一种电容活性炭纯化方法
文献发布时间：2024-04-18 19:53:33
技术领域
本发明涉及活性炭材料制备技术领域，具体为一种电容活性炭纯化方法。
背景技术
超级电容活性炭是一种比表面积大、中孔发达、孔隙结构分布合理的新型多孔碳材料，在超级电容器、储能、医疗、军工等方面有广泛的应用前景。
目前制备超级电容活性炭的工艺主要采用碱活化法，将炭前驱体如石油焦、煤、椰壳等原料进行破碎、筛分、混碱、活化、纯化等工艺制备而成。由于碱在高温下具有极强的腐蚀性，对设备造成极大的腐蚀，从而在活化料中带入重金属。这些重金属的存在会使电容器在充放电过程中极易引起短路，也会增加自身放电程度，增大漏电电流，从而影响使用寿命，针对这一个问题，现有技术也给出了部分解决方案，但是存在诸多弊端，下面简单说明。
一、专利申请“102502621 A”公布的《一种制备极低灰分超级电容活性炭的后处理工艺》，利用水热技术的高温高压的特点，采用碱洗、酸洗和水洗的方法，降低活性炭灰分杂质的含量，使其成为一种适用于超级电容器的电极材料，但是使用该方法，在水热前需进行长时间的浸泡，且处理的物料处于静止状态，生产周期相对较长。
二、专利“200810121706.8”公布的《一种电极用活性炭的洗涤方法》，采用超声波和微波（包括高频电磁波）辐射为促进溶解的手段，结合热水、热酸的反复浸渍、洗涤的方法，充分降低活性炭中的重金属含量，使活性炭中的重金属含量降低至200ppm以下。但是使用该方法处理，需要进行预洗活性炭，工艺较为繁琐，且其处理活性炭为碱活化样品，含碳材料为酚醛树脂，而电容活性炭不仅包括碱活化工艺，还包括物理活化工艺。
三、专利申请“101269810A”公布的《活性炭精制工艺 》中活性炭粗品通过A制剂工序处理，经过A制剂工序处理后的活性炭通过B制剂工序处理，经干燥筛分制得成品活性炭。该发明工艺生产的活性炭虽然杂质含量小，可用于医药、食品行业中，但是达不到电极用活性炭的需求。
发明内容
本发明为了解决目前解决用于超级电容器的活性炭杂质含量高，生产周期长，重金属在超级电容器充放电过程中极易引起短路，影响使用寿命的问题，提供了一种电容活性炭纯化方法。
本发明采用如下技术实现：本发明提供一种电容活性炭纯化方法，包括以下步骤：
a，物理除铁
活化后的样品在强磁铁的作用下进行物理去除样品中铁、镍等磁性物质；具体为使用强磁铁在活化后的样品中反复扫吸，待强磁铁表面不再吸有磁性物质时，除铁完成。
b，碱洗
在步骤a经过除铁的样品中添加质量分数为1%~5%的氢氧化钾，进一步的添加氢氧化钾的质量分数为1%~3%，氢氧化钾与活性炭的体积质量比为5:1~20:1（v/m），即1份活性炭中添加5~20份氢氧化钾，优选的，添加氢氧化钾与活性炭的体积质量比为15：1，将添加氢氧化钾的样品置于反应釜中超声并加热搅拌，反应釜为内衬为聚四氟乙烯，避免受到反应过程中酸或碱的腐蚀而将反应杂质引入活性炭中，反应釜同时具有超声和加热搅拌功能，联合超声及加热搅拌提高反应速率，缩短时间；在反应釜密闭的环境中，在100~400rpm转速下机械搅拌的同时以1~5℃/min的升温速率升温至30~60℃，达到预设温度后进行超声30~60min，超声完成后以3~10℃/min的升温速率升温至120~150℃，保持该温度下搅拌2~12h；此步骤进行两次水热并在水热中进行超声处理，积极通过超声和水热耦合除去活性炭中的硅酸盐、磷酸盐等杂质。
c，降温水洗
待反应釜降至室温后，使用去离子水进行水洗，洗至溶液的pH值为中性后进行离心脱水。
d，酸洗
