專利名稱：一種負載氮化鈦的活性炭吸附劑及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種活性炭及制備方法，尤其涉及負載氮化鈦的活性炭吸附劑及制備方法，屬于吸附劑技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
據(jù)資料統(tǒng)計，我國每年有180億m3以上的純甲烷混入礦井風(fēng)流中通過乏風(fēng)排空，相當(dāng)于3600多萬噸煤炭被白白浪費掉。不僅如此，甲烷的溫室效應(yīng)是CO2的21倍，對大氣臭氧層的破壞能力為CO2的7倍，甲烷排入大氣對大氣環(huán)境的破壞，已經(jīng)成為全世界共同面臨的重大環(huán)境問題。由于流量大、濃度低、富集效率低、存在安全隱患、綜合利用困難，煤礦、乏風(fēng)中瓦斯富集技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用挑戰(zhàn)性很強，成為世界各產(chǎn)煤大國共同關(guān)心的前沿?zé)狳c問題。高效吸附劑的研制也成為制約煤礦乏風(fēng)瓦斯回收利用的重要技術(shù)。許多研究N2、C02、CH4和O2在活性炭上的吸附平衡的實驗結(jié)果表明活性炭對甲烷具有優(yōu)先吸附的性能。至今為止，還沒有發(fā)現(xiàn)以高溫焙燒負載TiO2的活性炭吸附劑制備負載TiN的活性炭吸附劑的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為了提高活性炭對CH4的吸附量，而提供一種負載氮化鈦的活性炭吸附劑及制備方法，采用高溫焙燒負載TiO2的活性炭吸附劑來制備負載TiN的活性炭吸附劑的辦法，調(diào)節(jié)活性炭表面的孔口結(jié)構(gòu)和孔口尺寸，改變分子表面極性，提高CH4的吸附量和常壓穿透時間。本發(fā)明方法操作簡單、環(huán)境友好、經(jīng)濟，可用于大規(guī)模生產(chǎn)負載氮化鈦活性炭吸附劑。一種負載氮化鈦的活性炭吸附劑，其特征在于，氮化鈦負載在活性炭上，形成結(jié)合體顆粒。本發(fā)明提出一種負載氮化鈦的活性炭吸附劑的制備方法，具體包括如下步驟(I)對活性炭采用超聲波進行預(yù)處理，去除活性炭中的粉末和油類物質(zhì)，用去離子水洗滌，抽濾，烘干；(2)將TiCl3配置成濃度為0. 3-0. 7mol/L (優(yōu)選0. 5mol/L)的TiCl3鹽酸溶液，將其轉(zhuǎn)移到不銹鋼反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)膽中；(3)將步驟(I)得到的處理后的活性炭加入到步驟(2)配置的溶液中，將不銹鋼反應(yīng)釜擰緊，放置在程序升溫控制的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中進行水熱處理，水熱處理溫度為160-200°C，處理時間為12-24h后自然降至室溫；將水熱處理后的活性炭進行洗滌、抽濾、烘干，即得負載二氧化鈦的活性炭吸附劑。(4)在氮氣保護下，將步驟(3)得到的負載二氧化鈦的活性炭吸附劑在瓷舟中填裝一層，在帶有程序升溫控制的管式纖維電阻爐中進行焙燒，焙燒溫度不低于1100°c，處理時間不低于30min，然后降至室溫，即得負載氮化鈦的活性炭吸附劑。本發(fā)明中，步驟(I)中的活性炭使用前進行篩選，使其粒徑在1(T30目。對活性炭進行預(yù)處理，優(yōu)選采用將活性炭置于裝有體積約為活性炭體積的2倍去離子水的燒杯中，將其置于裝有水溶液的數(shù)控超聲波清洗器中，在室溫下超聲0. 5 2h。步驟(2)中TiCl3鹽酸溶液中HCl的濃度為I. 9mol/L。步驟(3)優(yōu)選水熱處理的升溫速率為1_5°C /min，更優(yōu)選3°C /min。水熱處理溫度為160-200 °C，處理時間為12-24h，一般情況若溫度高，則處理時間短，若溫度低則處理時間長；優(yōu)選水熱處理溫度為160°C，處理時間為24h。在反應(yīng)釜中裝填的填料/容積的體積比為60-80%，優(yōu)選70%。步驟(4)中，焙燒溫度不低于1100°C，一般隨著負載二氧化鈦的活性炭吸附劑的厚度增加，焙燒時間增長，但總的時間一般不低于30min，若焙燒溫度增加，時間也可相應(yīng)的縮短。一般優(yōu)選負載二氧化鈦的活性炭吸附劑的厚度為5-15mm ;最佳厚度為5mm，焙燒溫度為1100°C，處理時間為30min。