应用模板法从煤沥青制备中孔活性炭.pdf

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应用模板法从煤沥青制备中孔活性炭童仕唐，张小华由于对一些大分子物质或范德华半径较大的重金属或贵金属离子的吸附，消除内孔扩散阻力是吸附过程开发中要考虑的首要问题，这要求活性炭具有相对较大的孔隙结构。尤其在电化学超电容器的研制中，为提高活性炭电极的功率特性，消除电容器的扩散阻抗，对孔结构要求更高，而窄分布的中孔结构被认为是最为理想的。因此，众多研究者已关注中孔活性炭的研制E1-4J。制备中孔活性炭的方法主要有化学活化法、金属离子催化活化法、混合聚合物共炭化法、有机凝胶炭化法和模板法[5]。在模板法中，按所用模板剂不同，又可分为无机模板法[6-7]、有机模板法[8曲]和中孔分子筛模板法[1伊11]。在上述各种制备方法中，化学活化法形成的孔隙结构孔径分布很宽，其影响因素复杂，与原料炭的微晶结构、活化剂用量、预处理过程和活化温度及时间，甚至与洗涤方法都有关系。采用催化活化法，金属离子不可避免地进人活性炭结构内部，在水和酸性条件下有重金属二次污染的潜在危害。另一方面，应用此法制得的中孔活性炭还存在大量微孔，使孔径分布很宽。混合聚合物共炭化法存在不同聚合物间均匀分散困难，共炭化过程所形成的孔隙结构不易控制等问题。有机凝胶炭化法成本昂贵，且复杂的超临界干燥设备制约着其商业化应用[12。引。上述几种方法制备的中孔活性炭孔径分布范围均较宽。模板法能够在纳米水平上调控活性炭的孔隙结构，合成出高度有序、孔结构规则的中孔活性炭[6‘7]。目前采用模板法制备中孔活性炭主要以酚醛树脂为原料，至今鲜见以煤沥青为原料的研究报导。由于树脂醇溶性较好，所以比较方便以酒精为分散剂，很好地使纳米二氧化硅与树脂均匀混合。但酚醛树脂价格高，而且其固定碳含量仅为40％～50％。煤沥青为煤焦油加工过程中的副产品，其固定碳含量可达70％以上，且来源广价格低。所以，与酚醛树脂相比，煤沥青更适合用作制备活性炭的原料。但纳米二氧化硅密度小、醇湿性较好但油湿性差，作为模板剂与沥青混合是制备过程中须克服的难题。如果能解决沥青与模板的混合问题，不仅有低成本优势，还能大幅提高活性炭的产率。此外，也有利于以煤沥青为原料，发展下游高附加值产品。就化学电容器而言，对于无机电解质和有机电解质，其最适合的活性炭孔隙尺寸分别为0．7、ilm，太大孔径对电容特性几乎没有明显的影响[4]。当应用纳米二氧化硅为模板剂，以KOH为活化剂时，在活化过程中，由于KOH的活化作用，会生成大量微孔，同时利用二氧化硅熔融于热的钾碱剔除炭基质中的模板剂，印刻出大量与模板粒径相近的纳米孔，甚至还由于KOH的刻蚀作用，部分中孔还会进一步拓宽成为大孔。这种具有较大比例的中孔，还兼有大孔和中微孔结构，可为分子传质提供良好的传输通道，其巨大的中微孔比表面积，为分子吸附或反应提供必要的场所，这对于大分子的吸附分离、分子催化和制备高性能化学电容器等应用来说皆为难求的结构特性。武汉科技大学学报(武汉科技大学化学工程与技术学院，湖北武汉，430081)摘要：以煤沥青为原料，应用纳米二氧化硅模板法制备中孔活性炭，并考察焦模比、碱碳比以及活化温度对活为2：1、碱碳比为4．5：1、活化温度为850℃时，所制活性炭总比表面积为1m2／g，其中中孔比表面积为第33卷第3期2010年6月Wuhan性炭孔结构和收率的影响。结果表明，所得活性炭试样孔径分布最大值与模板剂孔径尺寸相吻合。在焦模比m2／g，占总比表面积的98．43％。关键词：模板法；纳米二氧化硅；煤沥青；中孔活性炭；KOH活化中图分类号：TM534文献标志码：A文章编号：1674-3644(2010)03—0293—050．8基金项目：国家自然科学基金资助项目(50574071)．作者简介：童仕唐(1957一)。男，武汉科技大学教授，博士生导师．E-nxail：[e-mail]．3Jun．20107291702收稿日期：2009—1l-10
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y--!塑×100％2结果与讨论实验本研究以煤沥青为原料，以纳米二氧化硅为模板，采用先模板印刻炭化，后加KOH活化的工艺，研制中孔分率较高且比表面积较大的中孔活性炭。l本实验所用的改质煤沥青来源于武汉钢铁集团焦化有限责任公司，其性能指标如表1所示。模板剂纳米二氧化硅由安徽敬业纳米科技有限公司生产，其相关技术指标如表2所示。I．2中孔活性炭的制备将煤沥青磨细，全部通过80目筛。往不锈钢桶中按比例加入一定量的煤沥青粉末和纳米Si0：，缓慢注入分散剂，搅拌成浆状后加热至140℃，再搅拌8h至充分混合，然后将钢桶转移到马弗炉中于400℃、氮气保护下炭化2h。冷却过程中继续通入N。保护，直至室温。取出钢桶，将炭化物