催化活性碳结构体及使用和制造方法技术

本公开通常涉及催化活性碳结构体和使用此类催化活性碳结构体从流体流中去除含硫化合物的方法。在某些方面，该催化活性碳结构体包含富氮活性碳、氧化亚铜和粘合剂，其中该富氮活性碳包括该富氮活性碳总重量的大约0.5重量％至大约10重量％的氮，所述氮的至少大约30重量％是具有通过XPS测定的至少398.0eV的结合能的芳族氮物类。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉参考本申请要求2013年9月13日提交的题为“CatalyticActivatedCarbonHoneycombsandMethodsofRemovingSulfur-ContainingCompoundsfromFluidStream”的美国临时专利申请系列号61/877,535的优先权，其公开内容经此引用全文并入本文。专利
本公开通常涉及催化活性碳结构体以及使用此类催化活性碳结构体从流体料流中除去含硫化合物的方法。专利技术背景恶臭的含硫化合物在许多环境中出现，如石油仓储区、污水处理设备、废水处理厂和工业设备，如石化炼油基地、纸浆和纸张生产基地。在这些环境中，恶臭的硫化氢(H2S)气体是存在令人讨厌的气味的主要原因，以及其它含硫恶臭化合物如烷基硫化物、二甲硫醚、二甲基二硫化物和甲硫醇。活性碳已知从气相和水相中除去硫化氢。但是，反应速率和在活性碳上的硫化氢载量限制了经济可行性。例如，具有含硫化合物的流体流通常通过颗粒状或纤维状活性碳吸附剂床以除去含硫化合物。当颗粒状或纤维状活性碳用作吸附剂时，该吸附剂床具有高流动阻力，并因此显著消耗大量的运行能量。此外，该恶臭含硫化合物通常以难以有效除去所有这些恶臭含硫化合物的极低浓度存在于气流中。H2S去除的低劣的动力学速率和活性碳的低H2S吸附容量限制了活性碳用于去除气流中的H2S的经济可行性。典型的煤基活性碳具有仅0.01至0.02g/cc的H2S吸附容量，并且H2S去除的效率常常低下。因此，需要大量活性碳来去除恶臭含硫化合物。已经努力改善活性碳的H2S吸附容量。例如，某些制剂已经实现了大约0.09至0.11g/cc的H2S吸附容量。但是，在该水平下的H2S吸附容量改善仍然限制活性碳用于去除含有少量H2S如小于大约0.1ppm的流体流中的H2S的经济可行性。在另一实例中，已经用氢氧化钠(NaOH)和水分浸渍颗粒化活性碳。该活性碳的孔隙结构在一定程度上填充有苛性NaOH，由此降低了浸渍活性碳的吸附容量。此外，苛性钠浸渍的活性碳可能易受不可控的热漂移(thermalexcursion)的影响，所述热漂移来自于苛性钠浸渍引发的放热反应和抑制的燃烧温度。更近来在改善活性碳的H2S吸附容量方面的尝试包括用金属氧化物浸渍活性碳或形成含有金属氧化物(例如Ca、Mg、Ba或其组合)的基质。但是，此类过滤器仅分别展现出大约0.1至0.3g/cc和0.26g/cc的H2S吸附容量。该活性碳-金属氧化物基质通过以下方法来制备：预氧化碳材料、研磨该预氧化的碳材料；将研磨的预氧化材料与Ca、Mg、Ba或其组合的氧化物混合以形成碳混合物；将碳混合物挤出为所需结构体；碳化并活化该挤出物。但是发现，此类制备方法留下了显著量的不可用于反应的活性剂。金属氧化物浸渍的活性碳介质通过以下方法制备：将该活性碳成型为所需结构体；通过用Mg盐、Ca盐或两种金属的盐的溶液喷洒该活性碳结构体，从而用该盐溶液浸渍成型的活性碳介质；并将该金属盐转化为金属氧化物。