專利名稱：一種煤基炭膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域，一種炭膜的制備方法，特別是涉及到煤基炭膜的制備方法。
背景技術(shù)：
近30年來(lái)，炭膜作為一種新型的膜分離材料，引起了廣大科研人員的高度重視，這主要由于炭膜具有(1)熱穩(wěn)定性好。炭膜在有氧的情況下可在高達(dá)400℃的溫度下應(yīng)用，在無(wú)氧的情況下能經(jīng)受800℃以上的高溫；(2)化學(xué)穩(wěn)定性好?？梢栽谟袡C(jī)蒸汽或溶劑、非氧化性酸或堿存在的環(huán)境下應(yīng)用；(3)孔徑可控。相同原材料可通過(guò)選擇不同的條件制備出用于不同分離目的的炭膜；(4)炭膜的使用壽命長(zhǎng)并可再生；(5)能耗低。與傳統(tǒng)的分離過(guò)程如精餾、吸附相比，炭膜分離不需要發(fā)生相變化，而且分離過(guò)程在常溫下進(jìn)行，無(wú)須對(duì)分離物料加熱。
關(guān)于炭膜的制備技術(shù)已有許多相關(guān)報(bào)道。Hatori用相轉(zhuǎn)化法在平整的玻璃板上流延成膜，經(jīng)干燥、炭化后制得非支撐平板炭膜。然而，為了達(dá)到一定的分離系數(shù)，膜必須盡可能薄，因而，這種平板炭膜通常比較脆、易裂，機(jī)械強(qiáng)度差，在加工和操作中難度大(Carbon，1992，30303-304)。US5089135公開了一種用中空纖維膜炭化制備中空纖維炭膜，盡管這種炭膜具有很好的分離性能，然而其機(jī)械強(qiáng)度仍然很差，應(yīng)用范圍受到很大的限制，而且，中空纖維很難以膜具形式進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，這很大程度地限制了炭膜的工業(yè)化進(jìn)程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種成本低、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、易于工業(yè)化的高強(qiáng)度分離炭膜的制備方法，以解決炭膜制備成本較高、機(jī)械強(qiáng)度差、工藝復(fù)雜等問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案是(1)原料煤的細(xì)化。以各種變質(zhì)程度的煤如褐煤、煙煤及無(wú)煙煤等為原料煤，首先采用粉碎設(shè)備將煤粉碎至大約200目，然后與水和石英砂混合并在砂磨機(jī)中細(xì)化處理，在處理過(guò)程根據(jù)研磨時(shí)間的不同可控制煤樣粒度在5～40μm之間，研磨時(shí)間通常選擇在12～48小時(shí)。取出后，經(jīng)濾砂、沉淀、烘干處理后即可儲(chǔ)存?zhèn)溆?。其中砂磨機(jī)轉(zhuǎn)速為1000～1400轉(zhuǎn)/分鐘，煤粉、石英砂、水三者的質(zhì)量比約為10∶9∶7。
(2)常溫下將煤粉與粘結(jié)劑放入混料器，粘結(jié)劑則要求具有較強(qiáng)的粘結(jié)力和一定程度的可塑性，通常可選煤焦油、羧甲基纖維素、403膠、酚醛樹脂、聚糠醇、呋喃樹脂、丙烯睛-苯乙烯共聚物以及其與聚丁二烯橡膠的接枝共聚物等高分子聚合物作為粘結(jié)劑，粘結(jié)劑的加入量為混合物總質(zhì)量的20％～70％，混合均勻后，再將混合物料放入壓型機(jī)內(nèi)，控制成型壓力在2～6Mpa之間，使其能夠擠出質(zhì)地均勻、平直且表面光滑的原膜，根據(jù)選擇的模具不同，擠出的原膜可以為管狀(單通道和多通道)、平板狀等多種形式。
(3)在室溫下對(duì)原膜進(jìn)行干燥處理。干燥時(shí)必須保證原膜中揮發(fā)性組分均勻揮發(fā)掉，否則原膜變形后對(duì)其性能將產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因而干燥條件通常選為常溫下在篩網(wǎng)上晾干，干燥時(shí)間為5～24小時(shí)，其中優(yōu)選10～15小時(shí)。
(4)將干燥后的原膜放入程序升溫控制炭化爐中，在惰性氣體保護(hù)下以一定的升溫速率進(jìn)行炭化處理后便制備出所需的分離炭膜。其中惰性氣體通常選用氮?dú)?、氬氣等其中的一種，升溫速率一般控制在1～6℃/min，炭化終溫通常選擇為600～1000℃，并在此溫度下恒溫30～120min。
本發(fā)明的效果和益處是(1)用原料煤為前驅(qū)體材料制備的炭膜不僅生產(chǎn)成本低，而且還具有較高的孔隙率和通量，孔隙結(jié)構(gòu)均勻、機(jī)械強(qiáng)度高。
(2)炭膜的平均孔徑和孔徑分布易于控制。通過(guò)改變煤粉的粒度、粘結(jié)劑的種類、加入量以及炭化條件可制備出用于不同分離目的的炭膜。
(3)制備的炭膜孔隙率高，機(jī)械強(qiáng)度大，而且表面光滑無(wú)缺，并可做為復(fù)合炭膜的支撐體。
具體實(shí)施例方式
以下詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
