一種安全生產含氮超級活性炭的方法與流程
2024-02-21 02:05:15
本發明屬於化工生產
技術領域：
，具體涉及一種安全生產含氮超級活性炭的方法。
背景技術：
：活性炭是一種具有高度發達孔隙結構和高比表面積(通常在800～1500m2/g之間)的優良炭質吸附劑，已廣泛應用於環保、化工、食品和軍工等諸多領域。超級活性炭是一類比表面積大於2000m2/g的新型多孔質炭材料，它在超級雙電層電容器電極材料、催化劑載體、氣體分離、氫氣和天然氣儲存材料等領域中有著廣闊的應用前景。因此，超級活性炭已成為近20年來世界炭材料行業中競相開發的新型炭材料。目前製備高比表面積活性炭的主要方法為化學試劑活化法，化學試劑主要包括鹼金屬化合物，如KOH、NaOH和K2CO3，其中活化效果最好的為KOH。因此在製備超級活性炭時，大多採用KOH活化法。儘管KOH活化炭質前驅體能夠製備超級活性炭已有較長的研究歷史，但其工業化生產技術還未取得突破。其中阻礙KOH活化法生產超級活性炭的關鍵問題是在KOH活化過程中，會有大量的單質鉀生成。而KOH活化的活化溫度一般在800℃左右，超過了鉀的沸點，因此超級活性炭的工業化生產過程中，會有大量的單質鉀逸出活化爐。鉀是一種非常活潑的金屬單質，遇到空氣中的水分就能夠反應生成氫氣，並釋放出大量的熱，以致產生爆炸，給超級活性炭生產帶來了巨大的安全隱患。同時，單質鉀在逸出過程中，會部分冷凝在活化爐的管道中，堵塞管道，也會給安全生產帶來隱患。因此，採用超級活性炭的生產關鍵技術是安全處理KOH活化過程中單質鉀的釋放問題。活性炭表面改性的主要方法是在活性炭表面引入新的雜原子並調控其在表面的存在方式。在活性炭表面摻雜氮元素，可以顯著提高活性炭在電化學方面的應用性能。其中最引人矚目的是，摻雜氮可以能夠顯著提高活性炭的儲電容量和催化氧氣還原的性能，因此，摻雜氮的活性炭在超級電容器和燃料電池方面具有非常大的應用潛力，摻雜氮的活性炭，尤其是摻雜氮活性炭成為炭材料領域研究與開發的熱點，摻氮活性炭也是世界各國發展的高新技術產品。在以往的研究與開發基礎上，為了解決KOH活化過程中鉀釋放所帶來的系列安全生產問題，本發明人已經申請並獲得了2件發明專利(ZL200810243618.5，ZL201010588664.6)授權。在此基礎上仍需對更加安全方便控制KOH活化過程中鉀的釋放以及最終產品性能等方面做出更好的發明創造。技術實現要素：本發明所要解決的技術問題是含氮超級活性炭的安全技術，提供一種安全生產含氮超級活性炭的方法，不僅可以更加安全方便控制KOH活化過程中鉀的釋放，而且可以製備出含氮高比表面積活性炭產品；技術簡單易行、且成本更加低廉。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案如下：一種安全生產含氮超級活性炭的方法，包括以下步驟：(1)將炭質原料和KOH裝入反應器中，然後放入活化爐罐體中，並通入惰性氣體；(2)升溫至300℃後，通入氨氣，然後升溫至活化溫度，活化；(3)活化完畢後，冷卻活化爐罐體到300℃以下，在氨氣中通入空氣，繼續冷卻；(4)活化爐罐體冷卻後，取出活化料，用水回收KOH及其衍生物。所述的安全生產含氮超級活性炭的方法，所使用的炭原料選自炭化料、煤炭、石油焦、煤焦和活性炭。炭化料是來自於木炭、椰殼炭、竹炭以及果殼類原料的炭化料。所述的安全生產含氮超級活性炭的方法，KOH與原料炭質量之比為1-3：1。所述的安全生產含氮超級活性炭的方法，活化溫度為800-950℃。步驟(1)中，惰性氣體為氮氣或氬氣。步驟(2)中，以5K/min的升溫速率升溫至300℃後，通入氨氣，恆溫2h，然後升溫至活化溫度，活化2h。步驟(3)中，活化完畢後，在氨氣氛圍下冷卻活化爐罐體到300℃以下，在氨氣中通入空氣，繼續冷卻到100℃以下。步驟(4)中，用水洗活化料，並用水衝洗爐體內的爐門及冷凝管，回收KOH及其衍生物。有益效果：與現有技術相比，本發明具有如下的突出優點：1)在KOH活化過程中，同步完成了活化和氮元素的摻雜改性，實現了一步法製備含氮高比表面積活性炭，減少了含氮活性炭的生產工藝步驟。