CN110482544B - 活性炭及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种活性炭及其制备方法和应用。所述活性炭的制备方法包括以下步骤：浸渍步骤：将含碳基体浸渍于含有金属离子的溶液中；干燥步骤：对浸渍后的产物进行干燥处理，使所述含碳基体的表面和/或内部形成含有金属离子的胶团；炭化焙烧步骤：对干燥后的产物进行焙烧，得到含金属簇状结构的炭化物；气化步骤：在所述金属簇状结构的催化下，使活化气体与所述炭化物反应，从而在所述炭化物的表面和/或内部形成孔道结构。本发明提供的活性炭的制备方法，可以根据需要制备具有特定的比表面积、特定孔体积以及中孔结构的活性炭，并且得率较高。并且该制备方法经济简便，容易大规模生产。

Description

活性炭及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种活性炭及其制备方法和应用，属于多孔吸附材料及其制备的技术领域，尤其属于多孔活性炭及其制备领域。

背景技术

作为最重要的工业吸附剂之一，活性炭是一种具有多孔隙结构、较高比表面积，多种表面官能团(如羧基、羰基、羟基等)、较大机械强度、以及耐酸、耐碱、耐热、失效后易再生等特性的含碳物质，可以广泛应用于水净化、空气净化、有机溶剂回收、航空、军事、食品、催化剂载体、电极材料等方面。

现有技术中按生产原料可划分为煤基活性炭、木质活性炭等。目前使用最广泛的是煤质活性炭，传统煤质活性炭的主要工序依次为：原料预处理、挤压成型及破碎、炭化工序和活化工序。其中炭化工序和活化工序为制备活性炭最主要的两道工序，炭化即是将原料在高温炉中加热炭化，炭化完成后，将炭化料与水蒸汽、二氧化碳等活化气体进行反应生产活性炭。但是该方法只能获得比表面积或孔结构均较小的活性炭，使用局限性大。

水体净化是目前环保领域最为重要的研究热点之一。目前，研究工作者致力于去除水体中各种各样的污染物，包括有毒金属离子、染料、生物可降解废物、含氮磷的化合物、沉积物、氟化物、危险及有毒的化学品、放射性污染物、药物等各种污染物。任何少量这些污染物进入水体都将会导致大量的水体污染，并且很难除去，这都将威胁到人类健康生存以及其它生物的生存，因此污水的处理在当前来说是至关重要的主题。

现有技术中，到目前为止，已经有多种不同的污水处理方式广泛应用到除去水体中的污染物。包括凝结-共沉淀方法、离子交换方法、物理吸附方法、氧化-沉淀方法、反渗透方法、溶剂提取法等。然而，这些方法在技术或经济方面都存在相对的局限性，例如，氧化-沉淀法虽然在具体实施方面比较方便且具有低成本的优势，但是这种处理方法会产生二次污染，带来垃圾填埋问题；膜分离方法具有相对节能和分离效率高等优点，但是这种方法不太经济，维护费用高。在生产生活的实际应用中，物理吸附法因其材料成本低廉，操作制备简单，吸附选择性好而广泛受到人们的青睐，但是，现有吸附速度慢、选择性差、难以再生等缺点。

引用文献[1]公开了一种煤制活性炭炉制备活性炭方法，是将褐煤与弱粘煤的混合料进行压块、破碎、干燥，然后在氮气气氛下，通过电加热和天然气燃烧供热进行炭化。炭化反应后，由天然气入口和氧气入口按比例通入天然气和氧气，氧气经过离子发生器后与天然气在混合器中混合，然后进入燃烧室燃烧后生成水蒸气和二氧化碳，生成的水蒸气、二氧化碳与通入的氮气混合后经气体供热室进入气体分布室中，然后进入反应单元与原料进行活化反应，最后在氮气氛围下降温得到活性炭，其所获得的活性炭的比表面积、孔体积、中孔比等不能进行相应调整，无法获得更加合适的比表面积、孔体积、中孔比等参数，使用局限性较大。

