来自天然碳水化合物的微孔碳吸附剂制造技术

本发明专利技术揭示一种碳热解物材料，其具有作为吸附剂以及用于能量存储及其它应用的效用。所述热解物材料包括从例如多糖的低成本天然存在的碳水化合物源材料衍生的微孔碳。在吸附剂应用中，所述碳热解物可以例如以颗粒形式或整体形式而生产，其具有高密度及高孔隙体积以最大化气体存储及输送，其中所述碳热解物吸附剂的孔隙大小分布可经由活化条件而调谐以优化所关注的特定气体的存储容量及输送。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】来自天然碳水化合物的微孔碳吸附剂相关申请案的交叉参考本申请案依据35USC119主张2014年8月23日申请的题为“来自天然碳水化合物的高体积气体存储容量微孔碳整体(HIGHVOLUMETRICGASSTORAGECAPACITYMICROPOROUSCARBONMONOLITHSFROMNATURALCARBOHYDRATES)”的第62/041,057号美国临时专利申请案的优先权益。为了所有目的，第62/041,057号美国临时专利申请案的全部揭示内容特此以引用的方式并入本文中。
本专利技术大体上涉及碳热解物材料，且更特定地涉及由可再生天然源制备的碳吸附剂(例如高纯度微孔碳吸附剂)、制造此类碳吸附剂的方法，以及利用此类碳热解物材料的系统及工艺。此类系统及工艺可包含流体存储及分配系统及工艺，例如，针对用于天然气动力车辆的天然气，或针对为了制造半导体产品、平板显示器、太阳能电池板及类似者而供应过程气体，或针对基于吸附剂的加热及制冷系统及工艺，或针对涉及电化学电池、气体捕集、气体螯合、气体分离及类似者的系统及工艺中的使用。
技术介绍
除固有的身体或窒息危害之外，许多高压气体的包装、存储、运输及使用还因易燃性、毒性、自燃性及爆炸性的潜在风险而变复杂。为了处理这些风险及关联危害，已采用各种方法来增强其中存储有危害气体的特种气体包装的安全性，且在分配条件下从所述特种气体包装供应此类气体来使用所述气体。一种此类方法涉及提供保持物理吸附剂的气体存储及分配容器，气体在其上可逆地吸附，其中气体在低的例如亚大气压力下存储在吸附剂上。气体的此类低压存储使在容器的运输及处置期间的释放或暴露可能性最小化，且已被证明是用于工业的非常安全且可靠的技术。此类型的容器已在半导体制造工业中广泛地商业化，例如用于含有用于离子植入的氢化物、卤化物及有机金属气体，商标为(美国马萨诸塞州的比勒利卡的ATMI/伊特格瑞斯公司(ATMI/Entegris,Inc.,Billerica,Massachusetts,USA))。此类产物的系列利用源自高纯度合成聚合物(例如PVDF(聚偏二氟乙烯)、PVDC(聚偏二氯乙烯)、PMA(聚丙烯酸甲酯)及这些材料的共聚物)的受控热解及活化的高密度、高容量、整体微孔碳吸附剂作为物理吸附剂。这些专门碳吸附剂材料是以商标(美国马萨诸塞州的比勒利卡的ATMI/伊特格瑞斯公司)市售，其特征为以低能量成本适应所关注气体的可逆物理吸附的孔隙率。随着开发及商业部署新的钻探技术及其它提取技术(例如水力压裂(压裂))，美国及其它国家越来越多地利用天然气(来自天然源的甲烷)来满足国内燃料需要。由于价格合理的天然气的新兴丰度，在轻型发动机、小型车辆、割草机、叉车及重型卡车中利用天然气作为运输燃料的努力越来越多。事实上，大多数8级车辆制造商(沃尔沃、马克、福莱纳等等)已将具有压缩天然气(CNG)燃料系统的卡车商业化。在接下来的十年中，天然气的运输使用被预计为增长20％以上。一般来说，压缩天然气系统往往对其被部署的车辆增加显著的成本。这是因为储罐及相关压缩设备本身构建起来昂贵，且它们在高压条件(涉及大约25mPa(高于3600psi)及更高的压力)下操作起来昂贵。此类高压天然气在加油站处以及在道路及高速公路上造成显著的潜在风险。因此，所属领域的显著进步将是提供一种经济地制造并能够提供高容量、高效率的天然气存储介质的吸附剂材料，天然气在所述天然气存储介质上吸附地保留在库存中，且天然气可在分配条件下以安全且有效的方式容易地从所述天然气存储介质解吸。提供此类吸附剂将会极大地推进当前的努力以利用天然气作为商品燃料用于车辆以及其它应用。类似的考虑涉及用于例如供应用于制造半导体产品、平板显示器、太阳能电池板及类似者的过程气体的气体供应包装的应用的吸附剂，以及用于基于吸附剂的加热及制冷系统及工艺的吸附剂，及用于涉及电化学电池、气体捕集、气体螯合、气体分离及类似者的系统及工艺中的吸附剂。
