一种基于煤中疏中质组分的泡沫炭制备方法

摘要

一种基于煤中疏中质组分的泡沫炭制备方法，属于泡沫炭的制备方法。步骤为：(1)以煤族组分分离得到的疏中质组为原料；(2)将原料在溶剂A中萃取，调整分子组成；(3)在室温下用溶剂B对抽提后的疏中质组进行洗涤；(4)在温度、相对湿度、流速的空气介质下对疏中质组干燥，使疏中质组进一步形成具有薄膜泡壁的泡状结构；(5)将干燥后的疏中质组研磨，压制成片体；(6)压片后的样品置于高温炭化炉中，在惰性气氛下加热，得到半泡沫炭；再炭化加热，在惰性气体下自然降温，冷却至室温后即得到泡沫炭。优点：(1)原料来源简单、成本低廉；(2)方法简单，不需密闭加压设备；(3)泡沫炭泡孔结构丰富，且体积密度、表观密度均很低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种泡沫炭的制备方法，特别是一种基于煤中疏中质组分的泡沫炭制备方法。

背景技术

泡沫炭是以含碳物质为原料，经过发泡、固化、炭化及石墨化等程序而得到的一种由泡孔及泡壁组成的三维轻质网状结构，并可根据用途进行适当改性以增强某特定项性能的炭材料。泡沫炭主要由有机聚合物、沥青、中间相沥青、煤及煤系物制备而成，不同的原材料决定其不同的性质。已经报道的制备泡沫炭的工艺往往要求高温高压，或加入发泡剂，或加入模板等人为的造泡过程，而以中间相沥青为原料虽可以制备出较好性能泡沫炭，但由沥青调制中间相沥青对技术和设备的要求却很苛刻。基于价廉易得的初始原料，采用简易的工艺路线，制备性能优异且稳定的泡沫炭材料是人们追求的目标之一。

而发明专利“基于萃取与反萃取的温和化煤族组分分离方法”，专利申请号：200710022120.1，在自然条件下将煤分离成四种族组分，其中的疏中质组分为微细颗粒团聚成结构疏松体，挥发分高，灰分很低(经强化工艺后可几近无灰)，可能通过相对简单的工艺制备出性能优良的泡沫炭材料，从而为以煤为原料的泡沫炭制备开辟一条新途径。

发明内容

本发明的目的是提供一种原料优质易得、制备工艺简单、成本低廉的基于煤中疏中质组分的泡沫炭制备方法，解决已有技术在原料获得和制备泡沫炭工艺方面的复杂性，获得优良泡沫炭。

本发明的目的是这样实现的，其步骤包括疏中质组的制备：

所述疏中质组的制备有以下步骤：

①将粒度为10-300目的煤样置于萃取器中，然后加入混合溶剂，加入量为每克煤样20-300毫升的混合溶剂，混合溶剂为溶剂A和溶剂B按体积比为1:0.2至1:2配制的混合体；在室温下搅拌10-300分钟，萃取过程完成，得到萃取固液混合物；

②对步骤①中萃取的萃取固液混合物进行固液分离，固液分离后分别得到萃取液和萃余物；

③对步骤②中的萃取液进行处理，将萃取液放入至反萃取器中，再向反萃取器中加入反萃取剂，加入反萃取剂的量按萃取液比反萃取剂等于1:0.1至1:2之间，所述的比例为体积比，室温下搅拌5-60分钟，反萃取过程结束，反萃取过程后得到反萃取固液混合物；

④对步骤③中的反萃取固液混合物进行处理，对反萃取固液混合物静置后进行固液分离，得到疏中质组；

⑤所述的溶剂A为：二硫化碳、氯仿、二氯甲烷、苯、甲醇、苯酚、乙醚；所述的溶剂B为：N-甲基-2-吡咯烷酮、环已酮、二甲基亚砜、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、乙二胺、磷酸三乙脂、喹啉、吡啶；所述的反萃取剂为：水、正己烷；在同一个工艺过程中，溶剂A、溶剂B和反萃取剂必须选用三种不同的溶剂物质；

还包括以下步骤：

①将疏中质组在45-100℃下用溶剂C进行1-20小时的溶剂萃取，抽提出其中的小分子物质；在室温下用溶剂D以20-150mL/(g·min)对抽提后的疏中质组进行0.5-4h的洗涤；在温度50-110℃、相对湿度20-50％、流速0.5-2m/s的空气介质下对疏中质组干燥2-20h，使疏中质组进一步形成具有薄膜泡壁的泡状结构；

