一种用于吸附硫化氢的中孔/微孔碳材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种用于吸附硫化氢的中孔/微孔碳材料的制备方法，包括步骤：1）取一定量的糖类化合物溶解于含硫酸的水溶液中，各物质的质量比为糖类化合物：浓硫酸：去离子水=1:0.02～0.1:2.0～5.0，混均，再加入糖类化合物质量0.1～1.0倍的SBA-15作为模板剂，混均，得粘稠状的混合物，除去粘稠状的混合物中的水得干燥粉末，将干燥粉末在氮气或氩气下，750～900℃焙烧至少0.5h，所得物质用碱性溶液洗涤去除模板剂，再洗涤至pH=7～8，过滤后将滤饼干燥得初级碳材料；2）将初级碳材料在含有二氧化碳的气氛下在750～950℃下活化0.5～2h，得到一种同时含有中孔和微孔的中孔/微孔碳材料。

说明书

技术领域

本发明属于环境保护领域，特别涉及到一种同时含有中孔/微孔的用于吸附硫化氢 的中孔/微孔碳材料的制备方法。

背景技术

硫化氢广泛存在于天然气和沼气中，具有刺激性恶臭气味,在氧气和潮湿气氛下, 会引起设备和管路腐蚀,还可能危害人体健康。多年来，国内外研究人员对天然气、煤 层气和沼气等含硫气体的脱硫问题进行了大量研究。目前见报的脱硫方法可分为干法 和湿法脱硫两类：

中国专利申请201010135517.3公开了一种含硫化氢的酸性气的液相处理方法。该 方法先将酸性气中的硫化氢焚烧生成二氧化硫，再在催化剂作用下反应生成三氧化硫， 三氧化硫与碱性溶液反应生成硫酸盐溶液，最后硫酸盐溶液经处理得到硫酸盐产品。

中国专利200910218274.7公开了一种液相法从沼气中去除硫化氢的方法。该方法 先将沼气压缩至0.35～0.7MPa，进入吸收塔，沼气由下而上与由上而下的吸收剂乙醇 胺溶液逆流接触，吸收掉二氧化碳和硫化氢，从吸收塔顶出来的即为提纯的天然气。

中国专利200910050385.1公开了一种实验室处理含硫化氢/二氧化碳尾气的方法。 该方法先将含硫化氢的气体温度降至30～60℃，经减压至0.5～2.5MPa后，再通入含 有浓度为7～19%质量百分比的KMnO₄溶液的多级吸收槽中，利用KMnO₄液选择性吸 收尾气中的高浓度硫化氢气体。

中国专利96104818.2公开了气体中硫化氢的催化焚烧工艺。将含有硫化氢的气体 与氧气混合后，进入装有活性炭作为催化剂的催化焚烧反应器，在温度为200～400℃ 下，硫化氢经催化氧化变为二氧化硫，然后和反应后的气体一起排入大气。

中国专利申请201110001491.8公开了一种天然气常温精脱硫化氢的方法。该方法 技术方案是天然气经干燥后，进入装有活性碳脱硫剂的脱硫塔，在以负载含量为2～ 9Wt％CuO的颗粒或成型活性炭为脱硫剂作用下，脱除气体中的硫化氢，该脱硫剂的 硫容量相对较低。

中国专利申请201110341436.3公开了一种改性活性炭脱硫剂及其制法和一种硫化 氢废气的处理方法。该法将活性炭用包含苯酚、丙酮与碳酸钠、硝酸铁、有机溶剂组 成的活性剂混合溶液浸渍，然后干燥焙烧而得。

但上述脱硫工艺中都存在一定不足：液相催化法、碳酸钠或醇胺吸收法等湿法脱 硫适合于处理大流量的气体，脱硫效率较高，可连续操作，但容易产生二次污染，且 投资运行费用较高，一般厂家难以承受。

干法脱硫主要适用于精细脱硫，其主要缺点是脱硫剂对于硫化氢的吸附容量相对 较低，导致脱硫效率相对不高。干法脱硫的技术核心是吸附剂或催化剂的研制与开发。 一般金属氧化物脱硫效果好，但对金属氧化物的利用率低，成本较高；以微孔为主的 普通活性炭材料被广泛用做吸附剂，但在硫化氢的吸附过程中，容易出现孔道的堵塞， 吸附容量低，因此研制对硫化氢的吸附容量高的吸附材料是一个环境材料方面的重要 问题。