技术实现思路
本专利技术大体上涉及碳热解物材料，其包含：具有用于存储及分配天然气的效用的碳吸附剂，例如在例如车辆燃料使用的应用及其中对天然气的可逆吸附存储有利的其它实施方案中；以及具有用于供应用于制造半导体产品、平板显示器、太阳能电池板及类似者的过程气体的效用且用于基于吸附剂的加热及制冷系统及工艺及用于涉及电化学电池、气体捕集、气体螯合，气体分离及类似者的系统及工艺中的碳吸附剂。在一个方面中，本专利技术涉及由可再生天然源制备的高纯度微孔碳吸附剂、制造此类碳吸附剂的方法，以及利用此类碳吸附剂的基于吸附剂的气体存储及分配系统及工艺。在另一方面中，本专利技术涉及碳吸附剂材料，及并入此类碳吸附剂材料的气体存储容器及系统，以及制造及使用此类材料、容器及气体存储及输送系统的方法。在又一方面中，本专利技术涉及一种源自天然存在的碳水化合物源材料的热解的微孔吸附剂碳。在另外方面中，本专利技术涉及一种包括本专利技术的高密度整体或颗粒碳热解物的气体存储及输送容器。在一个特定方面中，本专利技术涉及一种碳热解物，其特征在于：从天然存在的碳水化合物源材料衍生；<1％的总灰分含量，如通过ASTMD2866-11的程序所确定；片密度在从0.50g/cc到1.40g/cc的范围中；N2BET表面积大于750m2/gm；及在21℃及35巴压力下的甲烷吸附容量大于100V/V。在另一特定方面中，本专利技术涉及一种碳热解物吸附剂，其特征在于：从天然存在的碳水化合物源材料衍生；整体或颗粒形式；<1％的总灰分含量，如通过ASTMD2866-11的程序所确定；片密度在从0.50g/cc到1.40g/cc的范围中；N2BET表面积大于750m2/gm；及在21℃及35巴压力下的甲烷吸附容量大于100V/V。本专利技术的另外方面涉及一种气体供应包装，其包括保持本专利技术的吸附剂的气体供应容器。本专利技术的又一方面涉及一种制造整体或颗粒碳吸附剂的方法，其包括：将前体碳水化合物材料压缩成近净形状预成型件；在惰性气体环境中以受控的方式加热以将碳水化合物热分解成碳；及任选地，通过(i)化学活化及(ii)物理活化中的一或多者活化所述碳以增加表面积。将从随后的描述及所附权利要求书更全面地清楚本专利技术的其它方面、特征及实施例。附图说明图1是利用根据本专利技术的一个实施例的碳热解物材料的安置在用于净化流过其中的气体的过程管线中的管线式气体净化器的示意图。图2是根据本专利技术的另一实施例的利用碳整体吸附剂的存储及输送系统的示意图。图3是根据本专利技术的另外实施例的包含气体存储及分配容器的气体供应包装的透视横截面图，其将此类容器的内部结构展示为含有颗粒碳吸附剂。图4是根据本专利技术的一个实施例的电化学能量装置的示意图，所述电化学能量装置包括形成其间具有电解质的EDLC构型的碳热解物电极的布置。图5是通过直接压缩而形成的天然碳水化合物的片剂的照片，并展示粒子的良好粘附性，且具有超过1.1g/cc的原材料密度。图6是具有>1.25g/cc的片密度的混合及固结糖片在被装载到用于热解的炉中时的照片。图7是具有>1.32g/cc的测定密度的强自粘附多糖圆柱形块的照片。图8是展示从各种天然淀粉源压缩的盘的大小范围的照片。图9是已热转化成具有大于1.25g/cc的密度的碳热解物的若本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳热解物，其特征在于：从天然存在的碳水化合物源材料衍生；<1％的总灰分含量，如通过ASTM D2866‑11的程序所确定；片密度在从0.50g/cc到1.40g/cc的范围中；N

