碳素化學(xué)與工藝-多孔碳材料

1、多孔炭材料多孔炭材料炭素化學(xué)及工藝炭素化學(xué)及工藝多孔炭材料多孔炭材料l所謂多孔炭材料是指具有不同孔結(jié)構(gòu)的碳素材料，其孔大小從具有相當(dāng)于分子大小的納米級(jí)超細(xì)微孔直到適于微生物增殖及活動(dòng)的微米級(jí)細(xì)孔。l作為新材料，它們又具有耐高溫、耐酸堿、導(dǎo)電、傳熱等一系列優(yōu)點(diǎn)。多種形態(tài)的活性炭是這類材料的典型例子，它們?cè)跉怏w和液體的精制、分離以及水處理和空氣凈化等方面已得到廣泛的應(yīng)用。 活性炭 活性碳纖維 碳分子篩多孔炭材料之一多孔炭材料之一活性炭活性炭主要內(nèi)容主要內(nèi)容l活性炭簡(jiǎn)介 l活性炭結(jié)構(gòu)l活性炭的制備 l活性炭的應(yīng)用活性炭的基本性質(zhì)活性炭的國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀高比表面積活性炭的研究進(jìn)展微晶結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)、表面

2、化學(xué)官能團(tuán)活性炭表面形貌原料來(lái)源活化方法與工藝活化機(jī)理吸附材料催化劑載體儲(chǔ)氫儲(chǔ)電簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介lAC是黑色多孔物質(zhì)，由微晶炭和無(wú)定型炭構(gòu)成，含有灰分。lAC的突出優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大，具有優(yōu)良的吸附性能和良好的化學(xué)穩(wěn)定性、物理穩(wěn)定性以及使用失效后容易再生等性能。l它能脫色、脫臭、脫硫、脫苯，還能選擇性地脫除液相或氣相中某些化學(xué)雜質(zhì)。l它也能吸附某些物質(zhì)作為催化劑，使化學(xué)反應(yīng)速度大大加快，是良好的催化劑裁體。lAC廣泛用于國(guó)防、化工、石油、電子、紡織、食品、醫(yī)藥、交通能源、農(nóng)業(yè)、原子能工業(yè)、城建、環(huán)保等方面。 國(guó)內(nèi)外活性炭的生產(chǎn)現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外活性炭的生產(chǎn)現(xiàn)狀 l二戰(zhàn)前后，美國(guó)的AC產(chǎn)量一直居

3、世界第一位。80年代后，第三世界國(guó)家的AC工業(yè)開始發(fā)展，產(chǎn)量逐漸增加，到目前，世界五大洲40多個(gè)國(guó)家生產(chǎn)AC，年產(chǎn)量達(dá)70多萬(wàn)噸。 l國(guó)外AC工業(yè)起步較早，活性炭需求量也與日俱增。西方一些方達(dá)國(guó)家在環(huán)保方面的人均活性炭需求量達(dá)到300-400克/年人。目前世界活性炭年消費(fèi)量超過(guò)70萬(wàn)噸，并以每年15%的速度遞增長(zhǎng)。 l我國(guó)的AC產(chǎn)量也一直呈上升的趨勢(shì)，單從出口來(lái)看，我國(guó)早在1995年就已超過(guò)美國(guó)，成為活性炭最大的出口國(guó)。 高比表面積活性炭的研究進(jìn)展高比表面積活性炭的研究進(jìn)展l早在20世紀(jì)70年代，美、日等國(guó)已開展高比表面AC的研究工作，并獲得比表面積3000m2/g的實(shí)驗(yàn)室樣品。lAMOCO公

4、司研究發(fā)現(xiàn)，在煤或石油焦中加入數(shù)倍的堿活化處理可使AC比表面迅速提高，得到前所未有的高吸附容量的AC。從此采用KOH作活化劑的化學(xué)活化法制備高比表面積、性能良好AC的新型方法及產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。l日本以雙電層電容的應(yīng)用為契機(jī)，加強(qiáng)對(duì)高吸附能力AC的研究工作。關(guān)西熱化學(xué)株式會(huì)社用KOH活化石油焦制備出高比表面AC，并在1992年投產(chǎn)，商品牌號(hào)為MAXS0RB。日本大阪煤氣公司以中間相炭微粒為原料，通過(guò)KOH活化制得了比表面積高達(dá)4000m2/g的AC。高比表面積活性炭的研究進(jìn)展高比表面積活性炭的研究進(jìn)展l我國(guó)學(xué)者在20世紀(jì)90年代展開了類似研究,并取得一定進(jìn)展l東北林大的郭幼庭等人以水解木質(zhì)素為原料