利用本發(fā)明所得的產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)、形貌、性能等測定可以分別采用X射線粉末衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、能量色散譜儀(EDS)等溫變壓吸附曲線(PSA)、常壓穿透曲線等進行表征與測量。本發(fā)明優(yōu)點在于I.本發(fā)明工藝簡單，原料價廉，制備條件溫和，操作簡單，因此易于推廣產(chǎn)業(yè)化和市場化。 2.得到負載型吸附劑為顆粒狀，吸附量得到較大提高，同時提高吸附劑的穿透時間。3.本發(fā)明只使用無機試劑，在制備過程中不產(chǎn)生對環(huán)境有污染的副產(chǎn)物，整個生產(chǎn)過程幾乎無污染，符合可持續(xù)發(fā)展的要求，是一種新型環(huán)保工藝。


圖I為實施例I中所得產(chǎn)品的XRD圖；圖2為實施例I中所得產(chǎn)品的SEM圖；圖3為實施例I中所得產(chǎn)品的能譜圖；圖4為實施例I所得產(chǎn)品與原樣常溫變壓吸附曲線比較5為實施例I中所得產(chǎn)品與原樣常壓穿透曲線比較圖。
具體實施例方式實施例I :(I)對商品活性炭AC-I使用前進行篩選，1(T20目過篩，得到的活性炭置于裝有體積約為活性炭體積的2倍去離子水的燒杯中，將其置于裝有水溶液的數(shù)控超聲波清洗器中，在室溫下超聲lh，去除活性炭中的粉末和油類物質(zhì)，用去離子水洗滌，抽濾，烘干；(2)將33. 7ml去離子水、6. 5ml濃HCl溶液和9. 8ml TiCl3溶液依次加入到IOOml不銹鋼反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)膽中，配置成0. 5mol/L的TiCl3-HCl溶液；(3)將20g步驟(I)得到的顆?；钚蕴考尤氲讲襟E(2)配置的溶液中，將不銹鋼反應(yīng)釜擰緊，放置在程序升溫控制的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中進行水熱處理，在160°C處理24h。將水熱處理后的活性炭進行洗滌至中性、抽濾、烘干，即得產(chǎn)物即為負載銳鈦礦型二氧化鈦的活性炭吸附劑。(4)將步驟(3)得到的負載二氧化鈦的活性炭吸附劑裝入瓷舟中，填裝厚度為5mm，在帶有程序升溫控制的管式纖維電阻爐中進行焙燒，焙燒溫度為1100°C，焙燒時間為30min，氮氣保護，直至降至室溫，即得負載氮化鈦的活性炭吸附劑。將步驟(4)中所得產(chǎn)品分別用XRD、SEM、EDS對其表征，從圖I中可見，產(chǎn)物為氮化鈦。從圖2中可見，TiN比較均勻的分布在活性炭表面，有輕微的團聚。從圖3中可見，負載的物質(zhì)是Ti的物質(zhì)(由于氮的能譜和碳的能譜很近，因此在做能譜圖時，由于氮化鈦是負載在活性炭上，氮的能譜很容易就被碳的能譜遮擋，只顯示了碳和鈦的能譜圖)。從圖4中可見，本方法制備的活性炭負載TiN吸附劑在常溫變壓吸附中對CH4有較好的吸附量，在150kPa下比AC-I增加了 51. 5%。從圖5中可見，本方法制備的活性炭負載TiN吸附劑在比穿透曲線中CH4的穿出點比AC-I滯后50%，重復(fù)2次后，吸附劑的吸附性能沒有改變，具有很好的可重復(fù)利用性能。 實施例2:(I)對商品活性炭AC-2使用前進行篩選，1(T20目過篩，得到的活性炭置于裝有體積約為活性炭體積的2倍去離子水的燒杯中，將其置于裝有水溶液的數(shù)控超聲波清洗器中，在室溫下超聲I. 5h，去除活性炭中的粉末和油類物質(zhì)，用去離子水洗滌，抽濾，烘干；(2)將33. 7ml去離子水、6. 5ml濃HCl溶液和9. 8ml TiCl3溶液依次加入到IOOml不銹鋼反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)膽中，配置成0. 5mol/L的TiCl3-HCl溶液；(3)將20g步驟(I)得到的顆?；钚蕴考尤氲讲襟E(2)配置的溶液中，將不銹鋼反應(yīng)釜擰緊，放置在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中進行水熱處理，在160°C處理24h。將水熱處理后的活性炭進行洗滌至中性、抽濾、烘干，即得產(chǎn)物即為負載銳鈦礦型二氧化鈦的活性炭吸附劑。。(4)將步驟(3)得到的負載二氧化鈦的活性炭吸附劑裝入瓷舟中，填裝厚度為10mm，在帶有程序升溫控制的管式纖維電阻爐中進行焙燒，焙燒溫度為1100°C，焙燒時間為60min，氮氣保護，直至降至室溫，即得負載氮化鈦的活性炭吸附劑。