一種活性炭材料的制備方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于化工領(lǐng)域，涉及一種活性炭材料的制備方法及其應(yīng)用，具體涉及一種 以離子交換樹脂為前驅(qū)體制備高性能活性炭材料的制備方法及其在二氧化碳、苯酚吸附方 面的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 活性炭具有價格低廉、化學(xué)穩(wěn)定性好、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，在吸附、分離、催化等領(lǐng) 域具有廣泛的應(yīng)用，其制備主要是通過木炭、木肩、椰殼、果核、聚合物、煤以及重質(zhì)石油等 經(jīng)炭化活化而制得，其中活化過程對于活性炭的孔道結(jié)構(gòu)有著重要的影響，并最終決定了 材料在目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域的性能優(yōu)劣。
[0003]目前碳材料的活化方法主要包括物理活化法、化學(xué)活化法和復(fù)合活化法：（1)物 理活化法主要有水蒸汽活化法和二氧化碳活化法，如B.G.PrakashKumar等人（Journal ofHazardousMaterials, 2006.B136:p. 922 - 929)以鋸末為原材料、水蒸汽為活化劑 在600-750°C下制備出了具有較大比表面積的活性炭材料；（2)化學(xué)活化法主要有堿試 劑活化法（如采用K0H活化）、酸類試劑活化法（如專利CN201210171210. 8將龍眼果殼 在30-60wt%的H3P04溶液中浸漬，550-650 °C碳化活化后制備出比表面積大、對亞甲基藍(lán) /碘吸附效果好的活性炭材料）和鹽類試劑活化法（如專利CN201110351784. 9將秸桿在 20-50wt%的ZnCl2溶液中浸漬20-30小時，高溫碳化活化最終得到活性炭材料）；（3)復(fù)合 活化法，即將物理活化和化學(xué)活化相結(jié)合的活化方法。
[0004] 其中，相較于物理活化法和復(fù)合活化法，化學(xué)活化法的相關(guān)工藝較為成熟，特別以 K0H為活化劑的應(yīng)用最為廣泛。目前，在活化過程中K0H的加入方式主要有兩種：（1)通 過簡單的固固混合，將物理混合的固體原料粉末與K0H粉末在高溫下活化，如Muniandy 等（MicroporousandMesoporousMaterials, 2014. 197:p. 316-323)和Chen,Z.H等 (ACSAppliedMaterials&Interfaces, 2013. 5(15) :p. 6937-6945.)均是以K0H粉末為 活化劑，經(jīng)不同溫度碳化活化后制備出比表面積大、微孔含量高、二氧化碳吸附性能好 的活性炭材料；（2)預(yù)先將K0H配制成一定濃度的溶液，通過浸漬的方法將K0H物理沉 積在碳材料（或碳材料前驅(qū)體）的孔道內(nèi)，如I.A.W.Tan等人（ChemicalEngineering Journal，2007. 127:p.Ill- 119)將由油棕櫚纖維碳化得到的碳材料浸漬一定量的K0H后， 850°C下高溫活化制備出了能大量吸附亞甲基藍(lán)的活性炭。然而，無論是采用固固混合還是 浸漬的方法制備活性炭的過程中都存在活化劑分布不均勻的情況，這就意味著活化過程難 以在碳骨架中均勻的進(jìn)行。
[0005] 因此，針對上述活性炭化學(xué)活化過程存在的不足，有必要探索采用新原料在新的 制備方法及其條件下制備活性炭材料，從而有效改善活性炭的活化效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種活性炭材料的制備方 法及其應(yīng)用，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中活性炭材料在化學(xué)活化過程存在的問題，從而提高活性 炭材料在二氧化碳吸附、苯酚吸附等領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明第一方面提供了一種活性炭材料的制備 方法，具體包括以下步驟：
[0008] 1)取活化劑水溶液，加入離子交換樹脂，攪拌混合后進(jìn)行離子交換；
[0009] 優(yōu)選地，所述活化劑選自Ca(N03) 2、CaCl2、Mg(N03) 2、MgCl2、NaOH、NaCl、NaN03、K0H、 KC1、KN03中的任意一種。更優(yōu)選地，所述活化劑為KOH。
[0010] 優(yōu)選地，所述活化劑水溶液的濃度為0.l_5mol/L。