活性炭是一种被广泛使用的气体吸附剂，通常认为活性炭的孔结构和比表面积是 影响脱硫效率的关键因素。譬如，Steijins和Mars研究了不同孔结构物质的脱硫效果, 发现孔径在0.5～1nm范围内的微孔具有最高的催化活性,太大和太小的孔的脱硫效 果都降低；Swinarski等的研究表明脱硫活性与孔径在3.5nm～8nm的孔表面积成正比, 小于3.5nm的孔没有脱硫效果,反应生成的硫最初都覆盖在8nm～30nm的孔中,不会 影响脱硫活性（谭小耀,吴迪镛,袁权，浸渍活性炭脱硫过程中孔结构及气体湿度的影响， 《化工学报》1997年48卷2期第237～240页）。可见活性炭孔结构对脱硫效率的有着 重要影响。普通的商品活性炭通常是以微孔为主，因而开发具有合适孔结构的高比表 面积炭材料可以提高干法脱硫的效果。

根据孔径大小的不同，国际纯粹和应用联合会IUPAC组织规定，孔径在2~50nm 的材料称为中孔材料，小于2nm的材料为微孔材料，大于50nm的材料为大孔材料。 近来有一些中国专利涉及了中孔炭制备和用于二氧化碳捕集的方法。中国专利申请 200810156120.5公开了一种高比表面积中孔碳材料的制备方法。该方法以碳水化合物、 酚类化合物及金属氯化物为原料，进行水解和聚合反应，再经干燥、固化、炭化、水 洗、烘干等步骤，制得比表面积为500～2500m²/g的中孔碳材料。该方法需要使用价 格有毒且昂贵的化学试剂。

中国专利申请200980125763.6公开了具有特征性中孔尺寸的微孔和中孔碳干凝 胶及其前体以及其制备方法和应用。该制备方法使用苯酚代替间苯二酚，制得了基于 苯酚-甲醛的微孔的碳干凝胶。

中国专利201010224646.X公开了捕集CO₂用球状中孔炭复合材料及其制备方法 和应用。该材料由有机前驱体、表面活性剂、催化剂、无机模板剂、聚乙烯亚胺混合 聚合反应，再经老化、干燥、炭化处理、无机模板剂去除及担载聚乙烯亚胺后，得到 捕集二氧化碳用球状中孔炭复合材料，用来捕集二氧化碳。

上述方案所制备的材料主要以中孔炭为主，制备过程中需要使用有毒的酚类或亚 胺类试剂，制备过程复杂，费用偏高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种用于吸附硫 化氢的同时含有中孔/微孔的中孔/微孔碳材料的制备方法、中孔/微孔碳材料及应用。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种中孔/微孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

1）模板法制备初级炭材料：先取一定量的糖类化合物溶解于含硫酸的水溶液中， 其中，各物质的质量比为糖类化合物：浓硫酸：去离子水=1:0.02～0.1:2.0～5.0，混合 均匀，再加入糖类化合物质量0.1～1.0倍的中孔氧化硅SBA-15作为模板剂，混合均匀， 得到粘稠状的混合物，除去所述粘稠状的混合物中的水得到干燥粉末，将所述干燥粉 末在氮气或氩气气氛下，750～900℃下焙烧至少0.5h，得到的物质用碱性溶液洗涤以 去除模板剂，然后再洗涤至pH=7～8，过滤后，将滤饼干燥得到初级碳材料；

2）初级碳材料气相活化：将上述初级碳材料在含有二氧化碳的气氛下在750～950 ℃下活化0.5～2h，得到一种同时含有中孔和微孔的中孔/微孔碳材料。

优选地，还包括如下步骤：

3）金属氧化物负载型中孔/微孔碳材料的制备：采用浸渍的方法，将所述中孔/微 孔碳材料浸渍于0.1～1.0M的金属盐溶液中，25～85℃下恒温浸渍5～24h，过滤后， 将滤饼干燥除水，再升温至200～250℃焙烧0.5～4h，得到负载有金属氧化物的中孔/ 微孔碳材料。