2)利用高溫下氨氣與單質鉀的反應，可以在常壓下實現單質鉀釋放的控制，避免使用較高壓力以及添加其它的固體試劑所帶來的副作用。可以高效解決KOH活化過程的安全生產關鍵技術問題。3)顯著降低鹼炭比，即降低KOH的用量。常規的KOH活化製備高比表面積活性炭的鹼炭比通常要達到4:1，採用本發明技術可以在1-2：1的鹼炭比下製備出比表面積大於2000m2/g的高比表面積活性炭。鹼炭比的顯著減少，可以降低KOH的消耗以及後續回收工段的水的消耗以及生產負荷。4)本發明的安全生產方法，具有活化效率高、設備較簡單、能耗較低等顯著優點，便於KOH活化法生產超級活性炭的工業化生產以及超級活性炭的工業化應用。具體實施方式根據下述實施例，可以更好地理解本發明。然而，本領域的技術人員容易理解，實施例所描述的具體的物料配比、工藝條件及其結果僅用於說明本發明，而不應當也不會限制權利要求書中所詳細描述的本發明。實施例1將木炭與KOH按照1:1的比例混合後，放入反應器中。並通入氮氣，以5K/min的升溫速率升溫至300℃，恆溫2小時後，通入氨氣，並以3K/min的升溫速率升至850℃，活化2小時。然後在氨氣氣氛下冷卻至300℃以下，通入空氣和氨氣混合氣體繼續冷卻到100℃以下，打開爐門，推出反應器，取出活化料。用水洗活化料，並用水衝洗爐體內的爐門及冷凝管，從而達到回收KOH的目的。回收KOH後，再用水漂洗活性炭5次以上，烘乾生產出產品活性炭。活性炭的孔隙結構與元素含量分析結果見表1。採用本發明的處理方法，活化後排氣管道內沒有發現單質鉀存在，沒有出現單質鉀溶解在水中反應所特有的現象，達到安全生產的目的。實施例2將木炭與KOH按照2:1的比例混合後，放入反應器中。並通入氮氣，以5K/min的升溫速率升溫至300℃，恆溫2小時後，通入氨氣，並以3K/min的升溫速率升至850℃，活化2小時。然後在氨氣氣氛下冷卻至300℃以下，通入空氣和氨氣混合氣體繼續冷卻到100℃以下，打開爐門，推出反應器，取出活化料。用水洗活化料，並用水衝洗爐體內的爐門及冷凝管，從而達到回收KOH的目的。回收KOH後，再用水漂洗活性炭5次以上，烘乾生產出產品活性炭。活性炭的孔隙結構與元素含量分析結果見表1。採用本發明的處理方法，活化後排氣管道內沒有發現單質鉀存在，沒有出現單質鉀溶解在水中反應所特有的現象，達到安全生產的目的。實施例3將石油焦與KOH按照2:1的比例混合後，放入反應器中。並通入氮氣，以5K/min的升溫速率升溫至300℃，恆溫2小時後，通入氨氣，並以3K/min的升溫速率升至800℃，活化2小時。然後在氨氣氣氛下冷卻至300℃以下，通入空氣和氨氣混合氣體繼續冷卻到100℃以下，打開爐門，推出反應器，取出活化料。用水洗活化料，並用水衝洗爐體內的爐門及冷凝管，從而達到回收KOH的目的。回收KOH後，再用水漂洗活性炭5次以上，烘乾生產出產品活性炭。活性炭的孔隙結構與元素含量分析結果見表1。採用本發明的處理方法，活化後排氣管道內沒有發現單質鉀存在，沒有出現單質鉀溶解在水中反應所特有的現象，達到安全生產的目的。實施例4將木炭與KOH按照1:1的比例混合後，放入反應器中。並通入氮氣，以5K/min的升溫速率升溫至300℃，恆溫2小時後，通入氨氣，並以3K/min的升溫速率升至900℃，活化2小時。然後在氨氣氣氛下冷卻至300℃以下，通入空氣和氨氣混合氣體繼續冷卻到100℃以下，打開爐門，推出反應器，取出活化料。用水洗活化料，並用水衝洗爐體內的爐門及冷凝管，從而達到回收KOH的目的。回收KOH後，再用水漂洗活性炭5次以上，烘乾生產出產品活性炭。活性炭的孔隙結構與元素含量分析結果見表1。採用本發明的處理方法，活化後排氣管道內沒有發現單質鉀存在，沒有出現單質鉀溶解在水中反應所特有的現象，達到安全生產的目的。實施例5將木炭與KOH按照1:1的比例混合後，放入反應器中。並通入氮氣，以5K/min的升溫速率升溫至300℃，恆溫2小時後，通入氨氣，並以3K/min的升溫速率升至950℃，活化2小時。然後在氨氣氣氛下冷卻至300℃以下，通入空氣和氨氣混合氣體繼續冷卻到100℃以下，打開爐門，推出反應器，取出活化料。