5、，以堿類化合物為活化劑制得了比表面積近3000m2/g的木質(zhì)AC；l山西煤化所的喬文明等采用氧化瀝青為原料，以KOH粉末為活化劑，制得比表面積在3000m2/g左右的AC；l武漢冶金科技大學(xué)的歐陽(yáng)曙光等以中溫煤瀝青為原料，KOH活化制得比表面積2377m2/g的AC，其比孔容積為1.50cm3/gl湖南大學(xué)的劉洪波等以長(zhǎng)嶺石油焦為原料，采用KOH活化制得比表面積為3231m2/g的AC；l大連艦艇學(xué)院的梅建庭等以煤瀝青為原料，采用KOH活化制出比表面積為2690m2/g的AC。活性炭的結(jié)構(gòu)活性炭的結(jié)構(gòu) l微晶結(jié)構(gòu)微晶結(jié)構(gòu) 亂層結(jié)構(gòu) 無(wú)序結(jié)構(gòu)l孔隙結(jié)構(gòu)孔隙結(jié)構(gòu) 大孔 中孔 微孔l化學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)結(jié)構(gòu)

6、 表面氧化物 雜原子 活性炭表面形貌活性炭表面形貌原料來(lái)源原料來(lái)源 類別品種植物類木材，木炭，椰子殼，果核，稻殼，纖維素，紙漿廢液等煤類泥煤，褐煤，無(wú)煙煤，煤瀝青石油原料石油焦，石油瀝青，石油渣，油砂地瀝青塑料聚氯乙烯，聚丙烯，各種樹脂等其它砂糖，蜜糖，舊輪胎等制備方法制備方法 l物理活化法物理活化法 利用氣體介質(zhì)對(duì)原料進(jìn)行活化成孔l化學(xué)活化法化學(xué)活化法 利用化學(xué)試劑對(duì)原料進(jìn)行活化成孔l化學(xué)化學(xué)-物理活化法物理活化法 先化學(xué)活化再用物理法進(jìn)一步擴(kuò)孔物理活化法工藝流程圖物理活化法工藝流程圖混合成型炭化活化洗滌干燥分級(jí)產(chǎn)品原料 粘結(jié)劑水蒸汽優(yōu)點(diǎn)：對(duì)環(huán)境無(wú)污染，缺點(diǎn)是收率不高，活化溫度較高?；罨橘|(zhì)

7、:CO2、空氣、煙道氣等l反應(yīng)主要工序?yàn)樘炕突罨瘍蓚€(gè)階段。l炭化就是將原料加熱，預(yù)先除去其中的揮發(fā)成分，制成適合于下一步活化用的炭化料。炭化的實(shí)質(zhì)是有機(jī)物的熱解過(guò)程，包括熱分解反應(yīng)和熱縮聚反應(yīng)，在高溫條件下，有機(jī)化合物中所含的氫、氧等元素的組成被分解，炭原子不斷環(huán)化，芳構(gòu)化，結(jié)果使氫、氧、氮等原子不斷減少，炭不斷富集，最后成為富炭或純炭物質(zhì)。物理活化法工藝物理活化法工藝l炭化過(guò)程分為400以下的一次分解反應(yīng)，400-700的氧鍵斷裂反應(yīng)，700-1000的脫氧反應(yīng)等三個(gè)反應(yīng)階段，經(jīng)過(guò)上述三個(gè)反應(yīng)階段獲得縮合苯環(huán)平面狀分子而形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的炭化物。炭化物的吸附能力低，這是由于炭中含有一部分碳

8、氫化合物、細(xì)孔容積小以及細(xì)孔被堵塞等原因所致。物理活化法工藝物理活化法工藝l活化階段通常在大約900下，把炭暴露于氧化性氣體介質(zhì)中進(jìn)行處理而構(gòu)成?；罨哪康氖乔宄炕^(guò)程中積蓄在孔隙結(jié)構(gòu)中的焦油物質(zhì)及裂解產(chǎn)物，以提高孔容積或比表面積?；罨^(guò)程分為兩個(gè)階段，第一階段除去被吸附質(zhì)并使被堵塞的細(xì)孔開放；進(jìn)一步活化使原來(lái)的細(xì)孔和通路擴(kuò)大；隨后，由于碳質(zhì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)性能高的部分的選擇性氧化而形成了微孔組織。 物理活化法工藝物理活化法工藝物理活化機(jī)理物理活化機(jī)理 水蒸汽活化機(jī)理：kJCOCOC16322CO2活化機(jī)理：kJCOHOHC13022kJCOHOHC9722222 活化過(guò)程中，氣體與碳發(fā)生反應(yīng)的同時(shí)

