三维交联网状等级孔结构碳基多孔材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种碳基多孔材料及其制备方法和应用。该碳基多孔材料的制备方法包括以下步骤：(A)将炭粉、发酵剂和水混合均匀后进行发酵；(B)将发酵得到的产物与水和粘结剂混合后进行交联固化；(C)将交联固化得到的产物进行成型并干燥；(D)将干燥后的产物进行碳化活化。本发明专利技术提供的碳基多孔材料表面有着贯通的分级孔结构，大孔套介孔，介孔套微孔，介孔含量高，使有机气体分子在吸附过程中的扩散路程变短，与此同时也可导致吸脱附速率加快，脱附温度降低，同时也有利于解决有机气体分子脱附回收的难题。本发明专利技术所制备的新型碳基多孔材料属于低成本高性能产品，特别适用于油气回收、水处理和催化剂载体等领域，具有良好的工业应用前景和较高的社会经济价值。

【技术实现步骤摘要】
三维交联网状等级孔结构碳基多孔材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及三维交联网状等级孔结构碳基多孔材料及其制备方法和应用。
技术介绍
碳基多孔材料的应用范围非常广泛，例如工业上广泛用作吸附剂和用作催化剂载体等。成品油在储藏和运输的很多环节上都不可避免的存在挥发损耗甚至是泄漏的情况。吸附法油气回收技术是目前技术成熟度最高、应用范围最广、能耗最低、回收效果最好的油气回收技术。选择性好、分离比高的吸附剂可以减小设备的尺寸、降低投资成本等。多孔活性炭因其含有丰富的微孔结构，在吸附方面具有非常大的优势，但是在VOCs污染治理的实际操作中，由于大部分有机物都具有强极性和相对较高的沸点，因此脱附过程就显得尤为重要。介孔孔道在活性炭吸脱附过程的内扩散中影响非常大，对吸脱附过程的速度乃至装置的循环处理能力有着决定性的作用。目前常用的活性炭因其较高的微孔(<2nm)含量大于>80％，常导致吸附升温大、真空脱附难、吸附性能劣化较快等问题。此外，活性炭吸附材料吸水性、易粉化等缺陷也为实际应用带来很大困扰。所以如何更好、更廉价地制备高性能的介孔活性炭是今后VOCs污染治理所用吸附剂的研究重点和难点。US4014817A公开了一种有机气体吸附回收专用的多孔活性炭材料，也即是目前国内市场占有比重最大的美国进口卡尔冈活性炭，其特征在于，所述活性炭材料是以煤炭为原料，以氧化锌、磷酸、硫酸等为活化剂采用氧化活化法在高温条件下进行制备，其中，所述应用包括生产化工产品事排放废气、成品油储运销售过程中产生的油气/空气混合气以及油田伴生气等多类有机气体吸附回收领域。该活性炭材料比表面积>1000m2/g，总孔容为0.5～0.8cm3/g，中孔比率为10％～25％，最可几孔径分布为0.5～3.5nm，球盘强度范围为90～93％。该活性炭材料对汽油蒸汽具有较强的吸附能力，循环稳定后的吸附量为20～35g/100g。然而，该活性炭材料并未解决首次吸附温升高、脱附效率低(<60％)、潮湿环境耐受性不佳(易吸湿)、以及循环使用过程中劣化迅速等问题。此外，无机酸或碱活化在实际工业生产过程中还会产生大量工业废水，为生态环境带来严重影响。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有的活性炭存在吸附热高、真空脱附难度大以及疏水性不佳等问题，提供一种吸附热低、真空脱附难度小的疏水碳基多孔材料及其规模化制备方法。为了解决上述问题，本专利技术第一方面提供了一种碳基多孔材料的制备方法，该方法包括以下步骤：(A)将炭粉与发酵剂和水混合均匀后进行发酵；(B)将发酵得到的产物与水和粘结剂混合后进行交联固化；(C)将交联固化得到的产物进行成型并干燥；(D)将干燥后的产物进行碳化活化。本专利技术第二方面还提供了由上述方法制得的碳基多孔材料及其在气体吸附回收中的应用，该碳基多孔材料微观呈现出三维交联网状等级孔结构，其中大孔含量为1～10％优选3～8％，微孔含量为20～40％优选25～35％，介孔含量为30～70％优选为40～55％，该碳基多孔材料的球盘强度不低于85％，优选为90～98％，压碎强度为100～200N/cm，优选为120～190N/cm。本专利技术提供的制备方法特别适合于工业化放大生产，通过发酵和添加粘结剂有利于提高活性炭的机械强度，使碳基多孔材料在实际应用过程中耐压能力调高、减少粉化现象的出现。通过使用水蒸气、CO2等廉价无污染的活化剂进行活化，使得生产工艺简单、生产过程不会造成环境污染。通过疏水改性使活性炭表现出良好的疏水性能，可有效防止活性炭长期使用过程中由于吸附空气中的水分而导致碳基多孔材料吸附性能下降问题的出现。因此这种材料工业适用范围广，表现出较强的商业化前景。本专利技术中的实验数据均为100公斤级的生产比例，在实际的大生产过程中，可根据具体情况按比例放大生产。本专利技术提供的碳基多孔材料表面有着贯通的分级孔结构，大孔套介孔，介孔套微孔，介孔含量高。这种大孔、介孔、微孔多种分级孔结构使更多的吸附活性位点裸露在材料的表面，使有机气体分子在吸附过程中的扩散路程变短，与此同时也可导致吸脱附速率加快，脱附温度降低，同时也有利于解决有机气体分子脱附回收的难题。