优选地，所述糖类化合物是乳糖、蔗糖或葡萄糖。

优选地，所述金属盐溶液为Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Ce的氯化物、醋酸盐或 硝酸盐的可溶性水溶液。

优选地，其中，除去所述粘稠状的混合物中的水得到干燥粉末是在以下条件下进 行的：将所述粘稠状的混合物在100～120℃下干燥0.5~10h后，升温至160～200℃炭 化0.5～6h。

一种中孔/微孔碳材料，由上述任意一项所述的制备方法制得，所述中孔孔径为 2~50nm，所述微孔孔径<2nm。

上述中孔/微孔碳材料在吸附硫化氢中的应用，硫化氢的浓度为100～2000ppm。

优选地，吸附温度为20～80℃。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明采用模板法和气相活化法，制备得到同时具有中孔和微孔的双孔结构的中 孔/微孔碳材料，其比表面积可以高至1480m²/g，同时存在中孔和微孔有利于硫化氢气 体在材料的内扩散，具有较高的气体吸附能力。

进一步地，高的比表面积有利于载金属氧化物的负载，再通过金属氧化物负载改 性使中孔/微孔碳材料的表面化学性质发生改变，尤其增加了选择吸附极性硫化氢的能 力，获得了较高的硫化氢吸附容量。

所制备的中孔/微孔碳材料具有较高比表面，尤其适用于一定浓度的硫化氢的低温 吸附，可获得高的硫化氢吸附容量，净化处理硫化氢效果明显，并且工艺操作简单， 适合于天然气、煤层气和沼气中含有的硫化氢的净化处理。

附图说明

图1是本发明实施例1所得中孔/微孔碳材料的孔径分布图；

图2是本发明实施例3所得中孔/微孔碳材料的孔径分布图；

图3是本发明实施例3所得中孔/微孔碳材料的SEM图；

图4是本发明实施例4所得中孔/微孔碳材料的孔径分布图。

具体实施方式

下面对照附图和结合优选具体实施方式对本发明进行详细的阐述。

本发明提供一种中孔/微孔碳材料的制备方法，在一种实施方式中，包括以下步骤：

1）模板法制备初级炭材料：先取一定量的糖类化合物溶解于含硫酸的水溶液中， 其中，各物质的质量比为糖类化合物：浓硫酸：去离子水=1:0.02～0.1:2.0～5.0，混合 均匀，再加入糖类化合物质量0.1～1.0倍的中孔氧化硅SBA-15作为模板剂，混合均匀， 得到粘稠状的混合物，除去所述粘稠状的混合物中的水得到干燥粉末，将所述干燥粉 末在氮气或氩气气氛下，750～900℃下焙烧至少0.5h，得到的物质用碱性溶液洗涤以 去除模板剂，然后再洗涤至pH=7～8，过滤后，将滤饼干燥得到初级碳材料；

2）初级碳材料气相活化：将上述初级碳材料在含有二氧化碳的气氛下在750～950 ℃下活化0.5～2h，得到一种同时含有中孔和微孔的中孔/微孔碳材料。

在另一种实施方式中，还包括如下步骤：

3）金属氧化物负载型中孔/微孔碳材料的制备：采用浸渍的方法，将所述中孔/微 孔碳材料浸渍于0.1～1.0M的金属盐溶液中，25～85℃下恒温浸渍5～24h，过滤后， 将滤饼干燥除水，再升温至200～250℃焙烧0.5～4h，得到负载有金属氧化物的中孔/ 微孔碳材料。

上述实施方式中，所述糖类化合物优选为乳糖、蔗糖或葡萄糖；所述金属盐溶液 优选为Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Ce的氯化物、醋酸盐或硝酸盐的可溶性水溶液。 其中，除去所述粘稠状的混合物中的水得到干燥粉末是在以下条件下进行的：将所述 粘稠状的混合物在100～120℃下干燥0.5~10h后，升温至160～200℃炭化0.5～6h。其 中的含有二氧化碳的气氛可以是纯二氧化碳气氛或者二氧化碳与惰性气体或二氧化碳 与氮气的混合，使用纯二氧化碳气氛时效果和效率较佳。

