制造中孔碳的方法技术

技术编号:4539025 阅读:212 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
中孔碳和其制造方法,该方法先形成以固化后重量为基准的碳化产率大于约40%碳的高碳产率的碳前体和添加剂的混合物,所述添加剂可以是催化剂金属和/或以固化后重量为基准的碳化产率不大于约40%碳的低碳产率的碳前体。当使用催化剂金属时,以碳为基准,在随后碳化步骤后的催化剂金属的量不大于约1重量%。将混合物固化,将其中的碳前体碳化,再活化制成中孔活性炭。(*该技术在2018年保护过期,可自由使用*)

【技术实现步骤摘要】
本申请要求由Kishor P.Gadkaree在1998年2月10日申请的题为“中孔碳体”的美国临时申请60/074,241和由Gadkaree等人在1998年7月20日申请的题为“制造孔径分布在中孔范围内的碳的方法”的美国临时申请60/093,396的权益。本专利技术涉及一种使用低碳产率的碳前体和/或合适的金属催化剂化合物,从碳前体来制造各种孔径,一般大于30的碳的方法。这种按要求形成一定孔径分布的方法对提纯和催化用途来说是特别重要的。专利技术的背景活性炭可应用于各种用途,如空气和水的提纯、汽车挥发性排放物控制中的烃吸附和冷起动的烃吸附等。尽管微孔结构的碳(孔径小于20,并且BET表面积为1000-3000 m2/g)适用于许多用途例如气相(如轻质烃和H2S)吸附,但某些用途却需要较大孔径的碳,以达到最佳的吸附量和/或催化活性。例如,除了常规的气态污染物如烃外,为除去液相中较大分子量的污染物如腐黑物、蛋白质等或某些种类的农药则需要特定的表面性能和孔径分布。当催化或化学反应受到传质和传热的限制时,孔径较大的碳是适宜的。碳中的中孔孔隙对于合适的催化剂加入量和分散度来说有时同样是需要的。整体的活性炭,无论其形式是在基材上的涂层还是一定形状的活性炭结构体都可应用于各种用途,尤其是在要求耐用和低压力降的情况下,如某些使用强酸性或碱性溶剂或其它腐蚀性介质的化学反应中。金属催化剂一直应用于制造活性炭负载的催化剂,如在美国专利5488023中所披露的那样。然而,到目前为止,没有一种能制造例如可用于某些气相和液相用途以及催化用途的具有要求性能和孔隙特征的活性炭的方法。本专利技术的概述按本专利技术的一个方面,提供一种中孔碳和,该方法包括先形成碳化产率大于约40%碳(以固化后重量为基准)的高碳产率的碳前体和添加剂的混合物,所述添加剂可以是催化剂金属和/或碳化产率不大于约40%碳(以固化后重量为基准)的低碳产率的碳前体。当使用催化剂金属作为添加剂时,在随后碳化步骤后的催化剂金属的量,以碳为基准不大于约1重量%;然后将此混合物固化,将其中的碳前体碳化,再活化制成中孔活性炭。本专利技术的详细描述本专利技术涉及制造中孔活性炭的方法,它是将高碳产率的碳前体、低碳产率的添加剂和/或催化剂金属化合物混合,随后固化、碳化,最后在活化剂如蒸汽和二氧化碳等气氛中进行热处理使碳活化。当使用催化剂金属化合物时,以碳化步骤后存在的碳为基准,所提供的催化剂金属的量不大于约1重量%。在本专利技术中,中孔碳是指总孔容的至少约50%,更一般约60-90%的孔隙在20-500的范围内,并且在大孔范围(>500)的孔隙不超过总孔容的25%。碳前体是指一种在加热时能转变成连续结构的碳的含碳合成聚合物。使用碳前体比使用活性炭颗粒好,这是由于经过固化、碳化和活化过程,碳原子会排列成无规三维石墨片晶的连续不间断结构。高碳产率的碳前体是指碳化后其转变成碳的产率大于约40%(以固化后重量为基准)。本专利技术中特别有用的高碳产率碳前体是一种合成聚合的碳前体,如在环境温度下是溶液或低粘度液体形式的或者通过加热或其它方式能液化的合成树脂。合成聚合的碳前体包括任何液体或可液化的含碳物质。有用碳前体的例子包括热固性树脂和某些热塑性树脂。低粘度的碳前体(如热固性树脂)对于涂料用途较为适宜,因为其粘度低,所以能较好地渗透到基材中去。典型的树脂粘度约为50-100厘泊。任何高碳产率的树脂都可以使用。酚醛树脂和呋喃树脂最合适。酚醛树脂最好,因为与其它前体相比,其粘度低,碳产率高,在固化时的交联度高,并且成本低。合适的酚醛树脂是可熔性酚醛树脂如43250 polyophen树脂,和购自Occidental ChemicalCorporation的43290,以及购自Borden Chemical Company的Durite可熔性酚醛树脂。