷凍干燥可以作為一個填補(bǔ)并穩(wěn)固 碳源材料孔結(jié)構(gòu)的方法，實現(xiàn)了固態(tài)冰直接升華成氣態(tài)的水蒸氣，避免了碳骨架的孔結(jié)構(gòu) 在去除水分子過程中逐漸收縮坍塌。超微孔結(jié)構(gòu)以及微孔結(jié)構(gòu)中填充的水凝固成固相冰， 在進(jìn)行冷凍擴(kuò)孔的同時，防止碳骨架的孔結(jié)構(gòu)在去除水分過程中收縮坍陷，起到了支撐碳 骨架的作用。
[0005] 目前尚未見以真空冷凍干燥處理原料、以碳酸鉀和另一種碳酸鹽為復(fù)合活化劑制 備微孔活性炭的報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明公開一種真空冷凍干燥制備氣體吸附用微孔活性炭的方法，即以真空冷凍 干燥處理原料、以碳酸鉀和另一種碳酸鹽為復(fù)合活化劑制備微孔活性炭的方法。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案： 1、將農(nóng)林廢棄物粉碎制成0. 3?0. 7cm的粉末，取粉末浸漬在蒸餾水中12?15h，過濾 后進(jìn)行低溫冷凍，低溫在_30°C?-40°C之間，冷凍時間為400min?800min，取出后迅速放 入真空冷凍干燥機(jī)上干燥300min?600min ; 2、經(jīng)干燥后的粉末，進(jìn)一步粉碎至60?100目，再放入微波反應(yīng)器中，通入N2，調(diào)整微 波功率為500W?1000W、碳化溫度300?500°C ;進(jìn)行微波碳化50?lOOmin后，冷卻至室 溫得炭化料。
[0008] 3、將炭化料浸漬在10?50%的碳酸鹽復(fù)合活化劑溶液中，在超聲波功率300W? 500W下超聲攪拌30?lOOmin。
[0009] 4、然后將浸漬后的炭化料放入氣氛爐中在700?900°C下活化100?300min，冷 卻至室溫取出，經(jīng)洗滌、干燥即得氣體吸附用微孔活性炭。
[0010] 本發(fā)明所指的碳酸鹽復(fù)合活化劑為碳酸鉀與碳酸鈉或碳酸鋰的組合，碳酸鉀與碳 酸鈉或碳酸鋰的質(zhì)量比為2:1?2。
[0011] 本發(fā)明所指農(nóng)林廢棄物無患子果殼、茶葉渣、稻殼、棕櫚殼、竹片或木屑。
[0012] 本發(fā)明使用碳酸鹽為活化劑具有環(huán)境污染小的優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)條件要求低，生產(chǎn)成本 低，生產(chǎn)工藝簡單，所制得的活性炭具有豐富的微孔結(jié)構(gòu)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

【具體實施方式】
[0013] 以下是本發(fā)明的幾個具體實施例，進(jìn)一步說明本發(fā)明，但是本發(fā)明不僅限于此。
[0014] 實施例1 將無患子粉碎至0. 3?0. 5cm。取lOOOg放入2000ml蒸饋水中浸漬12h，過濾后在-30°c 冷凍400min，迅速將冷凍好的原料放入真空冷凍干燥機(jī)上干燥300min。取真空冷凍干燥好 的l〇〇g無患子粉碎至60目后放入微波反應(yīng)器中，通入N 2，調(diào)整微波功率為800W，在350°C 下進(jìn)行微波碳化l〇〇min后，冷卻至室溫得炭化料。將20g的炭化料浸漬在質(zhì)量濃度為50% 的由l〇g碳酸鉀與l〇g碳酸鋰組成的復(fù)合活化劑溶液中，在超聲波功率500W下超聲攪拌 lOOmin。然后將浸漬后的炭化料放入氣氛爐中在900°C下活化30min，冷卻至室溫取出，經(jīng) 洗滌、干燥即得活性炭。經(jīng)測試制備的活性炭平均孔徑為〇. 89nm，微孔孔容達(dá)0. 6692cm3/g 實施例2 將棕櫚殼粉碎至0.5?0.7 cm。取1000g放入2000ml蒸餾水中浸漬12h，過濾后 在-40°C冷凍600min，迅速將冷凍好的原料放入真空冷凍干燥機(jī)上干燥600min。取真空冷 凍干燥好的l〇〇g棕櫚殼粉碎至100目后放入微波反應(yīng)器中，通入N 2，調(diào)整微波功率為500W， 在400°C下進(jìn)行微波碳化80min后，冷卻至室溫得炭化料。