引用文献[2]提供了一种煤基脱硫用活性炭的制备方法，包括：分别将太西无烟煤，1/3焦精煤以及不粘煤磨成200目通过率在80％以上的煤粉；利用所述太西无烟煤、1/3焦精煤以及不粘煤为原料进行配煤，以得到混合原料煤；分别取所述混合原料煤、粘结剂以及水为原料搅拌混合均匀，以得到煤膏；将所述煤膏挤压成型、固化，然后进行氧化处理、炭化处理和活化处理，以制得活性炭。本发明选用太西无烟煤、1/3焦精煤以及不粘煤，配煤制备活性炭，得到了既拥有很好的强度，又拥有优质的吸附/脱附性能的煤基脱硫用活性炭。该活性炭仅适用于脱硫，不适用于其它领域，例如：水体净化领域等。

引用文献[1]：CN108217649A

引用文献[2]：CN108014750A

发明内容

发明要解决的问题

鉴于现有技术中存在的技术问题，本发明首先提供了一种活性炭的制备方法，可以根据需要制备具有特定的比表面积、特定孔体积以及中孔结构的活性炭，并且得率较高。并且，所述方法具有制备简单、经济的特点。

进一步地，本发明还提供了一种活性炭，该活性炭的吸附能力强，尤其是在工业化的高效吸附脱附水体净化等对中孔结构要求较高的应用领域的吸附能力。

用于解决问题的方案

[1]、一种活性炭的制备方法，其中，包括以下步骤：

浸渍步骤：将含碳基体浸渍于含有金属离子的溶液中；

干燥步骤：对浸渍后的产物进行干燥处理，使所述含碳基体的表面和/ 或内部形成含有金属离子的胶团；

炭化焙烧步骤：对干燥后的产物进行焙烧，得到含金属簇状结构的炭化物；

气化步骤：在所述金属簇状结构的催化下，使活化气体与所述炭化物反应，从而在所述炭化物的表面和/或内部形成孔道结构。

[2]、根据[1]所述的活性炭的制备方法，其中，形成所述金属离子的金属包括碱金属、碱土金属、过渡金属、稀土金属中的一种或两种以上的组合。

[3]、根据[2]所述的活性炭的制备方法，其中，所述金属离子包括Na⁺、 K⁺、Fe³⁺、Ca^{2 +}、Mg²⁺、Ni²⁺、Ru⁺中的一种或两种以上的组合。

[4]、根据[1]-[3]任一项所述的活性炭的制备方法，其中，所述含有金属离子的溶液中包含表面活性剂，优选是阴离子表面活性剂；更优选地，所述表面活性剂的质量浓度为0.05％～8％；进一步优选地，所述含碳基体的粒径为40～200目，优选100～200目时，所述含碳基体与含有金属离子的溶液的质量比为1～1000:100。

[5]、根据[4]所述的活性炭的制备方法，其中，所述阴离子表面活性剂包括烷基硫酸盐、烷基硫酸酯盐、烷基羧酸盐、烷基磷酸酯盐中的一种或两种以上的组合；其中，所述烷基中的碳原子数为5～20个，优选10～18个。

[6]、根据[1]-[5]任一项所述的活性炭的制备方法，其中，所述干燥包括自然热风干燥；优选地，所述自然热风干燥的温度为120℃以下。

[7]、根据[1]-[6]任一项所述的活性炭的制备方法，其中，所述炭化焙烧的温度为300～800℃，炭化焙烧的时间为0.5～4小时。

[8]、根据[1]-[7]任一项所述的活性炭的制备方法，其中，所述活化气体包括水蒸汽和/或二氧化碳；优选地，所述气化的温度为800～1000℃，所述气化的时间为1～5h，所述活化气体的通入量按每千克反应物料通入流速为 0.3～1.2kg/h的活化气体计。

[9]、根据[1]-[8]任一项所述的活性炭的制备方法，其中，所述制备方法还包括后处理步骤，所述后处理步骤包括除去所述金属簇状结构；优选地，所述后处理步骤包括使用水和/或酸洗涤的步骤。