一种特别合适的呋喃液体树脂是购自QO Chemicals碳Inc.的Furcab-LP。使用的高碳产率碳前体可以是一种的高碳产率的前体材料,或者两种或多种这种前体材料的混合物。也可以将先已制好的活性炭加到液体碳前体中,调节前体的粘度,以便成形为结构体或施加到结构体中。为了获得所需孔隙特征的碳,在高碳产率的碳前体中加入催化剂金属和/或低碳产率的碳前体。低碳产率的碳前体是碳化后其转变成碳的产率不大于约40%(以固化后重量为基准)的前体。某些特别有用的低碳产率的碳前体是交联添加剂,它们是甘油,三聚氰胺-甲醛,环氧,和/或聚乙烯醇。仅使用低碳产率碳前体而不使用催化剂金属的一个好处是,在最终产物中不希望有催化剂金属的情况下可以免去除去催化剂金属的步骤。当碳基体中存在金属催化剂时,在活化过程中各金属添加剂会引发表面蚀刻、沟道和蚀坑的形成这些形貌效应,这取决于它们本身的物理和化学性能、碳结构体和反应条件如何。为了选择性地产生所需的中孔活性炭,需将这三种作用进行协调,以便获得所需的孔径。沟道和蚀坑的形成提供成孔的机会,而表面蚀刻则提供将孔扩大的机会。合适的金属催化剂可以是碱金属、碱土金属、过渡金属和/或贵金属。催化剂金属较好是Pt、Pd、Rh、Ag、Au、Fe、Re、Sn、Nb、V、Zn、Pb、Ge、As、Se、Co、Cr、Ni、Mn、Cu、Li、Mg、Ba、Mo、Ru、Os、Ir、Ca、Y或这些金属的混合物。较好的金属是Pt、Co、Ni和/或Fe,特别是氧化态为+3的Fe,Co是特别好的。金属催化剂较好是前体或化合物的形式,例如在加热时能分解成催化剂金属或催化剂金属氧化物的有机或无机盐,如硫酸盐、硝酸盐等。采用金属化合物比用金属元素好,且较好是其细粒的形式,因为直接采用金属粉末往往会形成较大的石墨颗粒,而这是不适宜的。化合物的例子是氧化物,氯化物,(除了碱金属或碱土金属外的)硝酸盐,碳酸盐,硫酸盐,配合铵盐等。合适种类金属的有机金属化合物可与或不与低碳产率的碳前体一起使用。例如,乙酸盐如乙酸钴,和/或乙酰丙酮化物如乙酰丙酮化钴、铂和/或铁是特别合适的。尽管在此不准备结合什么理论,但可以认为,在树脂中引入的这些较大的有机结构物在固化于基体上后处于一种热定形(thermally set)的状态,在碳化过程中除去这些结构物可有助于形成较大的孔隙度。因此,在活化步骤中让更多的金属催化剂暴露于表面上,这有利于进一步控制孔径。本专利技术所用的金属催化剂的量取决于金属催化剂的种类或活性,以及所需的最终孔隙度和孔径分布,但以碳化后存在的碳为基准,其用量不大于约1重量%,一般约为0.01-1重量%,最好约为0.01-0.2重量%。对于活性高的Co,浓度可低至50-100 ppm。添加金属的量对产生的最终孔结构影响很大。然而,加入的金属太多会使金属的烧结速率明显提高。烧结的颗粒往往会堵塞孔隙并形成所谓的瓶颈式孔隙。而且当发生烧结时,催化剂的活性会下降,甚至去活化。在某些情况下,要加入催化剂金属和低碳产率的碳前体这两种物质作为添加剂。例如,加入钴如乙酸钴或硝酸钴和/或铁化合物如硝酸铁与上述交联添加剂的混合物是有用的。特别好的是乙酸钴或乙酰丙酮化铁与甘油和/或聚乙烯醇的混合物。一种制造中孔活性炭的有用方法是用碳前体和催化剂金属化合物的涂料悬浮液或溶液涂覆无机基材如蜂窝体,随后固化、碳化、将碳活化成活性炭本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造中孔活性炭的方法,该方法包括: a)先形成包含高碳产率的碳前体和添加剂的混合物,所述高碳产率的碳前体,以固化后重量为基准的碳化产率大于约40%碳,所述添加剂选自催化剂金属、以固化后重量为基准的碳化产率不大于约40%碳的低碳产率碳前体以及它们的混合物,当使用催化剂金属时,在随后碳化步骤后的催化剂金属的量,以碳为基准不大于约1重量%; b)将混合物固化; c)将混合物中的碳前体碳化; d)使碳活化,制得中孔活性炭。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员:KP加德卡埃DL希克曼YL彭T陶
申请(专利权)人:康宁股份有限公司
类型:发明
国别省市:US[美国]

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1