9、，使被吸附的碳?xì)浠衔锊糠值匕l(fā)生分解而除去?；罨谝浑A段，除去被吸附質(zhì)并使被堵塞的細(xì)孔放開；進(jìn)一步活化，使原來(lái)的細(xì)孔和通路擴(kuò)大；隨后，由于碳質(zhì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)性能高的部分的選擇性氧化而形成了微孔組織?；瘜W(xué)活化法工藝流程圖化學(xué)活化法工藝流程圖活化干燥產(chǎn)品原料破碎脫水酸洗水洗KOH活化劑:KCNS、H3PO4、H2SO4、ZnCl2、NaOH等優(yōu)點(diǎn)：炭化活化一次同步完成的，且所需的反應(yīng)溫度低，碳收率高，AC內(nèi)外均勻性好，比表面積高。缺點(diǎn)：污染腐蝕大，AC中化學(xué)藥劑易殘留。 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置 空氣或氮?dú)饪販貎x熱電偶管式爐尾氣吸收裝置氣體流量計(jì)瓷管KOH活化機(jī)理活化機(jī)理 一般認(rèn)為，碳材料與KOH的主要反應(yīng)方程

10、為：223224HOKCOKCKOH還有如下反應(yīng)發(fā)生：OHOKKOH222COHOHC22222COHOHCO3222COKCOOKOHKHOK2222COKCOK22COKCCOK32232KOH作為活化劑的成孔機(jī)理作為活化劑的成孔機(jī)理認(rèn)為反應(yīng)分為低溫脫水低溫脫水和高溫活化高溫活化兩個(gè)階段。通常500以下低溫脫水階段幾乎沒(méi)有成孔反應(yīng)，600時(shí)有一定微孔生成，800生成中、大孔反應(yīng)明顯加速。在活化劑的作用下，消耗掉的碳主要生成了碳酸鉀，從而使產(chǎn)物具有很大的比表面積，在800左右，金屬鉀(沸點(diǎn)762)析出，鉀蒸氣不斷擠入碳層之間進(jìn)行活化?；罨磻?yīng)從原料外表面開始、逐漸向顆粒內(nèi)部擴(kuò)展，這就是所謂的

11、徑向活化?；罨瘻囟仍礁?、活化時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于徑向活化過(guò)程。但過(guò)高的活化溫度與活化時(shí)間也會(huì)促使橫向活化的進(jìn)行，使產(chǎn)物微孔分布變寬、大孔比重增加。炭化樣與活化樣圖炭化樣與活化樣圖 活性炭的主要性能表征活性炭的主要性能表征 l比表面積及孔徑分布比表面積及孔徑分布比表面測(cè)定儀 l孔隙結(jié)構(gòu)孔隙結(jié)構(gòu) l表面化學(xué)結(jié)構(gòu)表面化學(xué)結(jié)構(gòu) l微晶結(jié)構(gòu)微晶結(jié)構(gòu) BET吸附理論吸附理論l吸附的發(fā)生是由于吸附質(zhì)分子與吸附劑表面分子發(fā)生相互吸附的發(fā)生是由于吸附質(zhì)分子與吸附劑表面分子發(fā)生相互作用。作用。吸附作用一般分為兩類，一種為物理吸附物理吸附，即吸附質(zhì)分子與吸附劑之間的作用力是范德華引力，另一種為化化學(xué)吸附學(xué)吸附，即吸附

12、質(zhì)分子與吸附劑之間形成表面化學(xué)鍵。 l吸附等溫線是在恒定溫度下平衡吸附量與被吸附氣體壓力的關(guān)系曲線 。BET吸附理論吸附理論吸附等溫線類型不同恒溫時(shí)間下前驅(qū)體制備的活性炭比表面積不同恒溫時(shí)間下前驅(qū)體制備的活性炭比表面積AC-h1AC-h2AC-h3AC-h40200400600800100012001400Specific surface area / m2/gSample不同預(yù)氧化恒溫時(shí)間下活性炭的吸附等溫線不同預(yù)氧化恒溫時(shí)間下活性炭的吸附等溫線 0.00.20.40.60.81.0210240270300330360390420 P/P0Volume / cm3/g AC-h1 AC-h2