實施例3 (I)對商品活性炭AC-3使用前進行篩選，1(T20目過篩，得到的活性炭置于裝有體積約為活性炭體積的2倍去離子水的燒杯中，將其置于裝有水溶液的數(shù)控超聲波清洗器中，在室溫下超聲2h，去除活性炭中的粉末和油類物質(zhì)，用去離子水洗滌，抽濾，烘干；(2)將33. 7ml去離子水、6. 5ml濃HCl溶液和9. 8ml TiCl3溶液依次加入到IOOml不銹鋼反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)膽中，配置成0. 5mol/L的TiCl3-HCl溶液；(3)將20g步驟(I)得到的顆粒活性炭加入到步驟(2)配置的溶液中，將不銹鋼反應(yīng)釜擰緊，放置在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中進行水熱處理，在160°C處理24h。將水熱處理后的活性炭進行洗滌至中性、抽濾、烘干，即得產(chǎn)物即為負載銳鈦礦型二氧化鈦的活性炭吸附劑。。(4)將步驟(3)得到的負載二氧化鈦的活性炭吸附劑裝入瓷舟中，填裝厚度為10mm，在帶有程序升溫控制的管式纖維電阻爐中進行焙燒，焙燒溫度為1200°C，焙燒時間為40min，氮氣保護，直至降至室溫，即得負載氮化鈦的活性炭吸附劑。實施例4:
(I)對商品活性炭AC-I使用前進行篩選，2(T30目過篩，得到的活性炭置于裝有體積約為活性炭體積的2倍去離子水的燒杯中，將其置于裝有水溶液的數(shù)控超聲波清洗器中，在室溫下超聲2h，去除活性炭中的粉末和油類物質(zhì)，用去離子水洗滌，抽濾，烘干；(2)將33. 7ml 去離子水、6. 5ml濃HCl溶液和9. 8ml TiCl3溶液依次加入到IOOml不銹鋼反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)膽中，配置成0. 5mol/L的TiCl3-HCl溶液；(3)將20g步驟(I)得到的顆粒活性炭加入到步驟(2)配置的溶液中，將不銹鋼反應(yīng)釜擰緊，放置在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中進行水熱處理，在200°C處理12h。將水熱處理后的活性炭進行洗滌至中性、抽濾、烘干，即得產(chǎn)物即為負載銳鈦礦型二氧化鈦的活性炭吸附劑。。(4)將步驟(3)得到的負載二氧化鈦的活性炭吸附劑裝入瓷舟中，填裝厚度為5mm，在帶有程序升溫控制的管式纖維電阻爐中進行焙燒，焙燒溫度為1100°C，焙燒時間為60min，氮氣保護，直至降至室溫，即得負載氮化鈦的活性炭吸附劑。實施例5 (I)對商品活性炭AC-2使用前進行篩選，2(T30目過篩，得到的活性炭置于裝有體積約為活性炭體積的2倍去離子水的燒杯中，將其置于裝有水溶液的數(shù)控超聲波清洗器中，在室溫下超聲I. 5h，去除活性炭中的粉末和油類物質(zhì)，用去離子水洗滌，抽濾，烘干；(2)將33. 7ml去離子水、6. 5ml濃HCl溶液和9. 8ml TiCl3溶液依次加入到IOOml不銹鋼反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)膽中，配置成0. 5mol/L的TiCl3-HCl溶液；(3)將20g步驟(I)得到的顆?；钚蕴考尤氲讲襟E(2)配置的溶液中，將不銹鋼反應(yīng)釜擰緊，放置在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中進行水熱處理，在200°C處理12h。將水熱處理后的活性炭進行洗滌至中性、抽濾、烘干，即得產(chǎn)物即為負載銳鈦礦型二氧化鈦的活性炭吸附劑。。(4)將步驟(3)得到的負載二氧化鈦的活性炭吸附劑裝入瓷舟中，填裝厚度為10mm，在帶有程序升溫控制的管式纖維電阻爐中進行焙燒，焙燒溫度為1100°C，焙燒時間為120min，氮氣保護，直至降至室溫，即得負載氮化鈦的活性炭吸附劑。實施例6:(I)對商品活性炭AC-3使用前進行篩選，2(T30目過篩，得到的活性炭置于裝有體積約為活性炭體積的2倍去離子水的燒杯中，將其置于裝有水溶液的數(shù)控超聲波清洗器中，在室溫下超聲lh，去除活性炭中的粉末和油類物質(zhì)，用去離子水洗滌，抽濾，烘干；(2)將33. 7ml去離子水、6. 5ml濃HCl溶液和9. 8ml TiCl3溶液依次加入到IOOml不銹鋼反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)膽中，配置成0. 5mol/L的TiCl3-HCl溶液；(3)將20g步驟(I)得到的顆?；钚蕴考尤氲讲襟E(2)配置的溶液中，將不銹鋼反應(yīng)釜擰緊，放置在電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中進行水熱處理，在200°C處理12h。將水熱處理后的活性炭進行洗滌至中性、抽濾、烘干，即得產(chǎn)物即為負載銳鈦礦型二氧化鈦的活性炭吸附劑。(4)將步驟(3)得到的負載二氧化鈦的活性炭吸附劑裝入瓷舟中，填裝厚度為10mm，在帶有程序升溫控制的管式纖維電阻爐中進行焙燒，焙燒溫度為1200°C，焙燒時間為60min，氮氣保護，直至降至室溫，即得負載氮化鈦的活性炭吸附劑。
