利用石油焦制取活性炭的研究【开题报告】.doc

1、毕业设计开题报告 化学工程与工艺 利用石油焦制取活性炭的研究 一、 综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 活性炭作为一种多孔性含碳材料 ,其内部具有十分发达的空隙结构和巨大的比表面积 ,表面具有含氧等元素的特殊功能的表面功能团 ,应用领域越来越宽 1。自 20 世纪初投入工业生产以来 ,作为吸附剂、催化剂载体等已经广泛用于电子、化工、食品加工、医疗卫生、交通能源、农业、国防等领域 ,特别是最近 ,为了防治大气污染、水质污染和恶臭等公害以保护环境 ,使得活性炭的生产和研究有了更快的发展。如今全世界约有 50 个国家生产活 性炭 ,美国、日本、英国、德国、法国和俄罗斯等国家的发展处于领先

2、水平。到 1990 年止 ,美国年消耗量 105 491 t ,并以 4 % 5 %的年均增长率增加。日本的消耗也达 75 251 t ,而西欧各国活性炭年生产能力为 10 万 t 。 我国活性炭工业始于 50年代 , 起步晚 , 规模小 ,设备陈旧 , 技术落后 , 产品质量低 , 品种少。主要原因 : 长期以来缺乏统一归口领导 , 技术和科学管理水平较低 ; 品种少 , 应用开发能力差 , 活性炭的供销量较小 ; 对外贸易起步晚 , 出口组织工作不力。在产品品种方面 , 我国活性炭主要 用于液相原料及产品的精制 , 以粉状炭为主 , 近年来由于我国工业的发展和环保的需要 , 颗粒活性炭需求

3、增大、销路看好 , 其中以煤质颗粒炭发展最快。目前我国活性炭厂家有 300多家 , 产量已由 80年代初的 10 kt 提高到 1995年的100 kt , 其中木质炭生产主要集中在华东地区。煤质炭在优质煤产地山西、宁夏等地。果壳炭集中在河北等省份。年产量在 2000吨以上的大型活性炭厂有 10 家左右 , 部分1000吨以下的小型活性炭厂由于污染和技术落后已被淘汰。 近年来 , 我国活性炭工业高速发展 , 平均年增长率达 15% , 出口量已超过美国和日本 , 居世界首位。但是我国活性炭应用领域主要集中在医药、食品、军工等部门 , 在环保方面的应用尚不广泛 2。“九五”期间 , 我国政府将大

4、幅度增加环保投资 , 活性炭用量将成倍增长。用木材、果壳及优质煤生产活性炭 , 存在着原料来源少、运输不便及成本高等问题 ; 炼厂石油焦资源丰富 , 分布广 , 价格低 , 其碳含量比木材和煤高得多 , 用其制造活性炭收率高、比表面大。另外 , 石油焦的灰份、挥发份低 , 生产的活性炭杂质含量低 ,可用于生产中高档炭 , 产品质量优良。石油焦是炼油过程中生产的一种石油副产品 , 价格低廉 , 目前主要用于炼铝工业。但根据石油工业发展形势 , 今后我国将逐渐增加进口中东高硫原油数量 , 届时炼厂石油焦硫含量将上升 , 其质量将不能满足炼铝等行业煅烧焦的要求 , 价格也将大幅度下降。因此 , 为今

5、后高硫石油焦寻找新的用途对提高炼厂效益 , 增强其市场竞争力有着重要意义。因此开发石油焦生产活性炭的技术 , 进一步提高石油焦的附加值 , 拓宽活性炭的原料来源 , 在技术上填补国内空白 , 对我国活性炭工业的发展和技术进步具有重大经济和社会效益。 国外于 70年代开始进行石油焦制备活性炭的研究 , 美国于 80年代 中期实现工业化 , 日本于 90年代初开始工业生产 , 均生产比表面在 2 500 m2/ g 以上的活性炭 3, 由于此类活性炭具有原料丰富、价廉、比表面大、吸附性能高等优点 , 广泛用于电子、医药、催化、气体分离和贮存等领域。目前石油焦制活性炭的研究及应用已引起各国学者的浓厚

6、兴趣 , 成为活性炭领域的热门课题之一。国外文献报道的石油焦制备活性炭的方法有 : 磷酸法： 美国 Kansas 大学于 1971年发表了用磷酸在 900 活化石油焦的文章 , 美国 Union Oil 公司也于 1973年公开了用多磷酸活化石油焦的专 利 ,但两种方法制备的活性炭比表面只有 500 m2/ g , 没有进行工业化生产。 水蒸汽法： 日本住友金属矿山株式会社于 1974年公开了于 900 水蒸汽活化石油焦的专利 , 所得粉状炭比表面 600 m2 / g。以石油焦为原料 , 采用物理法制造颗粒活性炭的 工艺过程为 : 将石油焦原料破碎、磨粉 , 使 90%焦粉通过 180目筛