与步骤b碱洗的操作同理，将步骤c得到的样品中添加质量分数为5%~20%的盐酸，盐酸与活性炭的体积质量比为5:1~20:1（v/m），优选的，添加盐酸与活性炭的体积质量比为15：1，将添加盐酸的样品置于反应釜中超声并加热搅拌；在反应釜密闭的环境中，在100~400rpm转速下机械搅拌的同时以1~5℃/min的升温速率升温至30~60℃，达到预设温度后进行超声30~60min，超声完成后以3~10℃/min的升温速率升温至120~150℃，保持该温度下搅拌2~12h。
e，二次降温水洗
待反应釜降至室温后，使用去离子水进行水洗，洗至溶液的pH值为中性后进行离心脱水。
f，烘干干燥
将步骤e离心脱水后的湿润的活性炭在120~150℃下干燥3~10h，进行产品质量检验。
g，分装
将步骤f中干燥并检测合格的活性炭筛分并包装。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种电容活性炭纯化方法，在超声与机械搅拌的双重作用下，物料与液体始终处于相对运动的状态，可以加快固液传质效率，缩短反应周期。本方法可以使不同种类含碳材料利用不同生产工艺制备的活性炭灰分低于0.1%，铁含量低于50ppm，满足超级电容器用活性炭标准。
通过物理除铁，超声联合机械搅拌，水热耦合的联动配合，对活性炭进行深度纯化，提高活性炭的纯度，大大缩短了生产周期，该方法适用范围广，可以处理生物质基活性炭、石油基活性炭以及煤化工副产物（煤沥青）为原料制备的活性炭；既可以是物理活化法制备的活性炭，也可以为化学活化法制备的活性炭，适用范围广，适合广泛推广应用。
实施方式
下面对本发明的具体实施例进行说明。
实施例1
本发明所设计的一种电容活性炭纯化方法，包括以下步骤：
a，物理除铁
碱活化后的椰壳活性炭样品在强磁铁的作用下进行物理去除样品中铁、镍等磁性物质；具体为使用强磁铁在活化后的样品中反复扫吸，待强磁铁表面不再吸有磁性物质时，除铁完成。
b，碱洗
在步骤a经过除铁的样品中添加质量分数为1%的氢氧化钾，以20g活性炭为例，氢氧化钾与活性炭的体积质量比为15:1（v/m），即1份活性炭中添加15份氢氧化钾，将添加氢氧化钾的样品置于反应釜中超声并加热搅拌，反应釜为内衬为聚四氟乙烯，反应釜同时具有超声和加热搅拌功能，联合超声及加热搅拌提高反应速率，缩短时间；在反应釜密闭的环境中，在300rpm转速下机械搅拌的同时以5℃/min的升温速率升温至60℃，达到预设温度后进行超声60min，超声完成后以5℃/min的升温速率升温至130℃，保持该温度下搅拌6h。
c，降温水洗
待反应釜降至室温后，使用去离子水进行水洗，洗至溶液的pH值为中性后进行离心脱水。
d，酸洗
将步骤c得到的样品中添加质量分数为9%的盐酸，盐酸与活性炭的体积质量比为15:1（v/m），即1份活性炭中添加15份盐酸，将添加盐酸的样品置于反应釜中超声并加热搅拌；在反应釜密闭的环境中，在300rpm转速下机械搅拌的同时以5℃/min的升温速率升温至60℃，达到预设温度后进行超声60min，超声完成后以5℃/min的升温速率升温至130℃，保持该温度下搅拌6h。
e，二次降温水洗
待反应釜降至室温后，使用去离子水进行水洗，洗至溶液的pH值为中性后进行离心脱水。
f，烘干干燥
将步骤e离心脱水后的湿润的活性炭在130℃下干燥5h，进行产品质量检验。
g，分装
将步骤f中干燥并检测合格的活性炭筛分并包装。
将上述方法制备的活性炭进行试验，得到活性炭灰分为0.06%，低于0.1%，铁含量为47ppm，低于50ppm，满足超级电容器用活性炭标准。
实施例2
本发明所设计的一种电容活性炭纯化方法，包括以下步骤：
a，物理除铁
碱活化后的椰壳活性炭样品在强磁铁的作用下进行物理去除样品中铁、镍等磁性物质；具体为使用强磁铁在活化后的样品中反复扫吸，待强磁铁表面不再吸有磁性物质时，除铁完成。