[0011] 優(yōu)選地，所述離子交換樹脂選自D001 (大孔強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂）、 D113(大孔弱酸性丙烯酸系陽離子交換樹脂）、001X7(交聯(lián)度為7的強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離 子交換樹脂）、732 (強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂）、D751 (螯合型陽離子交換樹脂）離 子交換樹脂中的任意一種。更優(yōu)選地，所述離子交換樹脂為001X7 (交聯(lián)度為7的強(qiáng)酸性 苯乙烯系陽離子交換樹脂）離子交換樹脂。
[0012] 所述離子交換樹脂為活性炭前驅(qū)體。所述0001、0113、001乂7、732、0751離子交換 樹脂均為可從市場上獲得的商業(yè)化的離子交換樹脂。其中，D001指大孔強(qiáng)酸性苯乙烯系陽 離子交換樹脂，D113指大孔弱酸性丙烯酸系陽離子交換樹脂，001X7指交聯(lián)度為7的強(qiáng)酸 性苯乙烯系陽離子交換樹脂，732指強(qiáng)酸性苯乙烯系陽離子交換樹脂，D751指螯合型陽離 子交換樹脂。
[0013] 優(yōu)選地，所述離子交換樹脂與活化劑水溶液的體積比為1 :0. 1-2。更優(yōu)選地，所述 離子交換樹脂與活化劑水溶液的體積比為1 :2。
[0014] 優(yōu)選地，所述攪拌條件為：攪拌溫度：20-4(TC;攪拌時間：6_72小時；更換活化劑 水溶液的時間：2_24小時。所述攪拌時需要每間隔一段時間更換一次活化劑水溶液。
[0015] 更優(yōu)選地，所述攪拌條件為：攪拌溫度：30°C;攪拌時間：32小時；更換活化劑水溶 液的時間：8小時。
[0016] 2)將步驟1)所得到的混合物進(jìn)行洗滌、過濾后干燥，即得所需樹脂；
[0017] 優(yōu)選地，所述洗滌采用去離子水將混合物洗滌至中性。所述混合物的pH為 6. 8~7, 2〇
[0018] 所述過濾為常規(guī)過濾方式。所述過濾是將洗滌至中性的混合物上未參與離子交換 的離子過濾去除。
[0019] 優(yōu)選地，所述干燥溫度為80_150°C。更優(yōu)選地，所述干燥溫度為100°C。
[0020] 優(yōu)選地，所述樹脂為摻雜活化劑中堿性金屬離子的樹脂。
[0021]3)選自以下任一：
[0022] a.將步驟2)處理所得到的樹脂在N2氣氛下碳化；
[0023] 優(yōu)選地，所述碳化條件為：N2流量：30-200mL/min;碳化溫度：300-1000°C;升溫速 率：1-10°C/min;碳化時間：0. 5-6小時。
[0024] 更優(yōu)選地，所述碳化條件為：N2流量：100mL/min;碳化溫度：500-800°C;升溫速 率：5°C/min;碳化時間：3小時。
[0025] b.將步驟2)處理所得到的樹脂在空氣中預(yù)氧化后，再在N2氣氛下碳化；
[0026] 優(yōu)選地，所述預(yù)氧化條件為：空氣流量：30-200mL/min;預(yù)氧化溫度：100-300°C; 升溫速率：l-l〇°C/min;預(yù)氧化時間：0. 5-6小時。
[0027] 更優(yōu)選地，所述預(yù)氧化條件為：空氣流量：100mL/min;預(yù)氧化溫度：200°C;升溫速 率：5°C/min;預(yù)氧化時間：1小時。
[0028] 優(yōu)選地，所述碳化條件為：N2流量：30-200mL/min;碳化溫度：300-1000°C;升溫速 率：1-10°C/min;碳化時間：0. 5-6小時。
[0029] 更優(yōu)選地，所述碳化條件為：N2流量：100mL/min;碳化溫度：500-800°C;升溫速 率：5°C/min;碳化時間：3小時。
[0030] 優(yōu)選地，在步驟a、b中，所述樹脂的用量為3_15g。更優(yōu)選地，所述樹脂的用量為 10g〇
[0031] 針對不同的樹脂，可以選擇采用步驟a、b中一種方式進(jìn)行碳化，其中，有些樹脂采 用在碳化前先預(yù)氧化，效果更好。
[0032] 4)將步驟3)所得到的碳材料洗滌后干燥，即得所需活性炭材料。
[0033] 優(yōu)選地，所述洗滌采用鹽酸水溶液先洗滌后，再采用去離子水將碳材料洗滌至中 性。
[0034] 更優(yōu)選地，所述鹽酸水溶液的濃度為0. 05_2mol/L。最優(yōu)選地，所述鹽酸水溶液的 濃度為〇?lmol/L〇
[0035] 更優(yōu)選地，所述鹽酸水溶液的洗滌時間為1-6小時。最優(yōu)選地，所述鹽酸水溶液的 洗滌時間為2小時。
[0036] 優(yōu)選地，所述干燥溫度為80_150°C。更優(yōu)選地，所述干燥溫度為100°C。
[0037] 所述活性炭材料可保持原有離子交換樹脂的球形外觀，也可經(jīng)研磨獲得粉末狀活 性炭材料。
[0038] 本發(fā)明第二方面還公開了采用上述方法所制備獲得的一種活性炭材料。<