13、 AC-h3 AC-h4不同恒溫時(shí)間前驅(qū)體制得活性炭中孔孔徑分布不同恒溫時(shí)間前驅(qū)體制得活性炭中孔孔徑分布2468100.0000.0040.0080.0120.0160.020Desorption Dv(d) / cm3/gPore Diameter / nm AC-h1 AC-h2 AC-h3 AC-h4不同恒溫時(shí)間前驅(qū)體制得活性炭微孔孔徑分布不同恒溫時(shí)間前驅(qū)體制得活性炭微孔孔徑分布0.40.60.81.01.21.41.61.82.00.0000.0020.0040.0060.0080.0100.012Pore Width / nmDesorption Dv(w) / cm3/g AC-h

14、1 AC-h2 AC-h3 AC-h4實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)l以煤瀝青為原料制備高比表面積活性炭，設(shè)計(jì)工藝流程。l指出要考察哪些因素的影響？如何安排實(shí)驗(yàn)進(jìn)程？實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)炭化活化干燥產(chǎn)品煤瀝青預(yù)氧化浸漬酸洗水洗KOH粒度溫度、時(shí)間粉碎堿炭比灰分比表面積Ph值元素分析軟化點(diǎn)灰分、揮發(fā)分溫度、時(shí)間軟化點(diǎn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)l考察因素l原料分析（元素組成、灰分、揮發(fā)分、軟化點(diǎn)）l預(yù)氧化條件（預(yù)氧化溫度、時(shí)間、氧化介質(zhì)及流量、升溫速率）l前驅(qū)體粒度、堿炭浸漬比、分散劑的選擇等l炭化條件（炭化溫度、時(shí)間、升溫速率）l活化條件（活化溫度、時(shí)間、升溫速率）l產(chǎn)品性能（灰分、比表面積、孔徑分布）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)l實(shí)

15、驗(yàn)安排l第一階段，原料分析l第二階段，預(yù)氧化，溫度400450 、時(shí)間14h、升溫速率0.510/min l第三階段，炭化，活化水平炭化溫度(A)炭化時(shí)間(B)min活化溫度(C)活化時(shí)間(D)min13503080080240045850100345060900120表 煤瀝青特性參數(shù)軟化點(diǎn)甲苯不溶物揮發(fā)分灰分碳?xì)淞?330.05%52.22% 0.50% 92.30% 4.16%0.42%CPPC-r0.5PC-r2PC-r5PC-r100102030405060708090100 Volatile matter content TI contentSamplewt / %圖 煤瀝青與不同

16、升溫速率下前驅(qū)體中揮發(fā)分及TI含量(a) (c)圖 不同升溫速率得到前驅(qū)體偏光顯微圖(b)(d)(e) (a) CP (b) PC-r0.5 (c) PC-r2 (d) PC-r5 (e) PC-r10(a) (b) (c) 圖 煤瀝青與各前驅(qū)體SEM圖(a) CP (b) PC-r0.5 (c) PC-r2 (d) PC-r5 (e) PC-r10(d) (e)ACAC-r0.5AC-r2AC-r5AC-r100200400600800100012001400Specific surface area / m2/gSample圖 由煤瀝青與不同升溫速率下前驅(qū)體制備的活性炭BET比表面積246

17、810120.0000.0050.0100.0150.0200.0250.030 Pore Diameter / nmDesorption Dv(d) / cm3/nm.g AC AC-r0.5 AC-r2 AC-r5 AC-r10圖 由煤瀝青與不同升溫速率下前驅(qū)體制備的活性炭中孔孔徑分布0.40.60.81.01.21.41.61.82.0-0.0020.0000.0020.0040.0060.0080.0100.0120.0140.0160.018 Pore Width / nmDesorption Dv(w) / cm3/nm.g AC AC-r0.5 AC-r2 AC-r5 AC-r1