但是，纯金属氧化物因为它们的低孔隙体积和表面积而对H2S的容量有限，并且H2S的氧化反应太慢以至于并未实际应用于气味控制。此外，纯金属氧化物没有表现出对不与该基底反应的有机化合物的显著吸附容量。结果，这些金属氧化物与商业化无关。由此，现有的活性碳吸附剂受困于许多众所周知的缺点，包括：活性碳对H2S的容量低，活性碳具有H2S去除的缓慢的动力学速率；吸附容量低，相对高的量的金属氧化物必须遍布该碳基质分散，和高的流动阻力。因此，合意的是具有活性碳吸附剂，其具有改善的H2S吸附容量，提高的H2S去除的动力学速率和低流动阻力。专利技术概述目前描述的是具有高H2S吸附容量、提高的H2S去除的动力学速率和低流动阻力的吸附剂介质或材料。因此，在某些方面，本说明书提供催化活性碳材料、其制造方法和使用其从流体流中去除H2S的方法。在一个方面，本说明书提供了一种催化活性碳材料，其包含包括富氮活性碳、氧化亚铜和粘合剂的基质。在某些实施方案中，该富氮活性碳包括该富氮活性碳总重量的大约0.5重量％至大约10重量％的氮。在附加实施方案中，该富氮活性碳中的氮的至少30重量％、40重量％、50重量％、60重量％、70重量％、80重量％、90重量％或100重量％包括具有使用XPS测定的至少大约398.0eV的结合能的芳族氮物类。在附加实施方案中，该富氮活性碳中的氮的至少30重量％、40重量％、50重量％、60重量％、70重量％、80重量％、90重量％或100重量％包括具有使用XPS测定的至少大约398.0eV至大约403.1eV的结合能的芳族氮物类。在某些附加实施方案中，该富氮活性碳中的氮的至少30重量％、40重量％、50重量％、60重量％、70重量％、80重量％、90重量％或100重量％包括具有使用XPS测定的至少大约398.0eV至大约401.3eV的结合能的芳族氮物类。在另一方面，本说明书提供了经煅烧的催化活性碳材料，其包含包括富氮活性碳、氧化亚铜和粘合剂的基质，其中该基质材料在大约500℃至大约1200℃的温度下煅烧或加热。在某些实施方案中，该基质材料在大约900℃至大约1100℃的温度下煅烧或加热。在某些实施方案中，该基质材料在大约1100℃下煅烧或加热大约1至大约10小时.在某些附加实施方案中，该材料在大约1100℃下煅烧或加热大约3小时。在某些实施方案中，本说明书提供了如本文中所述的催化活性碳材料，其中该催化活性碳材料充分煅烧以提高以下的至少一种：ASTMH2S结合容量、季芳族氮物类(即具有通过XPS测定的至少401.3eV的结合能的芳族氮)的量、H2S去除效率或其组合。在某些实施方案中，该催化活性碳材料在足够的温度下煅烧足够的时间以实现提高的ASTMH2S结合容量和/或效率。在某些实施方案中，在1ppmH2S下并采用大约100ft/min至大约500ft/min的流体流流速测定H2S去除效率。在某些附加实施方案中，如本文中所述的催化活性碳材料在足够的温度和持续时间下煅烧以实现在大约100ft/min至大约500ft/min的流体流流速下测定的在1ppmH2S下至少大约80％的提高的H2S结合的去除效率。在某些附加实施方案中，如本文中所述的催化活性碳材料在大约500℃至大约1200℃的温度下煅烧大约1至大约10小时，其中经煅烧的催化活性碳表现出在大约100ft/min至大约500ft/min的流体流流速下测定的在1ppmH2S下至少大约80％的提高的H2S结合的去除效本文档来自技高网...