7、, 经化学处理 , 然后加入一定比例的渣油或沥青 , 在双轴搅拌机中混合均匀 , 经油压机挤压成型后进入转炉炭化。炭化温度在 600 左右。炭化料经筛分后在斯列普炉内以 850 900 用过 热蒸汽活化。活化料筛分后包装成成品活性炭。 氢氧化钾法： 美国 Standard Oil 公司于 1971 1974的四年中申请了五篇用石油焦制备活性炭的专利 4, 其要点为 : 用 HNO3将石油焦氧化成石油焦酸 , 然后在不同的工艺条件下用过量的 KOH 活化 , 制得比表面在 1 000 2 600 m2/ g 的活性炭 , 这种活化方法收率低 , 工艺繁锁复杂 , 物料处理困难 , 未能在工业上应

8、用 ; 因此该公司又于 1978年公开了用 3倍量的 KOH在 850 活化石油焦的专利 : 将石油焦破碎、筛分 , 然后将其与活化剂 KOH 充分混合 , 在 300 500进行脱水预活化 , 在 700 1 000 下活化 , 最后将活化后的混合物冷却 , 充分水洗、干燥 , 即可制得高比表面石油焦类粉状活性炭 , 若要制成型炭 , 还需要成型工艺。该专利技术于 1976年在隶属于 Standard Oil 公司的 Amoco Research Center 进行了中试 , 投资 3百万美元 , 粉状炭商品名为 PX, 颗粒炭为 GX, 所生产的炭比表面大于 2 500 m2 / g, 是

9、普通活性炭的 2 4倍。其后这一技术于 1985年在 Ahderson Development公司实现了工业化 , 商品号为 AX5。 日本 Kansai Coke and Chemicals 公司在 800 减压条件下用 3倍量的 KOH 直接活化石油焦制得了比表面 3 000 m2 / g 的活性炭 , 并于 1993年投资 186万美元建了一套50 t / a 的中试工厂 , 随后进行工业化生产 , 商品名为 Max sorb, 价格为 93 000美元 / t , 比常规活性炭的价格 ( 4 650 9 300 美元 / t ) 高出 10倍。 我国于 80年代开始进行石油焦制活性炭的

10、研究 , 但大都停留在低档炭水 平 , 与国外水平相差较大 , 如南京大学在 1987年申请的专利中介绍了用南京炼油厂石油焦生产废水处理用活性炭的方法 :将石油焦进行粗粉碎 , 然后在 600 650 的马福炉中加热 1 h, 冷却后粉碎 , 经 40目筛选 , 即得所需活性炭。该活性炭用于印染废水、染料废水及其它含有机物的废水处理 , 但专利中没有给出活性炭吸附性能指标 ; 锦州石化公司研究院用磷酸浸渍石油焦 , 再用水蒸汽活化 , 样品碘值最高达到 480 mg/g;独山子石化总厂研究院与银川光华活性炭厂及山西新华化工厂合作 , 采用水蒸汽法 , 于 900 活化石 油焦 ,制得碘值 70

11、0 mg / g 的活性炭。南京炼油厂研究所与林业部南京林产化工研究所共同对石油焦制备活性炭的技术进行了研究 , 采用不同的催化剂及活化工艺 , 根据不同用途开发出高中低 3种品质的活性炭 。 考虑到我国是炼油大国， 我国石油焦资源丰富 ,尤其高硫石油焦应用受到限制 ,用其生产活性炭前景广阔 6。但石油焦孔隙率低 ,直接活化性能很差 ,通过预炭化、成型、配入辅助物 ,可以大大改善活性炭吸附性能。 为此，我国政府高度重视活性炭的工艺改进。随着国民经济的发展，许多领域对活性炭的性能提出了更高要求，从而进一步促进了 活性炭在原料、生产工艺及性能等方面的发展。这 为课题的研究提供了理论依据。 本人所研

12、究的课题原料为石油焦 ， 石油焦属于矿物类原料 ,具有含碳量高 ,灰分、挥发份低 ,具有适当的初始孔隙结构 ,是制备超高比表面积活性的理想原料。由于不同来源的石油焦具有不同的光学结构 ,因而与活化剂作用的程度有较大差异 ,活化后所得产品的性能也有很大不同。因此本课题通过对所用石油焦进行系列表征 ,给出了较为合理的解释。基于这个原因，本人选此课题作为研究方向。 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题： 1.制作活性炭 以石油焦为原料 , 将石油焦原料 (来源于 和邦化学有限公司 ) 粉碎成细粒 , 然后将石油焦粉末筛分为粒径 200 目、 200 140 目。用不同粒径的石油焦原样与活化剂混合均匀