②将干燥后的疏中质组研磨至100-200目后，以5-20MPa压力压制成厚约1-40mm的片体，形成颗粒间隙和泡孔均较小的薄膜泡壁泡孔结构；

③压片后的样品置于高温炭化炉中，在惰性气氛下，以升温速率1-5℃/min、炭化温度400-800℃下恒温1-20h，得到半泡沫炭；再在800-1200℃炭化温度下恒温0-3h，然后停止加热，在惰性气体下自然降温至300℃以下，冷却至室温后即得到泡沫炭；

④测定过程③得到的泡沫炭的比表面积及孔径和光学显微结构等并进行相应表征；

⑤所述的溶剂C为：氯仿、正己烷、甲醇、二硫化碳。所述的溶剂D为：丙酮、乙醇、水。

有益效果：由于采用了上述方案，将煤中可制备泡沫炭的疏中质组分离出来后再作为制备泡沫炭的原料，避免了由煤直接制备泡沫炭时其他组分的无意义消耗，同时由疏中质组制备泡沫炭能耗较低。利用煤中的疏中质组分为微细颗粒团聚成结构疏松体，挥发分高，灰分很低等重要特征，将其从煤中高效分离后，再经过溶剂萃取，抽提掉其中的小分子物质，调整分子组成，并通过洗涤、干燥、研磨、压片等工序，使之形成颗粒间隙和泡孔均较小的薄膜泡壁泡孔结构，从而克服了一般制备泡沫炭工艺所要求的高温高压，或加入发泡剂，或加入模板等复杂和苛刻的造泡过程，在本技术领域内有良好的实用性。

优点：该方法进一步实现了煤族组分“各尽其才”的高效合理利用；(1)疏中质组作为制备泡沫炭的优质材料，原料来源简单、成本低廉；(2)方法简单，不需密闭加压设备；(3)制备泡沫炭过程简单，泡沫炭泡孔结构丰富，总孔容最大可达4.7cm³/g，孔隙率最高可达83.5％，且体积密度、表观密度均很低。

具体实施方式

本发明的基于煤中疏中质组分的泡沫炭的制备方法，包括疏中质组的制备，所述疏中质组的制备步骤如下：

①将粒度为10-300目的煤样置于萃取器中，然后加入混合溶剂，加入量为每克煤样20-300毫升的混合溶剂，混合溶剂为溶剂A和溶剂B按体积比为1:0.2至1:2配制的混合体；在室温下搅拌10-300分钟，萃取过程完成，得到萃取固液混合物；

②对步骤①中萃取的萃取固液混合物进行固液分离，固液分离后分别得到萃取液和萃余物；

③对步骤②中的萃取液进行处理，将萃取液放入至反萃取器中，再向反萃取器中加入反萃取剂，加入反萃取剂的量按萃取液比反萃取剂等于1:0.1至1:2之间，所述的比例为体积比，室温下搅拌5-60分钟，反萃取过程结束，反萃取过程后得到反萃取固液混合物；

④对步骤③中的反萃取固液混合物进行处理，对反萃取固液混合物静置后进行固液分离，得到疏中质组；

⑤所述的溶剂A为：二硫化碳、氯仿、二氯甲烷、苯、甲醇、苯酚、乙醚；所述的溶剂B为：N-甲基-2-吡咯烷酮、环已酮、二甲基亚砜、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、乙二胺、磷酸三乙脂、喹啉、吡啶；所述的反萃取剂为：水、正己烷；在同一个工艺过程中，溶剂A、溶剂B和反萃取剂必须选用三种不同的溶剂物质；

还包括以下步骤：

①将疏中质组在45-100℃下用溶剂C进行1-20小时的溶剂萃取，抽提出其中的小分子物质；在室温下用溶剂D以20-150mL/(g·min)对抽提后的疏中质组进行0.5-4h的洗涤；在温度50-110℃、相对湿度20-50％、流速0.5-2m/s的空气介质下对疏中质组干燥2-20h，使疏中质组进一步形成具有薄膜泡壁的泡状结构；

②将干燥后的疏中质组研磨至100-200目后，以5-20MPa压力压制成厚约1-40mm的片体，形成颗粒间隙和泡孔均较小的薄膜泡壁泡孔结构；

③压片后的样品置于高温炭化炉中，在惰性气氛下，以升温速率1-5℃/min、炭化温度400-800℃下恒温1-20h，得到半泡沫炭；再在800-1200℃炭化温度下恒温0-3h，然后停止加热，在惰性气体下自然降温至300℃以下，冷却至室温后即得到泡沫炭；