[10]、根据[1]-[9]任一项所述的活性炭的制备方法，其中，所述含碳基体包括无烟煤、蓝炭、微晶石墨中的一种或多种。

[11]、一种活性炭，其由包括[1]-[10]任一项所述的制备方法制备得到，所述活性炭的亚甲基蓝吸附值为150mg/g以上，所述活性炭的得率为40％以上。

[12]、一种根据[11]所述的活性炭在水体净化中的应用。

发明的效果

(1)本发明提供的活性炭的制备方法，可以根据需要制备具有特定的比表面积、特定孔体积以及中孔结构的活性炭，并且得率较高。并且该制备方法经济简便，容易大规模生产。

(2)本发明的活性炭的吸附能力强，尤其是在工业化的高效吸附脱附水体净化等对中孔结构要求较高的应用领域的吸附能力。

附图说明

图1示出了本发明的含金属簇状结构的炭化物的广域场发射能谱谱图；

图2示出了本发明的含金属簇状结构的炭化物的局部显微场发射能谱谱图；

图3是本发明的含金属簇状结构的炭化物的扫描电镜图(标尺为5μm)；

图4是本发明的含金属簇状结构的炭化物的扫描电镜图(标尺为1μm)；

图5是本发明的含金属簇状结构的炭化物的扫描电镜图(标尺为500nm)；

图6示出了实施例1的活性炭的氮吸附脱附曲线。

图7示出了实施例1的活性炭的比表面积及孔体积分布图。

具体实施方式

以下将详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、器材和步骤未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

如无特殊声明，本发明所使用的单位均为国际标准单位，并且本发明中出现的数值，数值范围，均应当理解为包含了工业生产中所允许的误差。

本文中所使用的“水”包括自来水、去离子水、蒸馏水、双蒸水、纯净水、离子交换水等任何可行的水。

本文中如有使用的“约”、“基本”、“大致”等表示，则其误差范围可以为 5％。

本文如有使用“室温”，其含义是指环境温度为20～30℃。

第一实施方式

本发明的第一实施方式提供了一种活性炭的制备方法，其包括以下步骤：

浸渍步骤：将含碳基体浸渍于含有金属离子的溶液中；

干燥步骤：对浸渍后的产物进行干燥处理，使所述含碳基体的表面和/ 或内部形成含有金属离子的胶团；

炭化焙烧步骤：对干燥后的产物进行焙烧，得到含金属簇状结构的炭化物；

气化步骤：在所述金属簇状结构的催化下，使活化气体与所述炭化物反应，从而在所述炭化物的表面和/或内部形成孔道结构。

本发明使用上述制备方法，可以根据需要制备得到具有所需要的比表面积、孔体积以及中孔结构的活性炭，并且得率较高。

<含碳基体>

本发明的含碳基体的来源没有特别的限定，可以包括各种的能够制备活性炭的已知的来源。例如：含碳基体可以是煤、蓝炭、石墨、木质材料或者各种果实的果壳等。

对于煤，可以是褐煤、烟煤和无烟煤等。其中，褐煤包括褐煤一号 (PM>0～30％)、褐煤二号(PM>30～50％，Qgr,maf<24MJ/kg)等。烟煤包括肥煤、气肥煤等。无烟煤可以是无烟煤一号(Vdaf为0～3.5％；H*为 0～2.0％)、无烟煤二号(Vdaf为>3.5～6.5％；H*为>2.0～3.0％)、无烟煤三号(Vdaf 为>6.5～10.0％；H*为>3.0％)。另外，本发明的无烟煤是高变质无烟煤。例如可以是福建龙岩、三明大田、泉州永春等典型高变质无烟煤炭主产区的矿点获得炭样。

对于蓝炭，又称焦炭，是在炼焦煤料在高温作用下，经过热解、缩聚、固化、收缩等一系列复杂的物理化学过程而形成的固体燃料。对于石墨，可以是微晶石墨等。对于木质材料可以为各种树木的树干或树根。对于果壳，可以为各种含有木质素纤维的果壳，例如椰壳等。

作为优选，本发明活性炭优选是煤质活性炭，其中，所述含碳基体包括无烟煤、蓝炭、微晶石墨中的一种或多种。

<含有金属离子的溶液>

本发明对形成所述金属离子的金属不作特别限定，只要是经干燥后可以在含碳基体的表面和/或内部形成含有金属离子的胶团即可。在本发明中，形成所述金属离子的金属包括碱金属、碱土金属、过渡金属、稀土金属中的一种或两种以上的组合。碱金属例如可以是：锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷 (Rb)、铯(Cs)；碱土金属例如可以是：铍(Be)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)；过渡金属例如可以是：钛(Ti)、钒(V)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴 (Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、钌 (Ru)等；稀土金属例如可以是钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨 (Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝 (Dy)、镥(Lu)等。

具体地，所述金属离子可以是Na⁺、K⁺、Fe³⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Ni²⁺、Ru⁺中的一种或两种以上的组合。使用金属离子的目的是，经干燥后可以在含碳基体的表面和/或内部形成含有金属离子的胶团。