【技术保护点】
催化活性碳材料，包含：包括富氮活性碳、氧化亚铜和粘合剂的基质，其中所述富氮活性碳包括所述富氮活性碳总重量的大约0.5重量％至大约10重量％的氮，所述氮的至少大约30重量％是具有通过XPS测定的至少398.0eV的结合能的芳族氮物类，和其中所述基质材料成型为三维结构体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.09.13 US 61/877,5351.催化活性碳材料，包含：
包括富氮活性碳、氧化亚铜和粘合剂的基质，
其中所述富氮活性碳包括所述富氮活性碳总重量的大约0.5重量％至大约10重量％的
氮，所述氮的至少大约30重量％是具有通过XPS测定的至少398.0eV的结合能的芳族氮物
类，和
其中所述基质材料成型为三维结构体。
2.权利要求1的材料，其中所述材料以所述材料总重量的10重量％至大约80重量％的
量包含所述富氮活性碳。
3.权利要求1的材料，其中所述材料以所述材料总重量的5重量％至大约50重量％的量
包含所述氧化亚铜。
4.权利要求1的材料，其中所述氧化亚铜具有小于大约40微米的D90粒度。
5.权利要求1的材料，其中所述三维结构体是具有每平方英寸大约10至大约1500个单
元的单元密度的蜂窝。
6.权利要求5的材料，其中所述材料具有大约200m2/g至大约3000m2/g的BET表面积。
7.权利要求1的材料，其中所述氮的至少大约50重量％是具有通过XPS测定的大约
398.0eV至大约403.1eV的结合能的芳族氮物类。
8.权利要求1的材料，其中所述富氮活性碳由包含选自木材、木屑、木粉、棉籽绒、泥炭、
煤、褐煤、石油沥青、石油焦、煤焦油沥青、碳水化合物、椰子、果渣、果核、坚果壳、坚果核、锯
屑、棕榈、蔬菜、合成聚合物、天然聚合物、木质纤维素材料及其组合的一员的碳前体形成。
9.权利要求1的材料，其中所述粘合剂包含选自陶瓷、粘土、堇青石、助熔剂、玻璃陶瓷、
金属、莫来石、瓦楞纸、有机纤维、树脂粘合剂、滑石、氧化铝粉末、氧化镁粉末、二氧化硅粉
末、高岭土粉末、可烧结无机粉末、易熔玻璃粉末及其组合的一员。
10.按照包括以下步骤的方法制备的催化活性碳材料：
(a)活化碳前体或热解活性碳，同时使所述碳材料与至少氨接触以提供富氮活性碳；
(b)将所述富氮活性碳与氧化亚铜和粘合剂混合；和
(c)由(b)的混合物成型三维结构体。
11.制备催化活性碳材料的方法，包括：
(a)活化碳前体或热解活性碳，同时使所述碳材料与含氮化合物接触以提供富氮活性
碳，其中所述富氮活性碳包括所述富氮活性碳总重量的大约0.5重量％至大约10重量％的
氮，其中所述氮的至少大约30重量％是具有通过XPS测定的至少大约398.0eV的结合能的芳
族氮物类；
(b)将所述富氮活性碳与氧化亚铜和粘合剂混合；和
(c)由(b)的混合物成型蜂窝结构体。
12.权利要求11的方法，其中通过热解活化碳前体的步骤在使所述活性碳接触或暴露
于所述含氮化合物之前进行。
13.权利要求12的方法，其中所述活性碳在至少大约700℃的温度下在所述含氮化合物
的存在下热解以提供富氮活性碳。
14.权利要求11的方法，其中所述含氮化合物是氨。
15.权利要求11的方法，其中活化碳前体的步骤包括热解所述碳前体，同时使所述碳材
料与包含氨和含氧气体的气体流接触。
16.权利要求15的方法，其中所述碳前体在大约800℃至大约1200℃的温度下热解，同
时使所述碳材料与比例最高至90:10的含氧气体和氨气接触足以从所述碳前体中去除表面
氧化物的时间。
17.权利要求11的方法，其中活化碳前体的步骤包括在高于700℃的温度下热解所述碳
前体，同时使所述碳材料与包含氨的气体流接触。
18.从流体流中去除含硫化物的化合物的方法，所述方法包括使权利要求1的催化活性
碳材料与包含含硫化物的化合物的流体流接触。
19.权利要求18的方法，其中所述流体流是包含含硫化物的化合物的气体流、液体流或
二者。
20.权利要求19的方法，其中所述含硫化物的化合物包含硫化氢。
21.经煅烧的催...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·I·汤姆森，C·D·纳斯科，
申请(专利权)人：米德韦斯特瓦科公司，
类型：发明
国别省市：美国;US