本发明还提供了一种中孔/微孔碳材料，其由上述任意一种实施方式所述的制备方 法制得，其中中孔孔径为2~50nm，所述微孔孔径<2nm。

本发明还提供一种上述中孔/微孔碳材料在吸附硫化氢中的应用，应用条件为硫化 氢的浓度为100～2000ppm。优选吸附温度为20～80℃。

以上技术方案中，所述的中孔氧化硅SBA-15的中孔孔径在2~50nm，以4.5~10nm 为宜；比表面积以600～1200nm为宜。浓硫酸是指质量百分比≥70%的硫酸溶液。洗涤 去除模板剂的碱性溶液以氢氧化钠或氢氧化钾水溶液为宜。

以下通过更具体的实施例对本发明进行详细阐述，以下实施例中材料的比表面积 采用在77K下氮吸附测得，孔径分布根据BJH法(Barrett-Joyner-Halenda)测试确定。所 制备的中孔/微孔碳材料的晶相结构和材料貌像用常规的扫描电镜（SEM）对其进行测 试表征。

以下实施例中中孔/微孔碳材料对硫化氢的吸附量采用如下方法测得：将中孔/微孔 碳材料（吸附剂）置于流动态的热重分析仪中，气流中硫化氢的浓度为100～2000ppm， 其余的平衡气为氮气或氩气，吸附温度为20～80℃，用热重分析法检测吸附剂在制定 温度下重量随时间的变化，得到吸附剂的吸附曲线，进而测得吸附剂对硫化氢的吸附 量。

模板剂中孔氧化硅SBA-15可以为市售的，也可以采用常规方法制得，以下实施例 中所用的中孔氧化硅（SBA-15）均是采用以下方法制备得到：参考Zhao等报道的制备 方法（D.Zhao,J.Feng,Q.Huo,N.Melosh,G.H.Fredrickson,B.F.Chmelka,G.D.Stucky， Science,279(1998),p.548），用亲水的三嵌段共聚物聚环氧乙烷一聚环氧丙烷-聚环氧 乙烷(PEO-PPO-PEO)为模板剂制备了有序的六角相介孔硅分子筛SBA-15，其合成过程 是利用正硅酸乙脂(TEOS)为原料，嵌段表面活性剂P123(Aldrich，EO20PO70EO20， 分子量为5800)为模板剂，利用盐酸控制溶液的酸度，各原料的摩尔比为1TEOS： 0.017P123：5.88HCl：136H₂O。在35-40℃的条件下，将P123溶于适量去离子水，加 入正硅酸乙脂(TEOS)、盐酸(HCl)，持续剧烈地搅拌24h以上，装入乙烯瓶内晶化24h 以上，过滤、洗涤并干燥，最后在550℃煅烧5h以上除去模板剂或者用溶剂回流洗去 模板剂，然后过滤、洗涤并干燥，即得到SBA-15白色粉末，其孔径可达6.5nm，壁厚 5.2nm，比表面积为820m²/g。

以下实施例中的浓硫酸均采用市售质量百分比为98%的硫酸溶液。

实施例1

取一定量的葡萄糖溶解于含硫酸的水溶液中，葡萄糖：浓硫酸：水=1：0.02：5， 混匀后，再葡萄糖质量0.1倍的SBA-15作为模板剂混合均匀，获得可流动的粘稠状态 混合物后，置于100℃下干燥0.5h后，升温至200℃炭化0.5h得到干燥粉末；将干燥 粉末研磨后在氮气或氩气气氛下，750℃焙烧0.5h，得到的物质用氢氧化钾水溶液洗涤 以去除模板剂，再用乙醇、去离子水各洗涤至pH=7，过滤后，放入烘箱，升温至100℃ 进行干燥，获得初级碳材料。

将所获得的初级碳材料在二氧化碳气氛下在750℃活化0.5h，得到一种同时含有中 孔和微孔的中孔/微孔碳材料，测得其比表面积为550m²/g，其孔径分布如附图1，表 明在1.2nm 4.5nm处具有中孔/微孔结构。