18、0圖 由煤瀝青與不同升溫速率下前驅(qū)體制備的活性炭微孔孔徑分布(a) (b) (c) (d) (e) 圖 活性炭SEM圖(a) AC (b) AC-r0.5 (c) AC-r2 (d) AC-r5 (e) AC-r10表 前驅(qū)體粒度對(duì)活性炭的影響粒度(mm)總孔容(cm3/g)中孔比率(%)微孔比率(%)平均孔徑(nm)比表面積(m2/g)碘吸附(mg/g)0.0610.736118.0381.972.036144613050.0610.10.472916.4183.592.00794314160.10.1540.571116.0483.962.00311419640.1540.180.4434

19、17.5582.452.02587610420.1540.57602.8697.141.71113281282表 堿/炭對(duì)活性炭的影響堿/炭總孔容(cm3/g)中孔孔容(cm3/g)中孔比率(%)微孔孔容(cm3/g)微孔比率(%)平均孔徑(nm)1:10.36000.01694.690.343195.311.9922:10.51620.01713.310.499196.691.7753:10.54620.01683.080.529496.921.7274:10.57600.01652.860.559597.141.7115:10.72200.02944.070.692695.931.7296

20、:10.91010.154116.930.756083.071.994表 正交設(shè)計(jì)(比表面積)結(jié)果與分析序序號(hào)號(hào)炭化溫度炭化溫度(A)(A)炭化時(shí)間炭化時(shí)間(B)(B)minmin活化溫度活化溫度(C)(C)活化時(shí)間活化時(shí)間(D)(D)minmin比表面積比表面積m m2 2/g/g1 11 11 11 11 1173817382 21 12 22 22 2125512553 31 13 33 33 3123712374 42 21 12 23 3146814685 52 22 23 31 1110611066 62 23 31 12 2151115117 73 31 13 32 218251

21、8258 83 32 21 13 3118911899 93 33 32 21 115131513M M1 1M MA1A1=4230=4230M MB1B1=5031=5031M MC1C1=4438=4438M MD1D1=4357=4357=1284212842M M2 2M MA2A2=4085=4085M MB2B2=3550=3550M MC2C2=4236=4236M MD2D2=4591=4591/9=1427/9=1427M M3 3M MA3A3=4527=4527M MB3B3=4261=4261M MC3C3=4168=4168M MD3D3=3894=3894m m1

22、 1m mA1A1=1410=1410m mB1B1=1677=1677m mC1C1=1479=1479m mD1D1=1452=1452m m2 2m mA2A2=1362=1362m mB2B2=1183=1183m mC2C2=1412=1412m mD2D2=1530=1530m m3 3m mA3A3=1509=1509m mB3B3=1420=1420m mC3C3=1389=1389m mD3D3=1298=1298R RR RA A=147=147R RB B=494=494R RC C=90=90R RD D=232=232活性炭的應(yīng)用活性炭的應(yīng)用 l作為氣、液相吸附劑的應(yīng)

23、用作為氣、液相吸附劑的應(yīng)用 l作為催化劑和催化劑載體的應(yīng)用作為催化劑和催化劑載體的應(yīng)用 l作為電池電極材料及儲(chǔ)氫材料的應(yīng)用作為電池電極材料及儲(chǔ)氫材料的應(yīng)用l其它應(yīng)用其它應(yīng)用 多孔炭材料之二活性炭纖維活性炭纖維 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 活性碳纖維是指碳纖維及可碳化纖維經(jīng)過(guò)物理活化、化學(xué)活化或兩者兼有的活化反應(yīng)所制得的具有豐富和發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)的功能型碳纖維。其多用作吸附材料、催化劑材料、電極材料等。 ACF是隨CF工業(yè)發(fā)展而開發(fā)的一代多孔吸附材料,也是傳統(tǒng)吸附材料粉狀、粒狀活性炭的更新?lián)Q代產(chǎn)品。發(fā)展歷史發(fā)展歷史 最初將傳統(tǒng)的粉狀或細(xì)粒狀活性炭吸附在有機(jī)纖維上或灌到空心有機(jī)纖維里制成FAC，但性能不夠理想； 至于年