b，碱洗
在步骤a经过除铁的样品中添加质量分数为5%的氢氧化钾，以20g活性炭为例，氢氧化钾与活性炭的体积质量比为5:1（v/m），将添加氢氧化钾的样品置于反应釜中超声并加热搅拌，反应釜为内衬为聚四氟乙烯，反应釜同时具有超声和加热搅拌功能，联合超声及加热搅拌提高反应速率，缩短时间；在反应釜密闭的环境中，在100rpm转速下机械搅拌的同时以1℃/min的升温速率升温至30℃，达到预设温度后进行超声50min，超声完成后以3℃/min的升温速率升温至150℃，保持该温度下搅拌2h。
c，降温水洗
待反应釜降至室温后，使用去离子水进行水洗，洗至溶液的pH值为中性后进行离心脱水。
d，酸洗
将步骤c得到的样品中添加质量分数为20%的盐酸，盐酸与活性炭的体积质量比为5:1（v/m），将添加盐酸的样品置于反应釜中超声并加热搅拌；在反应釜密闭的环境中，在100rpm转速下机械搅拌的同时以1℃/min的升温速率升温至30℃，达到预设温度后进行超声50min，超声完成后以3℃/min的升温速率升温至150℃，保持该温度下搅拌2h。
e，二次降温水洗
待反应釜降至室温后，使用去离子水进行水洗，洗至溶液的pH值为中性后进行离心脱水。
f，烘干干燥
将步骤e离心脱水后的湿润的活性炭在100℃下干燥，进行产品质量检验。
g，分装
将步骤f中干燥并检测合格的活性炭筛分并包装。
将上述方法制备的活性炭进行试验，得到活性炭灰分为0.09%，低于0.1%，铁含量为45ppm，低于50ppm，满足超级电容器用活性炭标准。
实施例1与实施例2二者采用相同的原料进行纯化，通过物理除铁，超声联合机械搅拌，水热耦合的联动配合，二者得到的活性炭均可满足超级电容器用活性炭标准，对比实施例1与实施例2，实施例1的灰分含量小于实施例2，铁含量相差不大，实施例1优于实施例2。
实施例3
本发明所设计的一种电容活性炭纯化方法，包括以下步骤：
a，物理除铁
以石油焦为原料，碱活化后的样品在强磁铁的作用下进行物理去除样品中铁、镍等磁性物质；具体为使用强磁铁在活化后的样品中反复扫吸，待强磁铁表面不再吸有磁性物质时，除铁完成。
剩余步骤b~g与实施例1完全一致。
将上述方法制备的活性炭进行试验，得到活性炭灰分为0.03%，远低于0.1%，铁含量为36ppm，低于50ppm，满足超级电容器用活性炭标准。
实施例4
本发明所设计的一种电容活性炭纯化方法，包括以下步骤：
a，物理除铁
以酚醛树脂为原料，碱活化后的样品在强磁铁的作用下进行物理去除样品中铁、镍等磁性物质；具体为使用强磁铁在活化后的样品中反复扫吸，待强磁铁表面不再吸有磁性物质时，除铁完成。
剩余步骤b~g与实施例1完全一致。
将上述方法制备的活性炭进行试验，得到活性炭灰分为0.01%，远低于0.1%，铁含量为27ppm，低于50ppm，满足超级电容器用活性炭标准。
实施例5
本发明所设计的一种电容活性炭纯化方法，包括以下步骤：
a，物理除铁
物理活化后的椰壳活性炭样品在强磁铁的作用下进行物理去除样品中铁、镍等磁性物质；具体为使用强磁铁在活化后的样品中反复扫吸，待强磁铁表面不再吸有磁性物质时，除铁完成。
剩余步骤b~g与实施例1完全一致。
将上述方法制备的活性炭进行试验，得到活性炭灰分为0.08%，远低于0.1%，铁含量为49ppm，低于50ppm，满足超级电容器用活性炭标准。
对比实施例1、实施例3、实施例4、实施例5，四个方案仅原料不同，其中实施例4的灰分及铁含量最低，以酚醛树脂为原料，效果最佳。
本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。