④测定过程③得到的泡沫炭的比表面积及孔径和光学显微结构等并进行相应表征；

⑤所述的溶剂C为：氯仿、正己烷、甲醇、二硫化碳。所述的溶剂D为：丙酮、乙醇、水。

实施例1：

选择碳含量C_daf为86.50％的某煤样进行破碎，按煤的全组分族分离工艺将煤样分离成四种组分，收集疏中质组分备用。

1、将疏中质组用甲醇溶液在65℃下进行索氏萃取20小时，抽提出其中的小分子物质；

2、在室温下用水对抽提后的疏中质组洗涤2小时；

3、在温度110℃、相对湿度20％、流速2m/s的空气介质下将疏中质组干燥20小时；

4、将干燥后的疏中质组研磨至200目后以5MPa压力压制成约1mm厚的圆柱体；

5、样品压片后置于坩埚底部并放入管式炉中一定位置，在惰性组分N₂中，在5℃/min升温速率下升温至450℃、550℃、650℃、800℃，恒温1小时，然后停止加热，在惰性气体保护下自然降温至300℃，冷却至室温即得泡沫炭。

泡沫炭体积密度、表观密度、孔隙率及平均孔径的数据如下表：

温度/℃体积密度g/cm³表观密度g/cm³孔隙率％平均孔径μm4500.24680.724465.934215.15935500.17481.022682.90343.26526500.19330.831876.76337.87158000.24931.013975.41175.8482

实施例2：

选择碳含量C_daf为85.0％的某煤样进行破碎，按煤的全组分族分离工艺将煤样分离成四种组分，收集疏中质组分备用。

1、将疏中质组用氯仿溶液在61℃下进行索氏萃取2小时，抽提其中的小分子；

2、在室温下用乙醇对抽提后的疏中质组洗涤4小时；

3、在温度80℃、相对湿度30％、流速1m/s的空气介质下将疏中质组干燥15小时。

4、将干燥后的疏中质组研磨至100目后以8MPa压力压制成约2mm厚的圆柱体；

5、样品置于坩埚底部并放入管式炉中一定位置，在惰性组分N₂中，在1℃/min升温速率下升温至550℃，恒温1h、2h、3h，然后停止加热，在惰性气体保护下自然降温至300℃，冷却至室温即得泡沫炭。

泡沫炭体积密度、表观密度、孔隙率及平均孔径的数据如下表：

一段恒温时间/h体积密度g/cm³表观密度g/cm³孔隙率％平均孔径μm10.22771.193580.920512.447720.31891.656980.752917.115930.26650.998973.31885.5019

实施例3：

选择碳含量C_daf为87.0％的某煤样进行破碎，按煤的全组分族分离工艺将煤样分离成四种组分，收集疏中质组分备用。

1、将疏中质组用二硫化碳溶液在46℃下进行索氏萃取6小时，抽提其中的小分子；

2、在室温下用丙酮对抽提后的疏中质组洗涤3小时；

3、在温度70℃、相对湿度50％、流速1.5m/s的空气介质下将疏中质组干燥8小时；

4、将干燥后的疏中质组研磨至200目后以20MPa压力压制成约1mm厚的圆柱体；

5、将样品置于坩埚底部并放入管式炉中一定位置，在惰性组分N₂中，在3℃/min升温速率下升温至550℃，恒温1h，然后在1℃/min升温速率下升温至1100℃，恒温0h、1h、2h，停止加热，在惰性气体保护下自然降温至300℃，冷却至室温即得泡沫炭。

泡沫炭体积密度、表观密度、孔隙率及平均孔径的数据如下表：

二段恒温时间/h体积密度g/cm³表观密度g/cm³孔隙率％平均孔径μm00.22771.193580.920512.447710.24561.334581.59616.016420.22731.245281.74468.0961

实施例4：

选择碳含量C_daf为84.50％的某煤样进行破碎，按煤的全组分族分离工艺将煤样分离成四种组分，收集疏中质组分备用。

1、将疏中质组用正己烷溶液在98℃进行索氏萃取15小时，抽提其中的小分子；

2、在室温下用丙酮对抽提后的疏中质组洗涤0.5小时；

3、在温度70℃、相对湿度40％、流速0.5m/s的空气介质下将疏中质组干燥2小时；

4、将干燥后的疏中质组研磨至100目后以15MPa压力压制成约2mm厚的圆柱体；

5、将样品置于坩埚底部并放入管式炉中一定位置，在惰性组分N₂中，在2℃/min升温速率下升温至550℃，恒温1h，然后在5℃/min升温速率下升温至1100℃，恒温0h、2h、3h，停止加热，在惰性气体保护下自然降温至300℃，冷却至室温即得泡沫炭。

泡沫炭体积密度、表观密度、孔隙率及平均孔径的数据如下表：

二段恒温时间/h体积密度g/cm³表观密度g/cm³孔隙率％平均孔径μm00.23841.445383.504410.924220.23801.163579.54738.755030.29351.285677.17142.7302