一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法技术

本发明专利技术公开了一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法，该方法包括：一、将半焦焦粉分散于混酸液中反应得氧化半焦；二、将氧化半焦加入到KOH溶液中溶解，经过滤得固体不溶性氧化半焦和可溶性氧化半焦碱溶液；三、将固体不溶性氧化半焦煅烧活化得多孔活性炭；四、将可溶性氧化半焦碱溶液调至酸性后静置离心得类氧化石墨烯；五、将类氧化石墨烯与聚乙烯醇混溶于水中调至碱性，加热搅拌得溶胶溶液，再经冷冻干燥和煅烧得类石墨烯气凝胶。本发明专利技术对半焦焦粉进行分质加工转化，制备得到多孔活性碳、高附加值的类石墨烯气凝胶和类氧化石墨烯，提高了半焦产品附加值，实现半焦资源的高效转化利用，解决了固废半焦焦粉的资源化利用问题。

A semi coke combined method for producing porous activated carbon and graphene like aerogels

The invention discloses a method for semi coke separation and CO production of porous activated carbon and graphene like aerogels. The method comprises the following steps: 1. Dispersing the semi coke powder into a mixed acid solution to react with semi coke; two, adding the oxidized semi coke into the KOH solution, filtering the solid insoluble oxidation char and the soluble oxidation char alkali solution; and three, calcining the solid insoluble oxidized char. The porous activated carbon was changed. Four, the soluble oxidation char solution was adjusted to acid and then the graphene oxide was isolated from the heart. Five, the graphene oxide and polyvinyl alcohol were mixed in water to be alkaline, heated and stirred into sol solution, then freeze-dried and calcined graphene aerogels. The invention processes the transformation of semi coke coke powder and produces porous activated carbon, high value-added graphene aerogels and graphene oxide, which improves the added value of the semi coke product, realizes the efficient conversion and utilization of the semi coke resources, and solves the problem of resource utilization of the solid waste semi coke coke powder.