24、代初期，在CF工業(yè)得以發(fā)展的基礎(chǔ)上，人們將CF進(jìn)行活化處理，才獲得這種新型的吸附性能優(yōu)異的ACF。 考慮到CF價(jià)格較昂貴，人們改進(jìn)了生產(chǎn)工藝，開始用有機(jī)可碳化纖維為原料來(lái)代替CF，使之經(jīng)過(guò)預(yù)處理和碳化/活化處理，制得了ACF。ACF與與AC相比，具有如下特點(diǎn)相比，具有如下特點(diǎn) 1.單絲直徑細(xì)，約8-12m；活性炭為1-3mm，表面積大，約比粒狀A(yù)C在兩位數(shù)，吸附面積大；2.有效吸附孔分布窄，屬于單分散型，活性炭屬于多分散型孔分布；3.沒(méi)有或很少有大孔，且為徑向開孔擴(kuò)散阻力小，吸附、脫附有行程短，吸脫速度快，約為活性炭的10-100倍；4.外表面積（0.2-2m2/g)較AC（0.001m2/g

25、)大得多，吸附位多，吸附容量大；ACF與與AC相比，具有如下特點(diǎn)相比，具有如下特點(diǎn) 5.體密度小，漏損小，處理速度快，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化、高效化和自動(dòng)化；6.雜質(zhì)少，純度高，不會(huì)污染吸附的氣體或液體；7.強(qiáng)度高，粉塵少，不會(huì)造成二次污染；8.形態(tài)好，后加工性好，適應(yīng)性強(qiáng)，有纖維、布、氈、紙以及蜂窩結(jié)構(gòu)、波紋板和各種定型制品；9.易再生，失活少，使用壽命長(zhǎng)。10.導(dǎo)電、導(dǎo)熱、蓄熱量小，操作、維修方便，使用安全。結(jié)構(gòu)與性能結(jié)構(gòu)與性能 晶體結(jié)構(gòu)：非晶態(tài)的無(wú)定型碳結(jié)構(gòu)，其中存在著大而不同的無(wú)數(shù)氣孔和微孔。 孔隙結(jié)構(gòu)：一般而言，ACF比表面積可達(dá)到1500-3000m2/g，微孔孔徑在1nm左右，微孔體積

26、占總孔體積90%以上。 表面含氧基團(tuán)：ACF表面具有一系列含氧官能團(tuán)，如羥基、酯基、羧基等等。結(jié)構(gòu)與性能結(jié)構(gòu)與性能 表面形態(tài)結(jié)構(gòu)：ACF的功能化ACF形態(tài)改變結(jié)構(gòu)改變碳合金化布、氈、織物、紙、蜂窩、模塊高比表面積ACF中孔型ACF分子篩型ACF高導(dǎo)電導(dǎo)熱型表面改性酸性/堿性ACF親水性/疏水性ACF載金屬離子氟化ACF硅化磺化脫臭型環(huán)保型抗菌型氟化SiC-ACF離子交換ACF原料原料原料黏膠基PAN基酚醛基瀝青基PVA基化學(xué)式 C6H10O5nC3H3NnC63H55O11n C124H80NOnC2H4On理論碳收率44.4%67.9 %76.6 %93.1 %54.5 %工藝特點(diǎn)原料低廉，

27、收率低，強(qiáng)度低，比表面積1600 m2/g,工藝較復(fù)雜比表面積OO2 2分子分子(0.28(0.280.39nm)0.39nm)。 N N2 2分子在沸石分子篩上的吸附量大，是由于分子在沸石分子篩上的吸附量大，是由于N N2 2分子的分子的四極距大于四極距大于O O2 2分子的四極距，沸石分子篩表面靜電場(chǎng)與四分子的四極距，沸石分子篩表面靜電場(chǎng)與四極距相互作用，表現(xiàn)為沸石分子篩對(duì)極距相互作用，表現(xiàn)為沸石分子篩對(duì)N N2 2分子的吸附力大于分子的吸附力大于對(duì)對(duì)O O2 2分子的吸附力，因此分子的吸附力，因此N N2 2的吸附量就大。的吸附量就大。 CMSCMS用空分是基于擴(kuò)散速率不同。用空分是基于

28、擴(kuò)散速率不同。CMSCMS的孔徑狹小，空的孔徑狹小，空分分時(shí)，由于時(shí)，由于O O2 2分子直徑分子直徑NN2 2，較小的，較小的O O2 2分子以比分子以比N N2 2分子快的分子快的擴(kuò)擴(kuò)散速率進(jìn)入散速率進(jìn)入CMSCMS的內(nèi)部孔隙中被吸附下來(lái)，導(dǎo)致的內(nèi)部孔隙中被吸附下來(lái)，導(dǎo)致O O2 2、 N N2 2分分別別在吸附相和氣相富集，從而在變壓吸附條件下實(shí)現(xiàn)分離。在吸附相和氣相富集，從而在變壓吸附條件下實(shí)現(xiàn)分離。碳分子篩的分離實(shí)例碳分子篩的分離實(shí)例 CMS CMS從焦?fàn)t煤氣中分離氫就是一個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例。從焦?fàn)t煤氣中分離氫就是一個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例。焦?fàn)t氣中的所有成分都可以被焦?fàn)t氣中的所有成分都可以被