将上述固体粉末置于流动态的热重分析仪中，气流中硫化氢的浓度为200ppm，其 余的平衡气为氮气，在25℃下，对硫化氢的吸附量可达25.5mg/g。

实施例2

取一定量的乳糖溶解于含硫酸的水溶液中，乳糖：浓硫酸：水=1：0.1：5，混匀后， 再乳糖质量1倍的SBA-15作为模板剂混合均匀，获得可流动的粘稠状态混合物后，置 于100℃下干燥10h后，升温至160℃炭化10h得到干燥粉末；将干燥粉末研磨后在氮 气气氛下，900℃焙烧0.5h，得到的物质用氢氧化钠水溶液洗涤以去除模板剂，再用乙 醇、去离子水各洗涤至pH=8，过滤后，放入烘箱，升温至100℃进行干燥，获得初级 碳材料。

将所获得的初级碳材料在二氧化碳气氛下在800℃活化2h，得到一种同时含有中 孔和微孔的中孔/微孔碳材料，测得其比表面积为885m²/g。

将上述固体粉末置于流动态的热重分析仪中，气流中硫化氢的浓度为100ppm，其 余的平衡气为氮气，在20℃下，对硫化氢的吸附量可达35.5mg/g。

实施例3

取一定量的蔗糖溶解于含硫酸的水溶液中，蔗糖：浓硫酸：水=1：0.05：2，混匀 后，再蔗糖质量0.4倍的SBA-15作为模板剂混合均匀，获得可流动的粘稠状态混合物 后，置于120℃下干燥6h后，升温至160℃炭化6h得到干燥粉末；将干燥粉末研磨后 在氩气气氛下，900℃焙烧6h，得到的物质用氢氧化钠水溶液洗涤以去除模板剂，再用 乙醇、去离子水各洗涤至pH=7，过滤后，放入烘箱，升温至100℃进行干燥，获得初 级碳材料。

将所获得的初级碳材料在二氧化碳气氛下在850℃活化2h，得到一种同时含有中 孔和微孔的中孔/微孔碳材料，测得其比表面积为995m²/g，其孔径分布如附图2，表 明在1.4nm 4.6nm处具有中孔/微孔结构，附图3所示的扫描电镜表明其具有颗粒状形 貌。

将上述固体粉末置于流动态的热重分析仪中，气流中硫化氢的浓度为1000ppm， 其余的平衡气为氮气，在35℃下，对硫化氢的吸附量可达42.8mg/g。

实施例4

初级碳材料的制备同实施例3，然后，将所获得的初级碳材料在二氧化碳气氛下在 800℃活化2h，得到一种同时含有中孔和微孔的中孔/微孔碳材料。

采用浸渍的方法，将上述所得的中孔/微孔碳材料浸渍于0.5M的硝酸铁溶液中， 50℃下恒温浸渍24h，过滤后，升温至120℃进行干燥24h，再升温至250℃进行焙烧 4h，得负载氧化铁的中孔/微孔碳材料，测得其比表面积为1480m²/g，其孔径分布如附 图4，其孔径分布在1.3nm和4.2nm处具有中孔/微孔结构。

将负载氧化铁的中孔/微孔碳材料固体粉末置于流动态的热重分析仪中，气流中硫 化氢的浓度为2000ppm，其余的平衡气为氮气，在35℃下，对硫化氢的吸附量可达324.7 mg/g。

实施例5

初级碳材料的制备同实施例3，然后，将所获得的初级碳材料在二氧化碳气氛下在 900℃活化0.5h，得到一种同时含有中孔和微孔的中孔/微孔碳材料。

采用浸渍的方法，将上述所得的中孔/微孔碳材料浸渍于0.5M的硝酸铁溶液中， 50℃下恒温浸渍24h，过滤后，升温至120℃进行干燥24h，再升温至250℃进行焙烧 4h，得到负载氧化铁的中孔/微孔碳材料，测得其比表面积为880m²/g，其孔径分布在 1.8nm和5.2nm处具有中孔/微孔结构。