【技术实现步骤摘要】
一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法
本专利技术属于煤化工与碳材料制备
，具体涉及一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法。
技术介绍
半焦，又称兰炭，它是由泥煤、褐煤和高挥发分烟煤(主要包括长焰煤、不粘煤、弱粘煤)等年轻煤在隔绝空气条件下，经过中低温(500～700℃)干馏得到的固体产物。半焦作为一种煤炭转化制品，因其具有高化学活性、高固定碳、高比电阻、低灰、低硫、低磷等优点，目前在硅铁、电石、化肥以及冶金燃料和还原剂、制合成气等方面得到广泛应用。但这些半焦需求行业大多属于高耗能产业，随着生态环境保护与节能降耗力度的不断加大，半焦的市场需求逐渐趋缓，导致半焦行业产能过剩、市场供过于求。其次，半焦利用主要以块状半焦为主，而现阶段我国半焦生产技术水平相对落后，生产过程中不可避免产生大量粉焦副产物，由于粉焦粒径过小不符合生产工艺要求，无法得到有效利用而被直接废弃产生大量固废，这不仅造成资源的浪费，而且极易产生扬尘对环境造成严重污染。因此，寻求半焦(特别是固废粉焦)的利用新途径实现半焦高附加值资源化转化成为亟待解决的问题之一。基于半焦高固定碳含量、低灰、低挥发分等特点，以及其独特的有机结构组成，通过对废弃粉焦资源进行分质加工转化，开发高附加值半焦制品(特别是半焦基新型碳材料，如石墨烯、多孔碳、碳气凝胶等)，解决上述固废半焦焦粉的资源化利用问题，在优化半焦产业结构、提高产品质量、节能降耗等方面具有巨大经济社会效益。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法。该方法以半焦焦粉为原料进行分质加工转化，制备得到多孔活性碳、高附加值的类石墨烯气凝胶和中间产品类氧化石墨烯，提高半焦产品附加值，实现半焦资源的高效转化利用，促进半焦产业转型升级，在优化半焦产业结构、提高产品质量、节能降耗等方面具有巨大经济社会效益。为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案为：一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、将半焦焦粉分散于混酸溶液中，在冰水浴条件下进行反应，然后加入蒸馏水稀释，再依次进行离心和洗涤，得到的沉淀物为氧化半焦；步骤二、将步骤一中得到的氧化半焦加入到KOH溶液中进行超声搅拌溶解，得到半焦分散液，然后将半焦分散液进行过滤，得到的滤渣为固体不溶性氧化半焦，得到的滤液为可溶性氧化半焦碱溶液；步骤三、将步骤二中得到的固体不溶性氧化半焦进行煅烧活化，得到多孔活性炭；步骤四、采用酸液将步骤二中得到的可溶性氧化半焦碱溶液的pH调节至酸性后静置，然后进行离心，得到的沉淀物依次经蒸馏水洗涤和干燥，得到类氧化石墨烯；步骤五、将步骤四中得到的类氧化石墨烯与聚乙烯醇混合后溶于水中并进行超声分散得到混合液，然后采用KOH溶液调节混合液的pH至碱性，加热后在恒温条件下搅拌，得到溶胶溶液，将溶胶溶液依次经冷冻干燥和煅烧，得到类石墨烯气凝胶。本专利技术以半焦焦粉为原料，根据半焦焦粉的特点和结构组成，分别采用酸氧化、煅烧活化及化学交联等方法，对半焦粉末进行分质加工转化。首先将使半焦焦粉中的芳香化合物微晶在混酸作用下，发生磺化、硝化以及氧化反应，从而打开芳环层片结构，并在芳环上引入磺酸基、硝基和大量含氧基团，得到具有亲水性的氧化半焦，采用KOH溶液作为氧化半焦的溶剂介质进行超声搅拌，KOH吸附在氧化半焦中与氧化半焦中的含氧基、硝基、磺酸基发生反应，促进了氧化半焦的充分溶解，并充分剥离氧化半焦的芳环层片结构，得到少层类氧化石墨烯，然后经过滤分离得到的大颗粒的固体不溶性氧化半焦和可溶性氧化半焦碱溶液，将固体不溶性氧化半焦进行锻造活化，由于吸附在固体不溶性氧化半焦中的KOH发挥了活化致孔剂的作用，固体不溶性氧化半焦锻造活化得到多孔活性炭；将可溶性氧化半焦碱溶液调节至酸性后，促进了可溶性氧化半焦碱溶液中少层类氧化石墨烯的沉淀，得到中间产物氧化石墨烯；将中间产物氧化石墨烯与交联剂聚乙烯醇混匀后，采用KOH溶液调节至碱性形成水溶胶，依次经恒温加热搅拌和冷冻干燥，使得冰晶升华，形成网状交联的气凝胶结构，再经煅烧，使气凝胶结构中的聚乙烯醇分解炭化，并进一步活化致孔，最终得到三维多孔结构的类石墨烯气凝胶。本专利技术解决了半焦(特别是固废半焦焦粉)的资源化利用问题，通过分质转化工艺，制备系列高附加值的半焦基碳材料，包括多孔活性碳、类石墨烯气凝胶和中间产品类氧化石墨烯，促进半焦产业转型升级，提高半焦产品附加值，实现半焦资源的高效转化利用，在优化半焦产业结构、提高产品质量、节能降耗等方面具有巨大经济社会效益。上述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法，其特征在于，步骤一中所述半焦焦粉的粒径不超过74μm；所述混酸溶液由质量浓度98％的浓硫酸溶液和质量浓度68％的浓硝酸溶液组成的混合溶液，所述混酸溶液中浓硫酸溶液和浓硝酸溶液的体积之比为(1～3)：1。将半焦焦粉的粒径优选限定不超过74μm，增加了半焦焦粉的比表面积，从而半焦焦粉与混酸溶液的接触面也增大，有利于半焦焦粉中芳环微晶结构的氧化剥离，确保实现了半焦焦粉的分质转化；其次，混酸溶液中的浓硫酸对半焦焦粉具有氧化插层的作用，同时作为脱水剂，避免由于随着反应的进行硝酸浓度降低而失去硝化能力，进一步保证了半焦焦粉的氧化效果。上述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法，其特征在于，步骤一中所述半焦焦粉的质量与混酸溶液的体积之比为1：(20～30)，半焦焦粉的质量为g，混酸溶液的体积为mL；所述冰水浴的温度不超过10℃，所述反应的时间为8h～24h。通过控制半焦焦粉的质量与混酸溶液的体积之比，促进了半焦焦粉的充分氧化。而采用上述条件的冰水浴可以降低半焦焦粉的氧化速率，促进混酸溶液的缓慢深度氧化，使得缓慢氧化打开半焦焦粉中芳环层片的层间距增大，有利于半焦焦粉剥离得到类氧化石墨烯；此外，半焦焦粉氧化为放热反应，冰水浴可以避免因温度过高或失控导致半焦焦粉与混酸反应生成CO2和SO2气体或发生爆炸，保证了半焦焦粉氧化过程的顺利进行。上述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法，其特征在于，步骤二中所述KOH溶液的浓度为0.5mol/L～6mol/L；所述超声搅拌溶解的功率为100W，时间为2h～6h；所述半焦分散液的pH值大于12。采用上述浓度的KOH溶液作为氧化半焦的溶剂介质，KOH更容易与氧化半焦上的含氧基、硝基、磺酸基发生反应，促进了氧化半焦的充分溶解，同时KOH可充分吸附在固体不溶性氧化半焦中，作为后续煅烧过程的活化致孔剂制备多孔活性炭。上述超声处理的参数不仅促进了氧化半焦的溶解，还可以充分剥离氧化半焦的芳环层片结构，得到更多数量的少层类氧化石墨烯。上述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法，其特征在于，步骤三中所述煅烧活化的条件为：在惰性气氛下进行，煅烧温度600℃～850℃，升温速率2℃/min～5℃/min，煅烧时间0.5h～3h。KOH的熔点为360℃，当煅烧温度升至350℃～550℃时，吸附在固体不溶性氧化半焦中的KOH呈熔融状并开始分解为K2O；温度继续升至600℃时，K2O开始刻蚀固体不溶性氧化半焦，使碳以气态氧化物的形式释放出来本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、将半焦焦粉分散于混酸溶液中，在冰水浴条件下进行反应，然后加入蒸馏水稀释，再依次进行离心和洗涤，得到的沉淀物为氧化半焦；步骤二、将步骤一中得到的氧化半焦加入到KOH溶液中进行超声搅拌溶解，得到半焦分散液，然后将半焦分散液进行过滤，得到的滤渣为固体不溶性氧化半焦，得到的滤液为可溶性氧化半焦碱溶液；步骤三、将步骤二中得到的固体不溶性氧化半焦进行煅烧活化，得到多孔活性炭；步骤四、采用酸液将步骤二中得到的可溶性氧化半焦碱溶液的pH调节至酸性后静置，然后进行离心，得到的沉淀物依次经蒸馏水洗涤和干燥，得到类氧化石墨烯；步骤五、将步骤四中得到的类氧化石墨烯与聚乙烯醇混合后溶于水中并进行超声分散得到混合液，然后采用KOH溶液调节混合液的pH至碱性，加热后在恒温条件下搅拌，得到溶胶溶液，将溶胶溶液依次经冷冻干燥和煅烧，得到类石墨烯气凝胶。