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.23 US 62/041,0571.一种碳热解物，其特征在于：从天然存在的碳水化合物源材料衍生；<1％的总灰分含量，如通过ASTMD2866-11的程序所确定；片密度在从0.50g/cc到1.40g/cc的范围中；N2BET表面积大于750m2/gm；及在21℃及35巴压力下的甲烷吸附容量大于100V/V。2.根据权利要求1所述的碳热解物，其为颗粒形式。3.根据权利要求1所述的碳热解物，其为整体形式。4.根据权利要求1所述的碳热解物，其作为气体供应包装中的气体存储介质。5.根据权利要求1所述的碳热解物，其作为电化学能量装置的组件。6.根据权利要求5所述的碳热解物，其中所述电化学能量装置包括双电层电容器EDLC装置，且所述碳热解物组件构成所述EDLC装置的电极。7.一种碳热解物吸附剂，其特征在于：从天然存在的碳水化合物源材料衍生；整体形式；<1％的总灰分含量，如通过ASTMD2866-11的程序所确定；片密度在从0.50g/cc到1.40g/cc的范围中；N2BET表面积大于750m2/gm；及在21℃及35巴压力下的甲烷吸附容量大于100V/V。8.根据权利要求7所述的碳热解物吸附剂，其中所述天然存在的碳水化合物源材料包括碳水化合物。9.根据权利要求7所述的碳热解物吸附剂，其中所述天然存在的碳水化合物源材料包括二糖或多糖。10.根据权利要求7所述的碳热解物吸附剂，其中所述天然存在的碳水化合物源材料包括选自由下列各物组成的群组的材料：乳糖、淀粉、天然树胶、壳质、壳聚糖、直链淀粉、支链淀粉、糊精、麦芽糖糊精，及前述各物的混合物。11.根据权利要求7所述的碳热解物吸附剂，其中所述天然存在的碳水化合物源材料包括选自由下列各物组成的群组的材料：乳糖、淀粉、支链淀粉、糊精、麦芽糖糊精，及前述各物的混合物。12.根据权利要求7所述的碳热解物吸附剂，其中所述天然存在的碳水化合物源材料包括淀粉及麦芽糖糊精的混合物。13.根据权利要求7所述的碳热解物吸附剂，其中所述天然存在的碳水化合物源材料包括从玉米、小麦、马铃薯、树薯、木薯、甘薯、水稻或竹芋衍生的淀粉及/或麦芽糖糊精。14.根据权利要求7所述的碳热解物吸附剂，其为活化形式。15.根据权利要求14所述的碳热解物吸附剂，其中所述活化形式已通过化学及/或物理活化而被活化。16.根据权利要求14所述的碳热解物吸附剂，其中所述活化形式已通过与酸的反应而被化学活化。17.根据权利要求14所述的碳热解物吸附剂，其中酸包括选自由下列各物组成的群组的酸：盐酸、硫酸、磷酸、硼酸、硝酸、高氯酸，及碳酸。18.根据权利要求14所述的碳热解物吸附剂，其中所述活化形式已通过与钠、锂、钾、钙或铵的氢氧化物的反应而被化学活化。19.根据权利要求7所述的碳热解物吸附剂，其中活化形式已通过在暴露于与惰性气体混合的氧化气体或作为纯气体流在从600℃到1200℃的范围中的温度下的烧尽而被物理活化。20.根据权利要求19所述的碳热解物吸附剂，其中所述惰性气体包括氮气或氩气。21.根据权利要求7所述的碳热解物吸附剂，其中活化形式已通过在暴露于与惰性气体混合的CO2、空气或蒸汽或作为纯气体流在从600℃到1200℃的范围中的温度下的烧尽而被物理活化。22.根据权利要求7所述的碳热解物吸附剂，其具有小于0.5％的总灰分含量，如通过ASTMD2866-11的程序所确定。23.根据权利要求7所述的碳热解物吸附剂，其具有从0.55g/cc到1.35g/cc的片密度。24.根据权利要求7所述的碳热解物吸附剂，其具有从0.60g/cc到1.30g/cc的片密度。25.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·A·柏图斯卡，E·A·斯特姆，S·M·威尔逊，
申请(专利权)人：恩特格里斯公司，
类型：发明
国别省市：美国,US