[发明专利]非腐蚀性催化剂及催化活化制备活性炭的方法

说明书

本发明利用亲和性催化剂增强炭前驱体与CO₂之间的活化反应，在超低催化剂用量(炭前驱体与催化剂质量比1:0.001～1:0.5)和超短活化时间(0.1～2h)内得到大比表面积活性炭。其中，催化剂是由钾盐、表面活性剂和过渡金属盐反应获得。钾盐作为主催化剂，起到插层造孔作用。过渡金属盐作为助催化剂，增强炭与CO₂之间的物理活化效果。表面活性剂促进催化剂在炭前驱体中均匀分散和高效界面结合。三种组分之间的强烈协同作用使催化剂具有高催化效率，且在极低用量下对设备没有腐蚀性。本发明属于化学合成技术领域。

技术领域

本发明涉及非腐蚀性催化剂和大比表面积活性炭的制备，属于化学合成技术领域。

背景技术

活性炭是一种具有丰富孔隙结构和较大比表面积的炭材料。活性炭的物理化学性质稳定，导电性良好、制备工艺简单、原料丰富、成本较低，在气体吸附和储存、污染治理、催化剂载体、电化学储能和石油化工等领域得到了广泛应用。

传统的活性炭制备方法有物理活化法和化学活化法。物理活化法是将已经在高温下炭化处理的原料与水蒸气、CO₂或空气等气体活化剂接触，进行活化反应制备活性炭的过程。该方法的制备工艺相对简单，成本较低，但是物理活化法活化温度较高(900℃以上)，活化时间较长(8～20h)，能耗很高，并且所得到的活性炭的比表面积普遍较小(低于1000m² g^-1)，且收率低(一般小于35％)，已经不能满足未来发展的需要。

化学活化法是通过将木质、煤质和石油焦等含碳的原料与化学活化剂均匀混合后，在一定温度下(450～900℃)经历炭化、活化、洗涤和烘干等步骤制备活性炭的方法。常用KOH、ZnCl₂、H₃PO₄等作为活化剂，可获得大比表面积的活性炭。但是化学活化法需要用到大量腐蚀性活化剂。例如，ZnCl₂和H₃PO₄多用于活化植物或木质素前驱体，浸渍质量比通常为3:1以上，然而所得活性炭比表面积较低(约800m² g^-1)，通常只能用于污水吸附处理、气体净化等低附加值领域。KOH多用于活化煤炭或焦炭类前驱体，混合质量比也在3:1以上，虽然可以制备高比表面积的活性炭(2000m² g^-1以上)，但是此类化学活化剂腐蚀性更强，即使用纯镍坩埚仍然会造成设备严重损耗。此外，在后续洗涤过程中需要大量的水，这些废水经过复杂的处理工艺后才能达到环保排放要求，还需要进行废碱回收等工艺流程。这一活化方法存在成本高、资源浪费和环境污染严重的问题，是制约其大规模工业化生产的关键。

为解决大比表面积活性炭制备过程中需要大量高腐蚀性强碱作为活化剂这一严重问题，研究者们开发了一些新的活性炭制备工艺，如物理化学联合活化技术、炭前驱体预氧化处理等。例如专利CN 101028923 A将石油焦在空气气氛下450℃预氧化1.5h，KOH与预氧化焦按质量比1:1混合均匀后进行活化，得到比表面积2640m² g^-1的活性炭；专利CN1843906 A先对石油焦进行氧化处理，后将氧化产物与1～5份的KOH混合进行活化，可制得比表面积2000m² g^-1以上的活性炭。这些技术虽然在一定程度上降低了强碱用量和制备成本，然而仍需要较高碱炭比(1:1以上)，造成设备腐蚀，无法满足高效的实际生产需求。