化工吸附分離技術

——碳分子篩報告人：某某某目錄碳分子篩的簡介碳分子篩的歷史碳分子篩的制備碳分子篩的應用碳分子篩的簡介碳分子篩的主要成分為元素碳，外觀為黑色柱狀固體。主要由1nm以下呈狹縫狀的微孔和少量大孔組成，孔徑分布較窄，一般在0.3~1.0nm左右，而且孔徑分布均勻、能夠把立體結構大小有差異的分子分離。碳分子篩的歷史1948年,Emmet發現熱解Saran樹脂(氯乙烯和偏二氯乙烯的聚合物)的炭化物具有分子篩作用。20世紀60年代末期，原西德采礦研究公司(BF公司)率先開發成功變壓吸附空分制氮用碳分子篩。20世紀70年代，我國在吉林石油化工科學研究院、上海化工研究院和大連理工大學等單位相繼開展了碳分子篩研制工作,目前已形成碳分子篩年產量近200噸的工業生產規模。碳分子篩的制備1.

原料(1)有機高分子聚合物：Saran樹脂、酚醛樹脂、脲醛樹脂、聚糖醇、聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇/酚醛樹脂等。(2)各種煤：泥炭、褐煤、煙煤、無煙煤等。(3)植物類：木材、椰子殼等。(4)煤衍生物：煤加氫液化產物、煤低溫干餾半焦、煤超臨界萃取殘渣等。2.

常規制備步驟圖1

CMS制備過程3.

常規方法3.1

炭化法炭化法是指原料在惰性氣氛下將成型原料在適當的熱解條件下炭化的方法。在熱解條件下，原料分子中各基團、橋鍵、自由基和芳環發生復雜的分解縮聚反應，從而導致炭化物孔隙的形成、孔徑的擴大和收縮。適用于分子結構規整的樹脂和果殼類的高揮發分物質，如杏核殼、山棗核、椰子殼、桃核殼、山楂核等。3.2

氣體活化法氣體活化法是指在炭化的基礎上，為進一步增加CMS的表面積，在活性介質條件下緩慢加熱處理，發展其孔隙結構的方法。適用于氣孔率低且揮發分較低的原料。常用的活化劑有空氣、O2、

水蒸汽和CO2等，一般活化溫度為500~1000℃。在活化劑和適當溫度下，炭化制備后的基體表面、邊緣活潑的碳原子與活化劑發生反應形成孔隙或打開封閉的孔，從而增大表面積，使其吸附容量增大。4.

孔徑控制技術4.1

碳沉積法碳沉積法是指在氣體活化的基礎上，采用烴類或高分子化合物等作為堵孔劑，使其在高溫下裂解，在氣體活化后多孔材料的孔道內積炭堵孔、調孔。碳沉積法分為氣相和液相沉積。氣相沉積是將多孔材料加熱到400~900℃,通入含烴類的氣體，停留幾分鐘至幾十分鐘。烴發生分解，附著在多孔材料細孔的壁上，從而縮小產物細孔直徑的方法。液相沉積法是指多孔材料浸漬到液態烴類或高分子化合物溶液后，高溫條件下再進行炭沉積來調節孔徑的過程。4.2

熱縮聚法

熱縮聚法又稱為熱收縮法，是指炭質材料經炭化、活化后，在1000~1200℃的高溫條件進一步熱處理的過程，從而達到縮小孔徑的目的。也有解釋為把活性炭、焦炭或薩蘭樹脂等具有微孔的多孔狀物質置于惰性氣氛中，加熱到1200~1800℃，細孔收縮而制得CMS。4.3

聚合物混合炭化法

聚合物混合炭化法是由2種聚合物以物理或化學方法混合、成型、炭化形成CMS的方法。其中1種聚合物A經過熱處理后可轉變成碳，另1種聚合物B經過加熱可從混合物中脫出形成孔隙。2種聚合物混合后，經熱處理，聚合物A轉變成碳，聚合物B從體系中脫出，從而使整個體系成為多孔的CMS，并可通過改變2種聚合物的混合比例控制孔隙的容量，孔隙的大小和形狀則由聚合物混合狀態控制。4.4

有機凝膠炭化法

有機凝膠炭化法主要是將碳的前驅體凝膠化，使其形成3維空間網絡結構，再去除填充在結構空隙中的溶劑，形成CMS。該方法可以通過控制碳前驅體的結構以控制炭化后的孔徑。凝膠通常采用CO2超臨界干燥去除凝膠中的液相成分，生成的有機氣凝膠在1000℃炭化，即得到CMS。4.5

模板法模板法多以無機多孔物質作為模板，將含碳的有機物作為碳源，用酸或堿除去模板而得多孔炭的一種方法。該方法不僅可以很好地實現CMS的孔隙結構可控性；還可以根據需要，選擇不同結構的模板劑，得到孔隙結構類型和形狀不同的各種CMS。碳分子篩的應用

CMS具有大量均勻的孔隙，是具有很高選擇性的吸附劑，因此利用其作為吸附劑采用高壓吸附技術進行氣體分離是CMS的主要應用領域。1.

空分制氮