【技术特征摘要】
1.一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、将半焦焦粉分散于混酸溶液中，在冰水浴条件下进行反应，然后加入蒸馏水稀释，再依次进行离心和洗涤，得到的沉淀物为氧化半焦；步骤二、将步骤一中得到的氧化半焦加入到KOH溶液中进行超声搅拌溶解，得到半焦分散液，然后将半焦分散液进行过滤，得到的滤渣为固体不溶性氧化半焦，得到的滤液为可溶性氧化半焦碱溶液；步骤三、将步骤二中得到的固体不溶性氧化半焦进行煅烧活化，得到多孔活性炭；步骤四、采用酸液将步骤二中得到的可溶性氧化半焦碱溶液的pH调节至酸性后静置，然后进行离心，得到的沉淀物依次经蒸馏水洗涤和干燥，得到类氧化石墨烯；步骤五、将步骤四中得到的类氧化石墨烯与聚乙烯醇混合后溶于水中并进行超声分散得到混合液，然后采用KOH溶液调节混合液的pH至碱性，加热后在恒温条件下搅拌，得到溶胶溶液，将溶胶溶液依次经冷冻干燥和煅烧，得到类石墨烯气凝胶。2.根据权利要求1所述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法，其特征在于，步骤一中所述半焦焦粉的粒径不超过74μm；所述混酸溶液由质量浓度98％的浓硫酸溶液和质量浓度68％的浓硝酸溶液组成的混合溶液，所述混酸溶液中浓硫酸溶液和浓硝酸溶液的体积之比为(1～3)：1。3.根据权利要求1所述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法，其特征在于，步骤一中所述半焦焦粉的质量与混酸溶液的体积之比为1：(20～30)，半焦焦粉的质量为g，混酸溶液的体积为mL；所述冰水浴的温度不超过10℃，所述反应的时间为8h～24h。4.根据权利要求1所述的一种半焦分质联产多孔活性炭与类石墨烯气凝胶的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚婷，李可可，张婧，刘国阳，刘薇，龙雪颖，张睿哲，邱介山，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61