而本发明对于含有金属离子的溶液中的阴离子不作特别限定，只要是可以形成含有金属离子的溶液中即可。在本发明中，含有金属离子的溶液中，金属离子的质量浓度为0.05％～8％。

具体地，所述含有金属离子的溶液中包含表面活性剂。在本发明中，所述含有金属离子的溶液中优选包含阴离子表面活性剂。所述阴离子表面活性剂包括烷基硫酸盐、烷基硫酸酯盐、烷基羧酸盐、烷基磷酸酯盐等。一般而言，烷基中的碳原子数为5～20个，优选10～18个，例如烷基中碳原子数的个数可以是12个、13个、14个、15个、16个、17个等。

进一步，举例而言，所述阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠、十三烷基羧酸钠、十四烷基磷酸酯钠、十五烷基硫酸酯钠、十六烷基硫酸钠、十二烷基硫酸钾、十二烷基羧酸钾，十二烷基磷酸酯钾、十二烷基硫酸酯钾、十二烷基硫酸钙等等。本发明将含碳基体浸渍于上述阴离子表面活性剂中，经干燥后能够有效形成含有金属离子的胶团，便于后期形成金属簇状结构。

实际上，本发明对所述表面活性剂的质量浓度不作特别限定，可以根据所需要的活性炭的比表面积、孔体积以及中孔比等，使用合适的质量浓度。作为优选，在本发明中，含有金属离子的溶液中，所述表面活性剂的质量浓度为0.05％～8％；优选地，所述含碳基体的粒径为40～200目，优选100～200目时，所述含碳基体与含有金属离子的溶液的质量比为1～1000:100，例如：1:100， 1:50，1:10，1:2，1:1，2:1，10:1，20:1，50:1，100:1等。

另外，在浸渍过程中，可以常温常压浸渍，没有温度压强等其它条件的限制。

<干燥>

在本发明中，干燥步骤是较为重要的步骤。本发明通过对上述浸渍后的产物进行干燥处理，使所述含碳基体的表面和/或内部形成含有金属离子的胶团。

通常，在进行干燥过程中，含有金属离子的水溶液的中金属离子的质量浓度会持续增加，逐渐形成含有金属离子的胶团。具体地，在使用阴离子表面活性剂的水溶液进行浸渍时，当阴离子表面活性剂溶液的质量浓度超过临界胶团浓度(CMC，质量浓度)时，阴离子表面活性剂在水中会自聚形成胶团结构，其亲水端是集中的金属离子；另一端非极性基团团聚在胶团中心，随水分的继续减少，胶团的非极性基团在无烟煤表面吸附聚集，得到金属簇状结构，极性端也就是金属离子端平行指向水体。

进一步地，通过控制干燥过程从而控制胶团结构的变化，进而可以控制具有气化扩孔能力的金属簇状结构在含碳基体表面的分布。一般的，快速干燥得到较分散的含有金属离子的胶团，而较长时间的干燥过程得到含有金属离子的胶团较为集中，甚至可以得到晶状的含有金属离子的胶团。

具体地，作为优选，在本发明中，所述干燥包括自然热风干燥；优选地，所述自然热风干燥的温度为120℃以下，例如：自然热风干燥的温度可以是110℃、100℃、90℃、80℃、70℃等。

本发明对干燥的时间不作特定限定，可以形成含有金属离子的胶团即可。干燥的时间例如可以是20h以下，例如2h、4h、6h、8h、10h、12h、14h、16h、 18h等。

<焙烧>

本发明在干燥处理后，对干燥后的产物进行炭化焙烧。对于焙烧的装置，没有特别限定，但是从炭化焙烧效果以及后面气化步骤的考虑，优选使用热解管。

通过对干燥后的产物进行焙烧，可以使有机物炭化，从而得到炭化物，并且通过焙烧，还可以将含有金属离子的胶团转化为金属簇状结构，从而形成含金属簇状结构的炭化物。该金属簇状结构可以是以金属氧化物、金属盐等团聚的形式存在的。即，所得到的炭化物的表面和/或内部具有金属簇状结构。具体地，如图5所示，本发明的金属簇状结构的粒径可以为1～500nm，例如：10～450nm，20～400nm，30～350nm，40～300nm等。