和實(shí)施例。
實(shí)施例1采用成套粉碎設(shè)備將煤粉碎至大約200目，然后與水和石英砂混合水磨，控制砂磨機(jī)轉(zhuǎn)速為1200轉(zhuǎn)/分鐘，煤粉、石英砂、水三者的質(zhì)量比約為10∶9∶7。研磨12小時(shí)，測(cè)定此時(shí)煤粉的平均粒度在20μm左右。分別稱取80g煤粉和40g煤焦油放入混料器中混合均勻，然后，放入壓型機(jī)中，在成型壓力為4MPa時(shí)擠壓出管狀炭膜，讓其在室溫下干燥10小時(shí)后，放入炭化爐中，在氬氣保護(hù)下，以3℃/min的升溫速率升至900℃并恒溫30min，待其冷卻到100℃以下便可取出。經(jīng)過(guò)測(cè)試，炭膜的平均孔徑為100nm，孔隙率為44％，在20℃，0.2Mp下N2滲透通量為9.891×10-5cm3.cm/(cm2.s.cmHg)。
實(shí)施例2采用成套粉碎設(shè)備將煤粉碎至大約200目，然后與水和石英砂混合水磨，控制砂磨機(jī)轉(zhuǎn)速為1200轉(zhuǎn)/分鐘，煤粉、石英砂、水三者的質(zhì)量比約為10∶9∶7。研磨24小時(shí)，測(cè)定此時(shí)煤粉的平均粒度在10μm左右。分別稱取80g煤粉和55g羧甲基纖維素粘結(jié)劑放入混料器中混合均勻，然后，放入壓型機(jī)中，在成型壓力為4MPa時(shí)擠壓出管狀炭膜，讓其在室溫下干燥10小時(shí)后，放入炭化爐中，在氬氣保護(hù)下，以3℃/min的升溫速率升至900℃并恒溫30min，待其冷卻到100℃以下便可取出。經(jīng)過(guò)測(cè)試，炭膜的平均孔徑為60nm，孔隙率為40％，在20℃，0.2Mp下N2滲透通量為1.507×10-5cm3.cm/(cm2.s.cmHg)。
權(quán)利要求
1.一種煤基炭膜的制備方法，是用價(jià)格低廉的煤為原料，通過(guò)改變煤粉的粒度、粘結(jié)劑的種類、加入量以及炭化條件，制備具有不同平均孔徑和孔徑分布的用于滿足不同分離目的的機(jī)械強(qiáng)度高、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、分離性能好的炭膜，其特征在于(1)先將原料煤粉碎至200目，然后將其與水和石英砂混合放入沙磨機(jī)中進(jìn)行細(xì)化處理；(2)在常溫下將煤粉與粘結(jié)劑放入混料器中，混合均勻后，將混合物料放入壓型機(jī)內(nèi)，調(diào)整成型壓力；(3)將干燥后的原膜放入炭化爐中，在惰性氣體保護(hù)下升溫炭化得到炭膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤基炭膜的制備方法，其特征在于，原料煤為不同變質(zhì)程度的煤，如褐煤、煙煤及無(wú)煙煤等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤基炭膜的制備方法，其特征在于，粘結(jié)劑是煤焦油、羧甲基纖維素、403膠、酚醛樹脂、聚糠醇、呋喃樹脂、丙烯睛-苯乙烯共聚物以及其與聚丁二烯橡膠的接枝共聚物等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤基炭膜的制備方法，其特征在于，粘結(jié)劑的加入量為混合物總質(zhì)量的20％～70％；成型壓力為2～6Mpa；經(jīng)成型機(jī)擠壓出的原膜是管狀(單通道和多通道)或平板狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤基炭膜的制備方法，其特征在于，惰性氣氛下炭化，惰性氣體為氮?dú)狻鍤獾?，升溫速率?～6℃/min，炭化終溫為600～1000℃，并在此溫度下恒溫30～120min。
全文摘要
本發(fā)明屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種炭膜的制備方法，特別是涉及到煤基炭膜的制備方法。其特征在于以價(jià)格低廉的煤為原料，通過(guò)改變煤粉的粒度、粘結(jié)劑的種類和加入量以及炭化條件可制備具有不同平均孔徑和孔徑分布的用于滿足不同分離目的的機(jī)械強(qiáng)度高、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、分離性能好的炭膜。本發(fā)明解決了炭膜制備成本較高、機(jī)械強(qiáng)度差、工藝復(fù)雜等問題，提供了一種成本低、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、易于工業(yè)化的高強(qiáng)度分離炭膜的制備方法，可廣泛用于制備不同分離目的的炭膜。
文檔編號(hào)B01D71/02GK1490076SQ0313419
公開日2004年4月21日 申請(qǐng)日期2003年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月30日
發(fā)明者王同華, 宋成文 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)