碳分子筛制备于兰炭，具有丰富来源与成熟工艺

碳分子筛（Carbon Molecular Sieves，CMS）是20世纪末期发展起来的一种具有较为均匀微孔结构的碳质吸附剂，它具有接近被吸附分子直径的楔形狭缝状微孔，能够把立体结构大小有差异的分子分离开来。CMS的出现为分子筛系列产品增加了一个新的系列，它与沸石分子筛的孔隙结构不同，表面极性也存在较大的差异，因此筛分作用也不同。

碳分子筛在理论上可由不同的初始原料经不同的工艺方法，制备出具有不同孔径大小和分布、可用于不同目的的碳材料。其制备原料从天然产物到合成的高分子聚合物均可。

以兰炭为原料制备碳分子筛，具有原料来源丰富、价廉、技术成熟、工艺过程较易等显著特点，是目前的发展方向之一。

北川浩早在1980年就提出用褐煤兰炭与磁铁矿粉（30%）混合成型，制备PSA空分制氮用的碳分子筛，其空分性能比不加磁铁矿粉时显著提高，因为Fe3O4的磁性改善了碳分子筛对空气中O2的选择吸附性。

大连理工大学邱介山等对兰炭制CMS进行了系统研究，所用兰炭是煤在600℃条件下的热解产物，其性质见表4-117。成型黏结剂为亚硫酸盐纸浆废液，是一种褐色黏稠状液体，其分析数据见表4-118。

表4-117　兰炭的性质

表4-118　黏结剂成分分析(www.xing528.com)

采有炭化法和炭沉积法制备CMS的工艺过程如图4-13所示。

图4-13　采用炭化法和炭沉积法制备CMS的工艺过程

兰炭粉碎后与黏结剂均匀混合，成型为直径3～5 mm，高3～5 mm的圆柱体。成型物经干燥后置于特定的电热炭化转炉中，在N2气保护下以一定速率加热至预定温度，恒温一定时间，冷却至室温即得到CMS的前驱体；用一定浓度的煤焦油馏分油的有机溶液浸渍前驱体，一定时间后取出沥干，然后将其放入转炉中按照与炭化试验类似的操作步骤进行处理，使吸附的有机物热解积炭，从而达到调孔目的。

研究结果表明：

（1）用满洲里褐煤兰炭制备碳分子筛的适宜炭化工艺条件为：兰炭粒度为0.0938 mm（160目），黏结剂配比为40%（质量分数），升温速率为15℃／min，炭化终温550℃，恒温时间30 min。由此所得碳分子筛用于空分，在单柱变压吸附装置上可获得含N2 95.8%（体积分数）的富氮气体。炭沉积是调整碳分子筛的孔隙分布，改善其空分性能的有效手段。适宜的工艺条件为：煤焦油馏分油的有机液浓度10%（质量分数），浸渍时间3h，炭沉积温度500℃，沉积时间30 min。

（2）用灵武不黏煤兰炭制备炭分子筛的适宜炭化工艺条件为：兰炭粒度0.0938 mm（160目），黏结剂配比40%（质量分数），升温速率15℃／min，炭化终温900℃，恒温时间45 min。由此所得碳分子筛用于空分，在单柱变压吸附装置上可获得含N2 96.3%（体积分数）的富氮气体。炭沉积是调整碳分子筛的孔隙分布，改善其空分性能的有效手段，适宜的工艺条件为：煤焦油馏分油的有机液浓度5%（质量分数），浸渍时间4h，炭沉积温度700℃，沉积时间45 min。碳分子筛表面上的含氧官能团主要是C—O键，其次是═C O键。X射线衍射分析结果表明，碳分子筛具有典型的无定形晶体结构特征。