将负载氧化铁的中孔/微孔碳材料固体粉末置于流动态的热重分析仪中，气流中硫 化氢的浓度为2000ppm，其余的平衡气为氮气，在35℃下，对硫化氢的吸附量可达121.5 mg/g。

实施例6

与实施例4的区别在于：将所得的中孔/微孔碳材料浸渍于0.5M的硝酸铬溶液中， 50℃下恒温浸渍24h，过滤后，升温至120℃进行干燥24h，再升温至250℃进行焙烧 4h，得到负载氧化铬的中孔/微孔碳材料，测得其比表面积为820m²/g，其孔径分布在 1.4nm和5.3nm处具有中孔/微孔结构。

将负载氧化铬的中孔/微孔碳材料固体粉末置于流动态的热重分析仪中，气流中硫 化氢的浓度为2000ppm，其余的平衡气为氮气，在35℃下，对硫化氢的吸附量可达34.4 mg/g。

实施例7

与实施例4的区别在于：将所得的中孔/微孔碳材料浸渍于0.5M的硝酸锰溶液中， 50℃下恒温浸渍24h，过滤后，升温至120℃进行干燥24h，再升温至250℃进行焙烧 4h，得到负载氧化锰的中孔/微孔碳材料，测得其比表面积为950m²/g，其孔径分布在 1.5nm和4.8nm处具有中孔/微孔结构。

将上述负载氧化锰的中孔/微孔碳材料固体粉末置于流动态的热重分析仪中，气流 中硫化氢的浓度为2000ppm，其余的平衡气为氮气，在35℃下，对硫化氢的吸附量可 达46.4mg/g。

实施例8

与实施例6的区别在于：将所得的含有中孔/微孔碳材料浸渍于0.2M浓度的硝酸 钴溶液中，其余处理步骤和条件与实施例6相同，获得负载氧化钴的中孔/微孔碳材料， 测得其比表面积为820m²/g，其孔径分布在1.8nm和5.3nm处具有中孔/微孔结构。

将上述负载氧化钴的中孔/微孔碳材料固体粉末置于流动态的热重分析仪中，气流 中硫化氢的浓度为2000ppm，其余的平衡气为氩气，在35℃下，对硫化氢的吸附量可 达119.6mg/g。

实施例9

与实施例6的区别在于：将所得的含有中孔/微孔碳材料浸渍于0.5M浓度的硝酸 铜溶液中，其余处理步骤和条件与实施例6相同，获得负载氧化铜的中孔/微孔碳材料， 测得其比表面积为980m²/g，其孔径分布在1.8nm和5.3nm处具有中孔/微孔结构。

将上述负载氧化铜的中孔/微孔碳材料固体粉末置于流动态的热重分析仪中，气流 中硫化氢的浓度为2000ppm，其余的平衡气为氮气，在35℃下，对硫化氢的吸附量可 达103.5mg/g。

实施例10

与实施例6的区别在于：将所得的含有中孔/微孔碳材料浸渍于0.2M浓度的硝酸 镍溶液中，其余处理步骤和条件与实施例6相同，获得负载氧化镍的中孔/微孔的碳材 料，测得其比表面积为780m²/g，其孔径分布在1.5nm和4.7nm处具有中孔/微孔结构。

将上述负载氧化镍的中孔/微孔的碳材料固体粉末置于流动态的热重分析仪中，气 流中硫化氢的浓度为2000ppm，其余的平衡气为氮气，在35℃下，对硫化氢的吸附量 可达114.5mg/g。

实施例11

与实施例6的区别在于：将所得的含有中孔/微孔碳材料浸渍于0.5M浓度的硝酸 铜溶液中，其余处理步骤和条件与实施例6相同，获得负载氧化铈的中孔/微孔碳材料， 测得其比表面积为1050m²/g，其孔径分布在1.8nm和4.8nm处具有中孔/微孔结构。

将上述负载氧化铈的中孔/微孔碳材料固体粉末置于流动态的热重分析仪中，气流 中硫化氢的浓度为2000ppm，其余的平衡气为空气，在35℃下，对硫化氢的吸附量可 达119.5mg/g。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同， 都应当视为属于本发明的保护范围。