29、CMSCMS吸附下來(lái)。由于氫的分吸附下來(lái)。由于氫的分子量最小，其吸附容量最低，故直接穿過(guò)吸附塔，而其他子量最小，其吸附容量最低，故直接穿過(guò)吸附塔，而其他成分，如成分，如CHCH4 4、COCO、COCO2 2和和N N2 2等組分則被吸附。等組分則被吸附。 應(yīng)當(dāng)指出，隨應(yīng)當(dāng)指出，隨CMSCMS應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，關(guān)于不同成分的應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，關(guān)于不同成分的分離機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。分離機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。碳分子篩的分離實(shí)例碳分子篩的分離實(shí)例碳分子篩的制備碳分子篩的制備 制造制造CMSCMS的原料非常廣泛，從天然產(chǎn)物到合成的高的原料非常廣泛，從天然產(chǎn)物到合成的高分子聚合物均可用來(lái)制造分子聚合物均可

30、用來(lái)制造CMSCMS，包括煤、木材、果殼、，包括煤、木材、果殼、石油焦、瀝青、碳纖維等。石油焦、瀝青、碳纖維等。 一般來(lái)講，選擇原料時(shí)要考慮原料的一般來(lái)講，選擇原料時(shí)要考慮原料的灰分灰分、揮發(fā)分揮發(fā)分、含碳量含碳量等因素。等因素。 碳分子篩的制備碳分子篩的制備 CMS CMS的制備工藝因原料的不同而存在差異。粒的制備工藝因原料的不同而存在差異。粒狀的狀的CMSCMS的技術(shù)路線基本相似，可以概括如下：的技術(shù)路線基本相似，可以概括如下： 前驅(qū)體材料前驅(qū)體材料 粉碎粉碎 預(yù)處理預(yù)處理 加膠粘劑捏合成型加膠粘劑捏合成型 干燥干燥 碳化碳化 （活化活化） 調(diào)整孔徑分布調(diào)整孔徑分布 CMSCMS揮發(fā)分從碳

31、質(zhì)基體揮發(fā)分從碳質(zhì)基體中的孔道逃逸，從中的孔道逃逸，從而造成新的也孔隙而造成新的也孔隙并使表面積增大并使表面積增大碳質(zhì)基體表面、邊緣活潑的碳氧子碳質(zhì)基體表面、邊緣活潑的碳氧子與氧化性氣氛發(fā)生反應(yīng)形成孔隙，與氧化性氣氛發(fā)生反應(yīng)形成孔隙，或使封閉孔打開?；蚴狗忾]孔打開?；罨瘎┯校核魵?、空氣、活化劑有：水蒸氣、空氣、CO2、KOH、KCl、ZnCl2、H3PO4等等 熱收縮熱收縮 控制前驅(qū)體的碳化條件、均勻造孔控制前驅(qū)體的碳化條件、均勻造孔 有機(jī)物涂在碳質(zhì)吸附劑上后，經(jīng)固化和碳化，有機(jī)物涂在碳質(zhì)吸附劑上后，經(jīng)固化和碳化， 使涂層形成微孔炭起到了分子篩的作用使涂層形成微孔炭起到了分子篩的作用 化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法 浸漬有機(jī)溶液再碳化浸漬有機(jī)溶液再碳化 無(wú)機(jī)物浸漬無(wú)機(jī)物浸漬常用控制孔徑的方法常用控制孔徑的方法例：以煤為原料制備例：以煤為原料制備CMS煤煤預(yù)氧化預(yù)氧化粉碎粉碎混合混合積壓成型積壓成型干燥干燥碳化碳化活化活化碳沉積碳沉積產(chǎn)品產(chǎn)品粘結(jié)劑粘結(jié)劑助劑助劑對(duì)黏結(jié)性煙煤和高對(duì)黏結(jié)性煙煤和高變