具体地，所述炭化焙烧步骤中，所述炭化焙烧的温度为300～800℃，优选350～750℃，例如：400～700℃，450～650℃，400～600℃等，在此温度下进行保温0.5～4小时，优选1～3.5小时，例如1.2小时、1.5小时、2小时、3小时等。

对于炭化焙烧的其他条件，也没有特别的限定，例如可以在真空状态、惰性气体保护或空气条件下进行，所述惰性气体可以为氮气等。在本发明一些优选的实施方案中，采用惰性气体存在下，对炭化物进行炭化焙烧。

<气化>

将炭化焙烧后得到炭化物，再进行气化处理。对于气化处理的设备没有特别限定，由于气化也是在高温下进行，因此，可以将其置于热解管中进行，作为优选，为了减少转移步骤等，在炭化焙烧后直接进行气化。

所述气化步骤包括：在所述金属簇状结构的催化下，使活化气体与所述炭化物反应，从而在所述炭化物的表面和/或内部形成孔道结构。

在本发明中，使炭化物的表面和/或内部具有金属簇状结构对后期制备孔道结构具有非常重要的意义。具体而言，在进行气化步骤时，金属簇状结构可以充当催化剂，从而使在金属簇状结构的附近形成较大的孔结构，因为反应是吸热的，随着反应的进行，金属簇状结构会吸附迁移到孔结构内较低温的位置继续催化，这样随着气化反应的进行，可以在所述炭化物的表面和/ 或内部形成连续的较大的孔道结构。

具体地，在炭化焙烧后，继续升温至700～1000℃，优选750～980℃，例如：800～950℃等，然后停止通入惰性气体，更换为通入活化气体，所述气化的温度为700～1000℃，优选750～980℃，例如：800～950℃等，在该温度下保温1～10h，优选1.5～8h，例如：2～7h，3～6h，4～5h等。在所述金属簇状结构的催化下，使活化气体与所述炭化物反应，从而在所述炭化物的表面和 /或内部形成孔道结构，然后在惰性气氛下降温至室温(20～30℃，下同)，可以进行后处理步骤。

其中，所述的活化气体为水蒸气或二氧化碳，所述活化气体的通入量按每千克反应物料通入流速为0.3～1.2kg/h的活化气体计。

通过控制气化温度和活化气体的流量，可以控制炭化物的孔体积，比表面积、中孔比等影响吸附的主要因素。一般的，较少的活化气体的流量(例如每千克反应物料通入流速为0.3～0.5kg/h)，和/或较低的反应温度(小于 850℃)，和/或较长的反应时间(例如4小时以上)得到相对集中的细长的孔道结构；而大的水蒸气流量(例如每千克反应物料通入流速为0.8～1.2kg/h) 和/或较高的反应温度(大于850℃)，和/或较短的反应时间(例如2小时以下) 得到相对分散的较大孔径的孔道结构。

<后处理>

本发明中对于上述经气化步骤得到的产物进行后处理以得到最终的活性炭产品。对于后处理的方式，没有特别的限定，可以使用本领域通常的后处理方法，包括清洗、干燥、分级以及包装等。

所述清洗，可以使用水、酸和/或低沸点的烃类、醇类、醚类、酮类等有机溶剂进行，优选的使用水和/或酸进行清洗，从而可以除去所述金属簇状结构。所述干燥可以在加热和/或减压的条件下进行以得到干燥的产品。

第二实施方式

本发明的第二实施方式提供了一种活性炭，其通过第一实施方式的制备方法制备得到，所述活性炭的亚甲基蓝吸附值为150mg/g以上，所述活性炭的得率为40％以上。本发明的活性炭在工业化的高效吸附脱附水体净化等对中孔结构要求较高的应用领域的吸附能力。

具体地，本发明的活性炭可以根据需要，采用本发明的方法，制备得到所需比表面积、特定孔体积以及中孔结构的活性炭。

为了进一步体现本发明，本发明提供了一种具有具体参数范围的活性炭。具体地，所述活性炭中所述中孔的孔径范围为2～50nm，中孔比为40％以上，可以为50％以上，可以为60％以上。

