[发明专利]由活性炭制备且用于丙烷-丙烯分离的碳分子筛吸附剂

说明书

一种用以制备碳分子筛吸附剂组合物的方法包含以特定有效微孔尺寸的活性炭开始的步骤。使用单体或部分聚合的聚合物浸渍所述活性炭，使其完成聚合，且随后碳化，以使得浸渍剂使所述微孔收缩到另一特定的有效微孔尺寸。最后，所述浸渍/聚合/碳化产品在1000℃到1500℃范围内的温度下退火，这样最终且可预测地使所述微孔收缩到4.0埃到4.3埃范围内的尺寸。本发明令人惊讶地能够精细调节所述有效微孔尺寸以及期望的选择性、容量和吸附速率，以获得高度期望的碳分子筛分能力，所述碳分子筛分能力特别适用于例如在变压或变温方法中的固定床，以使得能够分离丙烯/丙烷。

相关申请的交叉参考

本申请主张于2015年9月30日提交的第62/234,701号美国临时专利申请的优先权，所述申请以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及碳分子筛吸附剂的领域。更具体地说，其涉及用于制备碳分子筛吸附剂的方法，所述方法包括使改性的活性炭退火以制备适合于分离丙烯和丙烷的吸附剂。

背景技术

研究人员已寻求分离气体混合物的手段，无论是作为起始材料还是作为产品使用多年。作为这种分离手段特别感兴趣的材料是碳分子筛(CMS)。这些CMS可由各种树脂制备且在各种温度下和/或在各种条件下热解。热解将树脂降解成纯碳，但在热解产物中保持至少一些以微孔形式的孔隙度。已知在一些条件下，热解可使微孔收缩到期望的尺寸。这样形成的CMS随后可用于传统的气体分离设备中，例如填充床，柱和其类似物，其中微孔尺寸确定气体混合物中的哪种气体被吸附，而哪些不是。根据例如传统的变压吸附或变温吸附方法，吸附和解吸附技术可交替进行分离。

然而，对于某些特定分离来说，制备具有正确尺寸的微孔的CMS具有特殊的挑战。由于使用CMS来完成分离，因此假定微孔至少与将进入微孔的特定分子一样大或者比其大，所以有必要知道分子的“尺寸”。研究人员已找到不同的方法来确定分子尺寸。一种常用的方法是确定给定分子的“动力学直径”。基于其在沸石应用中的用途，列出各种这些动力学直径的参考文献是D.W.Breck，《沸石分子筛：结构，化学和使用(Zeolite MolecularSieves：Structure，Chemistry and Use)》，John WileySons公司(纽约1974年)，636，且即使对于已知具有狭缝状孔的非沸石碳分子筛、沸石碳分子筛也经常使用这些测定。鉴于上文且出于本发明的目的，则此处使用取自上文所引用的Breck参考的动力学直径作为丙烷C₃H₈的代表性分子直径，其为然而，由于至少一些研究人员认为其中丙烯的动力学直径对于CMS材料本身来说是不准确的，所以本文中使用Lennard-Jones碰撞直径代替丙烷C₃H₆的Breck动力学直径(为)。举例来说，参见Staudt-Bickel C.，Koros WJ，《使用6FDA基聚酰亚胺膜的链烷烃/烯烃气体分离(Olehn/paraffin gas separation with6FDA-based polyimide membranes)》，J.Membr.Sci.(2000年)170(2)，205到214以用于进一步讨论。动力学直径和Lennard-Jones碰撞直径一起被称为“代表性分子直径”。

丙烷(C₃H₈)和丙烯(C₃H₆)的分离是许多商业应用感兴趣的特定分离。因为C₃H₈的代表性分子直径为且C₃H₆为所以这两种气体的混合物的合适的分离CMS的平均微孔尺寸期望在到的范围内。如本文中所使用，“平均微孔尺寸”是指平均微孔开口，即理论上的一维狭缝孔的宽度，而不管微孔的可能的实际总体构型如何。