本专利技术产品的有机气体吸附回收性能指标优异，丁烷吸附容量最高可达21.7g/100g，温升可小于70℃，在工业常用真空度下的脱附效率是传统商用活性炭材料的1.5倍。本专利技术提供的碳基多孔材料产品弥补了现有商用活性炭有机气体脱附难、吸附热严重、长周期循环运行易粉化等缺陷；同时还有效解决了普通多孔炭材料易吸湿，在潮湿环境中对目标气体分子吸附能力减弱等缺陷。本专利技术所制备的新型碳基多孔材料属于低成本高性能产品，特别适用于油气回收和催化剂载体等领域，具有良好的工业应用前景和较高的社会经济价值。附图说明图1为实施例1制得的碳基吸附材料的SEM图和TEM图。其中a和b和c分别为不同放大倍数下的SEM图，d为TEM图。图2为对比例1的碳基吸附材料的SEM图和TEM图。其中a和b和c分别为不同放大倍数下的SEM图，d为TEM图。图3为对比例2制得的碳基吸附材料的SEM图和TEM图。其中a和b和c分别为不同放大倍数下的SEM图，d为TEM图。图4为实施例1制得的碳基吸附材料的BET分析图，分别表示吸脱附曲线和孔径分布曲线。图5为实施例1制得的碳基吸附材料吸附丁烷气体的吸附穿透曲线。图6为表示由实施例1和对比例1制得的疏水型碳基吸附材料的疏水性测试图，其中左边对应对比例1，右边对应实施例1。具体实施方式以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。根据本专利技术提供的碳基多孔材料的制备方法包括以下步骤：(A)将炭粉与发酵剂和水混合均匀后进行发酵；(B)将发酵得到的产物与水和粘结剂混合后进行交联固化；(C)将交联固化得到的产物进行成型并干燥；(D)将干燥后的产物进行碳化活化。本专利技术中，优选所述炭粉为富含天然纤维的多孔植物炭粉，进一步优选椰壳炭粉、木材炭粉、竹炭粉、藕炭粉、秸秆炭粉中的一种或多种。根据本专利技术，所述发酵剂和水用于形成发酵环境，因此所述发酵剂可以各种有机质，优选为淀粉，进一步优选为绿豆淀粉、木薯淀粉、甘薯淀粉、红薯淀粉、马铃薯淀粉、麦类淀粉、菱角淀粉、藕淀粉、玉米淀粉中的一种或多种。本专利技术中，所述水可以为额外添加，也可以为发酵剂自带的水，如使用新鲜的、富含水分的有机质时其自身会携带大量水分。根据本专利技术的一种优选实施方式，所述发酵剂的用量为炭粉的5～20重量％，优选8～18重量％，水的用量为有机质和炭粉重量的1～3倍，优选为1.5～2.8倍。本专利技术中，所述发酵的条件包括温度为10～40℃，时间为1～4个月优选1～2个月，氧气含量<10体积％。发酵可以在发酵罐中进行，通常在密闭条件下进行。发酵过程一般无需对发酵罐进行特别的除氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳基多孔材料的制备方法，该方法包括以下步骤：(A)将炭粉、发酵剂和水混合均匀后进行发酵；(B)将发酵得到的产物与水和粘结剂混合后进行交联固化；(C)将交联固化得到的产物进行成型并干燥；(D)将干燥后的产物进行碳化活化。

【技术特征摘要】
1.一种碳基多孔材料的制备方法，该方法包括以下步骤：(A)将炭粉、发酵剂和水混合均匀后进行发酵；(B)将发酵得到的产物与水和粘结剂混合后进行交联固化；(C)将交联固化得到的产物进行成型并干燥；(D)将干燥后的产物进行碳化活化。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述炭粉为椰壳炭粉、木材炭粉、竹炭粉、藕炭粉、秸秆炭粉中的一种或多种。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述发酵剂为有机质，优选为淀粉，进一步优选为绿豆淀粉、木薯淀粉、甘薯淀粉、红薯淀粉、马铃薯淀粉、麦类淀粉、菱角淀粉、藕淀粉、玉米淀粉中的一种或多种。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，所述发酵剂的用量为炭粉的5～20重量％，优选为8～18重量％，水的用量为有机质和炭粉重量的1～3倍，优选为1.5～2.5倍。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，所述发酵的条件包括温度为10～40℃，时间为1～4个月，氧气含量<10体积％。6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中，发酵得到的产物与粘结剂和水的重量比为100：5～20：10～35，优选为100：8～18：15～25；优选所述粘结剂为石油沥青、煤焦油和煤沥青中的一种或多种。7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其中，所述交联固化的条件包括温...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宇鑫，牟善军，姜春明，刘全桢，张卫华，王林，张树才，牟小冬，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，
类型：发明
国别省市：山东,37