權(quán)利要求
1.一種負載氮化鈦的活性炭吸附劑，其特征在于，氮化鈦負載在活性炭上，形成結(jié)合體顆粒。
2.一種負載氮化鈦的活性炭吸附劑的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)對活性炭采用超聲波進行預(yù)處理，去除活性炭中的粉末和油類物質(zhì)，用去離子水洗滌，抽濾，烘干； (2)將TiCl3配置成濃度為0.3-0. 7mol/L的TiCl3鹽酸溶液，將其轉(zhuǎn)移到不銹鋼反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)膽中； (3)將步驟(I)得到的處理后的活性炭加入到步驟(2)配置的溶液中，將不銹鋼反應(yīng)釜擰緊，放置在程序升溫控制的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中進行水熱處理，水熱處理溫度為160-200°C，處理時間為12-24h后自然降至室溫；將水熱處理后的活性炭進行洗滌、抽濾、烘干，即得負載二氧化鈦的活性炭吸附劑； (4)在氮氣保護下，將步驟(3)得到的負載二氧化鈦的活性炭吸附劑在瓷舟中填裝一層，在帶有程序升溫控制的管式纖維電阻爐中進行焙燒，焙燒溫度不低于1100°C，處理時間不低于30min，然后降至室溫，即得負載氮化鈦的活性炭吸附劑。
3.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于，步驟(I)中的活性炭粒徑為1(T30目。
4.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于，步驟(2)中TiCl3的濃度為0.5mol/L。
5.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于，步驟(2)中TiCl3鹽酸溶液中HCl的濃度為I.9mol/L。
6.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于，步驟(3)中，活性炭/TiCl3鹽酸溶液為2g/5ml。
7.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于，步驟(3)中，水熱處理溫度為160-200°C，處理時間為12-24h，若溫度高，則處理時間短，若溫度低則處理時間長。
8.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于，步驟(3)中，在反應(yīng)釜中裝填的填料/容積的體積比為60-80%。
9.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于，步驟(3)中，在反應(yīng)釜中裝填的填料/容積的體積比為70%。
10.按照權(quán)利要求2的方法，其特征在于，步驟(4)中，負載二氧化鈦的活性炭吸附劑的厚度為5mm，焙燒溫度為1100°C，處理時間為30min。
全文摘要
一種負載氮化鈦的活性炭吸附劑及制備方法，屬于吸附劑技術(shù)領(lǐng)域。氮化鈦負載在活性炭上，形成結(jié)合體顆粒。制備方法為對活性炭進行預(yù)處理，烘干；將TiCl3配成TiCl3-HCl溶液，轉(zhuǎn)移到不銹鋼反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)膽中；將活性炭加入到其中，進行水熱處理；將水熱處理后的活性炭進行洗滌、烘干，即得負載二氧化鈦的活性炭吸附劑；然后氮氣保護，裝入瓷舟中進行焙燒，直至降至室溫，即得負載氮化鈦的活性炭吸附劑。本發(fā)明工藝簡單，操作簡便，得到負載型吸附劑為顆粒狀，能提高吸附劑的吸附量和穿透時間。
文檔編號B01J20/30GK102728310SQ201210199748
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月14日
發(fā)明者何洪, 李堅, 梁文俊, 王洪明, 郭連杰, 馬東祝 申請人:北京工業(yè)大學(xué)