在本发明中，所述活性炭的比表面积可以是大于500m²/g，优选在 600m²/g以上，进一步优选为600m²/g～1200m²/g。

本发明的活性炭的孔体积为0.3～1.1cm³/g，其中，中孔体积为大于0.5 cm³/g。

实施例

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

以下实施例中的原料煤选用福建无烟煤，灰分含量低于4.5wt％。

实施例1

将煤破碎至150目至200目的颗粒状煤，称取破碎后的粉状煤100kg和十二烷基硫酸钠1.5kg加水60Kg混合均匀成反应物料。通过105℃的热风将反应物料干燥10h后，把干燥后的反应物料放置在热解管中。在热解管中通入氮气并加热热解管，使热解管中物料的温度达到400℃，在温度为400℃下恒温1h，得到含金属簇状结构的炭化物。继续加热热解管，使热解管中物料的温度达到800℃，然后停止向热解管中通入氮气，按每千克反应物料中通入流速为0.7kg/h的量向热解管中持续通入水蒸气，在温度为800℃下恒温3h后，在氮气气氛下冷却至室温，用水或酸清洗，除去金属簇状结构后干燥，得到煤质活性炭48.73kg。

实施例2

将煤破碎至150目至200目的颗粒状煤，称取破碎后的粉状煤100kg和十二烷基硫酸钠1.5kg加水60Kg混合均匀成反应物料。通过105℃的热风将反应物料干燥10h后，把干燥后的反应物料放置在热解管中。在热解管中通入氮气并加热热解管，使热解管中物料的温度达到400℃，在温度为400℃下恒温1h，得到含金属簇状结构的炭化物。继续加热热解管，使热解管中物料的温度达到900℃，然后停止向热解管中通入氮气，按每千克反应物料中通入流速为0.7kg/h的量向热解管中持续通入水蒸气，在温度为900℃下恒温3h后，在氮气气氛下冷却至室温，用水或酸清洗，除去金属簇状结构后干燥，得到煤基活性炭45.52kg。

实施例3

将煤破碎至150目至200目的颗粒状煤，称取破碎后的粉状煤100kg和十二烷基硫酸钠1.5kg加水60Kg混合均匀成反应物料。通过105℃的热风将反应物料干燥10h后，把干燥后的反应物料放置在热解管中。在热解管中通入氮气并加热热解管，使热解管中物料的温度达到400℃，在温度为 400℃下恒温1h，得到含金属簇状结构的炭化物。继续加热热解管，使热解管中物料的温度达到900℃，然后停止向热解管中通入氮气，按每千克反应物料中通入流速为0.7kg/h的量向热解管中持续通入二氧化碳，在温度为 900℃下恒温3h后，在氮气气氛下冷却至室温，用水或酸清洗，除去金属簇状结构后干燥，得到煤质活性炭50.04kg。

实施例4

将煤破碎至150目至200目的颗粒状煤，称取破碎后的粉状煤100kg和十二烷基硫酸钠1.5kg加水60Kg混合均匀成反应物料。通过105℃的热风将反应物料干燥10h后，把干燥后的反应物料放置在热解管中。在热解管中通入氮气并加热热解管，使热解管中物料的温度达到400℃，在温度为400℃下恒温1h，得到含金属簇状结构的炭化物。继续加热热解管，使热解管中物料的温度达到950℃，然后停止向热解管中通入氮气，按每千克反应物料中通入流速为0.7kg/h的量向热解管中持续通入二氧化碳，在温度为950℃下恒温3h后，在氮气气氛下冷却至室温，用水或酸清洗，除去金属簇状结构后干燥，得到煤质活性炭46.48kg。

金属簇状结构大小及分布情况测试

利用扫描电镜结合表面能谱分析得到本发明的实施例1-4的含金属簇状结构的炭化物大小和分布情况，结果如图1-5所示。其中，图1示出了本发明的含金属簇状结构的炭化物的广域场发射能谱谱图；图2示出了本发明的含金属簇状结构的炭化物的局部显微场发射能谱谱图；图3是本发明的含金属簇状结构的炭化物的扫描电镜图(标尺为5μm)；图4是本发明的含金属簇状结构的炭化物的扫描电镜图(标尺为1μm)；图5是本发明的含金属簇状结构的炭化物的扫描电镜图(标尺为500nm)。另外，由图3-5可以看出，本发明的金属簇状结构的粒径可以为10～500nm。