將10g的炭化料浸漬在質(zhì)量濃度 為30%的由10g碳酸鉀與5g碳酸鈉或碳酸鋰組成的復(fù)合活化劑溶液中，在超聲波功率500W 下超聲攪拌70min。然后將浸漬后的炭化料放入氣氛爐中在800°C下活化200min，冷卻至 室溫取出，經(jīng)洗滌、干燥即得活性炭。經(jīng)測試制備的活性炭平均孔徑為0. 98nm，微孔孔容達(dá) 0. 7532cm3/g 實施例3 將木屑粉碎至〇. 5?0. 6cm。取1000g放入2000ml蒸餾水中浸漬12h，過濾后在-30°C 冷凍800min，迅速將冷凍好的原料放入真空冷凍干燥機(jī)上干燥600min。取真空冷凍干燥好 的l〇〇g木屑粉碎至100目后放入微波反應(yīng)器中，通入N 2，調(diào)整微波功率為1000W，在350°C下 進(jìn)行微波碳化90min后，冷卻至室溫得炭化料。將10g的炭化料浸漬在質(zhì)量濃度為20%的由 log碳酸鉀與8g碳酸鈉或碳酸鋰組成的復(fù)合活化劑溶液中，在超聲波功率400W下超聲攪拌 lOOmin。然后將浸漬后的炭化料放入氣氛爐中在850°C下活化300min，冷卻至室溫取出，經(jīng) 洗滌、干燥即得活性炭。經(jīng)測試制備的活性炭平均孔徑為1. 〇5nm，微孔孔容達(dá)0. 8706cm3/g 實施例4 將茶葉渣粉碎至0. 5?0. 7cm。取1000g放入2000ml蒸餾水中浸漬12h，過濾后在-40°C 冷凍500min，迅速將冷凍好的原料放入真空冷凍干燥機(jī)上干燥600min。取真空冷凍干燥好 的l〇〇g茶葉渣粉碎至80目后放入微波反應(yīng)器中，通入N 2，調(diào)整微波功率為1000W，在500°C 下進(jìn)行微波碳化80min后，冷卻至室溫得炭化料。將20g的炭化料浸漬在質(zhì)量濃度為100% 的由20g碳酸鉀與15g碳酸鋰組成的復(fù)合活化劑溶液中，在超聲波功率500W下超聲攪拌 80min。然后將浸漬后的炭化料放入氣氛爐中在780°C下活化lOOrnin，冷卻至室溫取出，經(jīng) 洗滌、干燥即得活性炭。經(jīng)測試制備的活性炭平均孔徑為〇. 83nm，微孔孔容達(dá)0. 6425cm3/g。
【權(quán)利要求】
1. 一種真空冷凍干燥方法制備氣體吸附用微孔活性炭的方法，其特征在于 1) 將農(nóng)林廢棄物粉碎制成〇. 3?0. 7cm的粉末，取粉末浸漬在蒸餾水中12?15h，過 濾后進(jìn)行低溫冷凍，低溫在_30°C?_40°C之間，冷凍時間為400min?800min，取出后迅速 放入真空冷凍干燥機(jī)上干燥300min?600min ; 2) 經(jīng)干燥后的粉末，進(jìn)一步粉碎至60?100目，再放入微波反應(yīng)器中，通入N2，調(diào)整微 波功率為500W?1000W、碳化溫度300?500°C ;進(jìn)行微波碳化50?lOOmin后，冷卻至室 溫得炭化料； 3) 將炭化料浸漬在10?50%的碳酸鹽復(fù)合活化劑溶液中，在超聲波功率300W?500W 下超聲攪拌30?lOOmin ; 4) 然后將浸漬后的炭化料放入氣氛爐中在700?900°C下活化100?300min，冷卻至 室溫取出，經(jīng)洗滌、干燥即得氣體吸附用微孔活性炭。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種真空冷凍干燥方法制備氣體吸附用微孔活性炭的方法， 其特征在于所述的生物基是指無患子果殼、茶葉渣、稻殼、棕櫚殼、竹片或木屑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種真空冷凍干燥方法制備氣體吸附用微孔活性炭的方法， 其特征在于所指的碳酸鹽復(fù)合活化劑為碳酸鉀與碳酸鈉或碳酸鋰的組合，碳酸鉀與碳酸鈉 或碳酸鋰的質(zhì)量比為2:1?2。
【文檔編號】C01B31/12GK104140100SQ201410402982
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年8月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月18日
【發(fā)明者】陳登龍, 王勇, 劉金玲, 黃秀萍, 伍毓強(qiáng) 申請人:福建師范大學(xué)