13、 , 置于管式炉中在 N2 保护下升温活化。考察石油焦粒径对活化结果的影响。 2.优化工艺条件 实验从新的理论视角出发 , 考察了一系列新型活化剂对石油焦的化学活化性能 , 优选出了活化性能优越 、 来源广泛 、 廉价的活化剂 , 系统考察了活化剂 / 焦炭的质量配比 ( 碱 / 炭 ,Wb/ Wc),不同的粒径，不同的活化温度以及不同的活化剂 对活性炭吸附性能和孔隙性能的影响。 并且确定了不同 活化剂的最佳活化工艺条件 。 3.对所制造的活性炭进行性能测试 活性炭产品的比表面积和孔结构参数评价使用的是北京精微高博科学技术有限公司生产的 JW-BK静态氮吸附仪。用高纯氮作为吸附介质 , 以液氮

14、为冷阱 , 依据静态低温氮吸附容量法进行有关结构参数的测定。并对不同的工艺条件制取的活性炭进行比较。 三、研究步骤、方法及措施： 1.通过查找资料，分析资料确定选题范围及论文题目。 2.通过指导老师指导，结合调研和资料整理分析、撰写开题报告、外文翻译和文献综述。 3.根据开题报告写作思路草拟论文提纲。 4.根据论文提纲 进一步查找资料，撰写论文初稿。 5.根据论文初稿，收集的资料，修改成稿。 四、参考文献 1 邢伟 ,阎子峰 . 用石油焦生产活性炭 J.石油化工高等学校学报 .2002,15(2):1112. 2 宋燕，李开喜，杨常玲，等 . 石油焦制备高比表面积活性炭的研究 J. 石油化工

15、，2002,31(6):431433. 3 韩霞 ,商红岩 ,吴明铂 ,等 .石油焦制备活性炭工艺条件的优化 J.碳素 , 2001(1): 1920. 4 范艳青 ,冯晓锐 ,陈雯 ,等 . 活性炭制备技术与发展 J. 昆明理 工大学学报 ,2002， 27（ 5）： 1819. 5 方智利 ,陈木梁 ,章江洪 ,等 . 国内外活性炭制备发展动态 J. 云南化工 ,2011, 28(5) : 2425. 6 左宋林 ,滕勇升，等 . KOH活化石油焦制备工艺对活性炭吸附性能的影响 N. 南京林业大学学报 (自然科学版 ). 2008,32(3):4849. 五、研究工作进度： 1.2010

16、年 11 月 25 日，接受指导教师下达的任务； 2.2010 年 12 月 27 2011 年 1 月 15 日，根据题目查找、收集资料，分析整理资料，完成外文翻译 、文献综述和开题报告； 3.2011 年 2 月 24 日 2011 年 3 月 4 日，利用 KOH 为活化剂制备活性炭进行第一组实验，实验活化温度 850制备方法如下图所示： 4.2011 年 3 月 7 日 2011 年 3 月 8 日，对第一组的实验结果进行 BET 表征； 5.2011 年 3 月 9 日 2011 年 3 月 14 日，以 K2CO3为活化剂进行第二组实验，与第一组作为不同的活化剂对比，制备方法如上所

17、说； 6. 2011 年 3 月 15 日 2011 年 3 月 17 日，以 K2CO3为活化剂进行第三组实验，与第二组作为不同的粒径对比，制备方法如上所说； 7.2011 年 3 月 18 日 2011 年 3 月 21 日，对前三组的实验结果进行 BET 表征； 8.2011 年 3 月 22 日 2011 年 3 月 29 日，以 KOH 为活化剂进行第四组实验，实验活化温度为 800，考察不同的碱碳比（ 2:1、 3:1、 4:1 和 5:1）对其性能的影响； 9.2011 年 3 月 29 日 2011 年 4 月 1 日，以 KOH 为活化剂进行第五组实验，实验活化温度为 850

18、，与第四组实验进行对比，考察不同的活化温度对其性能的影响； 10.2011 年 4 月 4 日 2011 年 4 月 13 日，对第四组和第五组的实验结果进行 BET表征和孔径 测试； 11.2011 年 4 月 14 日 2011 年 4 月 15 日，分析数据，并用 Origin 进行数据处理； 12.2011 年 4 月 18 日 2011 年 4 月 27 日，对第四组和第五组的实验结果进行苯值吸附测试。测试方法为：将一定质量的试样放入苯饱和蒸气浴中 85-90恒温吸附 2 小时后，通过吸附前后试样质量的变化即可求出每克活性炭吸附苯的毫克数。 13. 2011 年 4 月 28 日 2011 年 5 月 5 日，根据提纲完成初稿； 14.2011 年 5 月 6 日 2011 年 5 月 10 日，根据指导老师的意见和建议修改初稿； 15.2011 年 5 月 11 日 2011 年 5 月 15日，修改成稿，打印毕业论文（设计），上交所有材料； 16.2011 年 5 月 16 日 2011 年 5 月 18 日，进行毕业论文（设计）答辩。