用水洗活化料，並用水衝洗爐體內的爐門及冷凝管，從而達到回收KOH的目的。回收KOH後，再用水漂洗活性炭5次以上，烘乾生產出產品活性炭。活性炭的孔隙結構與元素含量分析結果見表1。採用本發明的處理方法，活化後排氣管道內沒有發現單質鉀存在，沒有出現單質鉀溶解在水中反應所特有的現象，達到安全生產的目的。實施例6將椰殼炭與KOH按照1:1的比例混合後，放入反應器中。並通入氮氣，以5K/min的升溫速率升溫至300℃，恆溫2小時後，通入氨氣，並以3K/min的升溫速率升至900℃，活化2小時。然後在氨氣氣氛下冷卻至300℃以下，通入空氣，繼續冷卻到100℃以下，打開爐門，推出反應器，取出活化料。用水洗活化料，並用水衝洗爐體內的爐門及冷凝管，從而達到回收KOH的目的。回收KOH後，再用水漂洗活性炭5次以上，烘乾生產出產品活性炭。活性炭的孔隙結構與元素含量分析結果見表1。採用本發明的處理方法，活化後排氣管道內沒有發現單質鉀存在，沒有出現單質鉀溶解在水中反應所特有的現象，達到安全生產的目的。實施例7將木炭與KOH按照2:1的比例混合後，放入反應器中。並通入氮氣，以5K/min的升溫速率升溫至300℃，恆溫2小時後，通入氨氣，並以3K/min的升溫速率升至900℃，活化2小時。然後在氨氣氣氛下冷卻至300℃以下，通入空氣和氨氣混合氣體，繼續冷卻到100℃以下，打開爐門，推出反應器，取出活化料。用水洗活化料，並用水衝洗爐體內的爐門及冷凝管，從而達到回收KOH的目的。回收KOH後，再用水漂洗活性炭5次以上，最後烘乾得到活性炭產品。活性炭的孔隙結構與元素含量分析結果見表1。採用本發明的處理方法，活化後排氣管道內沒有發現單質鉀存在，沒有出現單質鉀溶解在水中反應所特有的現象，達到安全生產的目的。對比例1將木炭與KOH按照2:1的比例混合後，放入反應器中。並通入氮氣，以5K/min的升溫速率升溫至300℃，恆溫2小時後，繼續在氮氣氣氛下以3K/min的升溫速率升至850℃，活化2小時。然後在氮氣氣氛下冷卻至100℃以下，推出反應器，取出活化料。用水洗活化料，並用水衝洗爐體內的爐門及冷凝管。回收KOH後，再用水漂洗活性炭5次以上，烘乾生產出產品活性炭。活性炭的孔隙結構與元素含量分析結果見表1。活化後，活化爐壁與排氣管道內發現有單質鉀存在，打開爐門時出現單質鉀與空氣中水蒸氣反應的現象。對比例2將木炭與KOH按照2:1的比例混合後，放入反應器中。並通入氮氣，以5K/min的升溫速率升溫至300℃，恆溫2小時後，繼續在氨氣下以3K/min的升溫速率升至850℃，活化2小時。然後在氮氣氣氛下冷卻至100℃以下，推出反應器，取出活化料。用水洗活化料，並用水衝洗爐體內的爐門及冷凝管。回收KOH後，再用水漂洗活性炭5次以上，烘乾生產出產品活性炭。活性炭的孔隙結構與元素含量分析結果見表1。活化後，活化爐壁與排氣管道內發現有單質鉀存在，，打開爐門時出現單質鉀與空氣中水蒸氣反應的現象。對比例3將木炭與KOH按照2:1的比例混合後，放入反應器中。並通入氮氣，以5K/min的升溫速率升溫至300℃，恆溫2小時後，繼續在氮氣下以3K/min的升溫速率升至850℃，活化2小時。然後在氨氣氣氛下冷卻至300℃以下，通入空氣和氨氣混合氣體，繼續冷卻到100℃以下，打開爐門，推出反應器，取出活化料。用水洗活化料，並用水衝洗爐體內的爐門及冷凝管。回收KOH後，再用水漂洗活性炭5次以上，烘乾生產出產品活性炭。活性炭的孔隙結構與元素含量分析結果見表1。活化後，活化爐壁與排氣管道內沒有發現單質鉀存在。表1活性炭的得率、氮元素含量與孔隙結構數據得率(％)氮元素含量(％)比表面積(m2/g)比孔容積(cm3/g)實施例165.23.421121.135實施例254.83.728791.554實施例367.93.523181.115實施例456.34.125841.383實施例535.14.230671.771實施例658.03.524831.298實施例732.53.934261.880對比例163.90.3120681.099對比例260.22.626471.441對比例363.01.322651.278當前第1頁1 2 3