活性炭孔结构参数及亚甲基蓝吸性测试

采用ASAP2020物理吸附仪对活性炭进行比表面积和孔径孔容测试。比表面积、中孔比由Brunauer-Emmett-Teller(BET)方法计算得到；孔体积、孔径由non-local densityfunctional theory(NLDFT)方法计算得到。其中，图6 示出了实施例1的活性炭的氮吸脱附曲线；图7示出了实施例1的活性炭的比表面积及孔体积分布图。

采用重量法得到活性炭的收率。

按照国家标准GB/T 212-2008的方法测定实施例1-4的灰含量，结果如下表1所示。

按照国家标准GB/T 7702.6-2008的方法测定实施例1-4的亚甲基蓝吸附值，结果如下表1所示。

表1活性炭的结构参数

由表1可以看出，本发明的活性炭的收率高，亚甲基蓝吸附值高，灰含量低。并且，本发明的活性炭可以根据需要获得所需的比表面积、孔体积以及中孔比。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种活性炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

浸渍步骤：将含碳基体浸渍于含有金属离子的溶液中，所述含有金属离子的溶液中包含表面活性剂，所述表面活性剂的质量浓度为0.05％～8％，所述表面活性剂为阴离子表面活性剂；

干燥步骤：对浸渍后的产物进行干燥处理，使所述含碳基体的表面和/或内部形成含有金属离子的胶团；

炭化焙烧步骤：对干燥后的产物进行焙烧，得到含金属簇状结构的炭化物；

气化步骤：在所述金属簇状结构的催化下，使活化气体与所述炭化物反应，从而在所述炭化物的表面和/或内部形成孔道结构。

2.根据权利要求1所述的活性炭的制备方法，其特征在于，形成所述金属离子的金属包括碱金属、碱土金属、过渡金属、稀土金属中的一种或两种以上的组合。

3.根据权利要求2所述的活性炭的制备方法，其特征在于，所述金属离子包括Na⁺、K⁺、Fe³⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Ni²⁺、Ru⁺中的一种或两种以上的组合。

4.根据权利要求1-3任一项所述的活性炭的制备方法，其特征在于，所述含碳基体的粒径为40～200目时，所述含碳基体与含有金属离子的溶液的质量比为1～1000:100。

5.根据权利要求4所述的活性炭的制备方法，其特征在于，所述含碳基体的粒径为100～200目时，所述含碳基体与含有金属离子的溶液的质量比为1～1000:100。

6.根据权利要求1-3任一项所述的活性炭的制备方法，其特征在于，所述阴离子表面活性剂包括烷基硫酸盐、烷基硫酸酯盐、烷基羧酸盐、烷基磷酸酯盐中的一种或两种以上的组合；其中，所述烷基中的碳原子数为5～20个。

7.根据权利要求6所述的活性炭的制备方法，其特征在于，所述阴离子表面活性剂中，所述烷基中的碳原子数为10～18个。

8.根据权利要求1-3任一项所述的活性炭的制备方法，其特征在于，所述干燥包括自然热风干燥。

9.根据权利要求8所述的活性炭的制备方法，其特征在于，所述自然热风干燥的温度为120℃以下。

10.根据权利要求1-3任一项所述的活性炭的制备方法，其特征在于，所述炭化焙烧的温度为300～800℃，炭化焙烧的时间为0.5～4小时。

11.根据权利要求1-3任一项所述的活性炭的制备方法，其特征在于，所述活化气体包括水蒸汽和/或二氧化碳。

12.根据权利要求1-3任一项所述的活性炭的制备方法，其特征在于，所述气化的温度为800～1000℃，所述气化的时间为1～5h，所述活化气体的通入量按每千克反应物料通入流速为0.3～1.2kg/h的活化气体计。

13.根据权利要求1-3任一项所述的活性炭的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括后处理步骤，所述后处理步骤包括除去所述金属簇状结构。

14.根据权利要求13所述的活性炭的制备方法，其特征在于，所述后处理步骤包括使用水和/或酸洗涤的步骤。

15.根据权利要求1-3任一项所述的活性炭的制备方法，其特征在于，所述含碳基体包括无烟煤、蓝炭、微晶石墨中的一种或多种。

16.一种活性炭，其由包括权利要求1-15任一项所述的制备方法制备得到，所述活性炭的亚甲基蓝吸附值为150mg/g以上，所述活性炭的得率为40％以上。

17.一种根据权利要求16所述的活性炭在水体净化中的应用。

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