一种碳酸钾制备高比表面积活性炭的方法技术

本发明专利技术属于煤基活性炭生产领域，提供一种碳酸钾制备高比表面积活性炭的方法，包括：(1)磨粉：将无烟煤磨粉得到粉料与碳酸钾催化剂混合；其中，所述无烟煤与碳酸钾催化剂的质量比为3：(0.5‑2.5)；(2)压条：将所述粉料与粘结剂混合均匀，再将所得混合物压制成型，制得料条；(3)炭化：在无氧条件下加热所述料条，对其进行炭化处理，制得炭化料；(4)活化：在水蒸气作用下，对所述炭化料进行活化处理，制得高比表面积活性炭。本发明专利技术方法能够定向调控活性炭孔隙结构，从而实现活性炭产品比表面积与孔容的最大化，并使其获得电化学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种碳酸钾制备高比表面积活性炭的方法
本专利技术属于煤基活性炭生产领域，特别涉及一种碳酸钾制备高比表面积活性炭的方法。
技术介绍
随着便携式电子产品和数字设备的蓬勃发展以及人们对高功率电力能源需求的不断增长，电化学电容器(ECs)备受关注。活性炭(AC)作为双电层电容器的一种材料，由于其来源丰富、价格低廉、环保健康、骨架结构坚实、比电容大(SC)、循环寿命长等优点，已被公认为是制备电容器最有前景的电极材料。由于双电层电容器(EDLC)比电容的产生是来自于电极/电解质界面所形成的双电层，因此，许多学者致力于研究如何最大化地提高AC的比表面积和孔容。根据电容器材料的要求，主要有两种方法可提高AC的比表面积和孔隙率：一是选用含有纤维结构的天然材料，另一种是采用活化或激活的方式达到改善和提高比表面积和孔隙率的目的。对于活化方法而言，高温活化是生物质原料使用最频繁的一种方法。一般低温活化有利于微孔的形成，高温活化可进一步扩孔，然而大部分催化剂都不利于在实际生产中进行高温反应或长时间反应。一些研究表明，物理-化学联合活化和化学活化法可以大大改善这种现状，如利用ZnCl2、H3PO4、KOH、NaOH进行催化等。但是，无论是物理方法还是化学方法都存在环境污染、腐蚀仪器、生产条件与催化剂不可回收等缺陷。另外，目前我国煤基活性炭产品比表面积与孔容指标普遍偏低，分别在1000m2/g和0.5000cm3/g以下，限制了高品质活性炭产品的发展。为解决这些问题，需要研究和探索能够在活性炭的催化活化工艺中污染小，且在改善活性炭比表面积和孔结构方面有着一定优势的催化剂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对现有技术存在的问题，提供一种碳酸钾制备高比表面积活性炭的方法，能够定向调控活性炭孔隙结构，从而实现活性炭产品比表面积与孔容的最大化，并使其获得电化学性能。为了实现上述目的，本专利技术提供一种碳酸钾制备高比表面积活性炭的方法，包括如下步骤：(1)磨粉：将无烟煤磨粉后与碳酸钾催化剂混合，得到粉料；其中，所述无烟煤与碳酸钾催化剂的质量比为3：(0.5-2.5)；(2)压条：将所述粉料与粘结剂混合均匀，再将所得混合物压制成型，制得料条；(3)炭化：在无氧条件下加热所述料条，对其进行炭化处理，制得炭化料；(4)活化：在水蒸气作用下，对所述炭化料进行活化处理，制得高比表面积活性炭。根据本专利技术提供的方法，优选地，步骤(1)中，所述无烟煤为太西无烟煤，其灰分含量小于等于3wt％。本专利技术中，所选用的太西无烟煤微孔发达、易活化。更优选地，步骤(1)中，将太西无烟煤磨粉至200目的粉料通过率≥90％。原料煤磨粉形成的煤粉越细，越有利于成型和活化。根据本专利技术提供的方法，优选地，步骤(2)中，所述粉料与粘结剂的用量比为100：(35-45)。更优选地，所述粘结剂为煤焦油。根据本专利技术提供的方法，优选地，步骤(3)中的炭化处理工艺条件包括：炭化温度为650-750℃，炭化压力为30-50Pa，炭化时间为30-40min。更优选地，所述炭化料中的挥发分控制在10-12wt％。优选地，步骤(3)中，在炭化之前将步骤(2)所得的料条进行干燥和固化处理。更优选地，所述干燥和固化处理的工艺条件包括：处理温度为15-35℃，处理时间为36-48小时。根据本专利技术提供的方法，优选地，步骤(4)中的活化处理工艺条件包括：活化温度为850-950℃，活化压力为50-80Pa，活化时间为3.5-5h。炭化时间、炭化温度调节可以控制炭化烧失率和产品的形貌和强度，炭化温度过低时炭化产物无法形成足够的机械强度，温度过高则会促使炭化产物中的石墨微晶有序变化，减少微晶之间的空隙，进而影响后续的活化造孔过程。活化时间、活化温度对空隙结构的发育影响很大，控制好活化时间，可以调节烧失率，进而在一定范围内调节微孔和中大孔比，控制孔隙结构。本申请人经研究发现，在高温下，作为催化剂的K2CO3在活性炭层间发生反应。活化过程中，一方面通过K2CO3消耗碳使其孔隙得到发展；另一方面，反应过程中会生成金属钾，当活化温度超过金属钾沸点时，钾蒸汽会扩散入不同的碳层，形成新的孔结构，气态的金属钾在微晶的层片间穿行，撑开芳香层片，使其发生扭曲或变形，创造出新的中孔或大孔。本申请采用在配煤过程中添加碳酸钾催化剂的手段，结合炭化和活化工艺条件的优化、配合，可以达到定向调控活性炭孔隙结构的目的，实现比表面积与孔容的最大化，并使得活性炭产品获得一定的电化学性能。定向调控活性炭的孔隙结构，其目的就在于控制所得活性炭的中孔和微孔的比例，而实现这一控制的方式可以通过优选活化时间和催化剂的添加量来实现。与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果在于：(1)本专利技术中碳酸钾作为催化剂的使用有助于改善活性炭孔隙分布，控制所得活性炭的中孔和微孔的比例，使活性炭的比表面积与孔容最高可分别达到2000m2/g和1.00cm3/g以上，并具有优异的电化学性能；(2)本专利技术的方法无需进行酸洗和后处理，工艺简单、实用性强。附图说明图1为本专利技术一种示例中高比表面积活性炭的制备工艺流程图；图2为各实施例所得活性炭产品在0℃、1atm条件下的氮气吸附等温线示意图；图3为各实施例所得活性炭产品在0℃、1atm条件下的孔径分布示意图；图4为各实施例所得活性炭产品在不同扫描速度下计算得到的比电容曲线示意图。具体实施方式为了能够详细地理解本专利技术的技术特征和内容，下面将更详细地描述本专利技术的优选实施方式。虽然实施例中描述了本专利技术的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本专利技术而不应被这里阐述的实施方式所限制。在本专利技术的一种示例中，碳酸钾制备高比表面积活性炭的方法包括如下步骤：(1)磨粉：将无烟煤磨粉后与碳酸钾催化剂混合，得到粉料；其中，所述无烟煤与碳酸钾催化剂的质量比为3：(0.5-2.5)；在一些优选实施方式中，例如两者质量比为3：1、3：1.5、3：2；本步骤中，无烟煤先磨粉再与碳酸钾催化剂混合，或者无烟煤先与碳酸钾催化剂混合再磨粉的操作顺序均可；(2)压条：将所述粉料与粘结剂混合均匀，再将所得混合物压制成型，制得料条；(3)炭化：在无氧条件下加热所述料条，对其进行炭化处理，制得炭化料；(4)活化：在水蒸气作用下，对所述炭化料进行活化处理，制得高比表面积活性炭。本领域技术人员可以理解，无烟煤的固定碳含量高，挥发分产率低，密度大、硬度大、燃点高，燃烧时不冒烟；一般其含碳量在90％以上，挥发物含量在10％以下。在优选实施方式中，步骤(1)所述无烟煤为太西无烟煤，其灰分含量小于等于3wt％。优选地，步骤(1)中，将太西无烟煤磨粉至200目的粉料通过率≥90％。原料煤在磨粉的过程中形成的煤粉越细，其越易于成型和活化造孔。在优选实施方式中，步骤(2)中所述粉料与粘结剂的重量比为100-(35-45)；在一些示例中，例如可以为100:37、100:40、100:43。本专利技术中，将原料煤形成的粉料与粘结剂混合并搅拌均匀，可得到型煤混合物，为后续型煤混合物经过成型机压制成型创造条件。所得型煤混合物可以在捏合搅拌设备中混捏均匀并成煤膏后，采用本领域常用的成型方法得到料条；例如，在液压成型机上挤压成炭条，确保炭条表面光滑，无纵横裂纹、无块状物料、不结团。本领域技术人员可以理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳酸钾制备高比表面积活性炭的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)磨粉：将无烟煤磨粉后与碳酸钾催化剂混合，得到粉料；其中，所述无烟煤与碳酸钾催化剂的质量比为3:(0.5‑2.5)；(2)压条：将所述粉料与粘结剂混合均匀，再将所得混合物压制成型，制得料条；(3)炭化：在无氧条件下加热所述料条，对其进行炭化处理，制得炭化料；(4)活化：在水蒸气作用下，对所述炭化料进行活化处理，制得高比表面积活性炭。

【技术特征摘要】
1.一种碳酸钾制备高比表面积活性炭的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)磨粉：将无烟煤磨粉后与碳酸钾催化剂混合，得到粉料；其中，所述无烟煤与碳酸钾催化剂的质量比为3:(0.5-2.5)；(2)压条：将所述粉料与粘结剂混合均匀，再将所得混合物压制成型，制得料条；(3)炭化：在无氧条件下加热所述料条，对其进行炭化处理，制得炭化料；(4)活化：在水蒸气作用下，对所述炭化料进行活化处理，制得高比表面积活性炭。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述无烟煤为太西无烟煤，其灰分含量小于等于3wt％。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，将太西无烟煤磨粉至200目的粉料通过率≥90％。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中的炭化处理工艺条件包括：炭化温度为650-750℃，炭...

【专利技术属性】
技术研发人员：马俊斯，杨光明，李学振，刘毓雯，李静伟，周亚北，方媛，徐迎节，许普查，
申请(专利权)人：国家能源投资集团有限责任公司，神华宁夏煤业集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京,11