中間相瀝青炭微球--椰殼活性炭的使用@-5

 中間相瀝青炭微球
中間相瀝青炭微球是隨著中間相瀝青的發現、研究而發展起來的，是繼中間相瀝青系針狀焦和碳纖維后又一具有極大開發潛力和應用前景的新型碳材料。它是采用溶劑分離法、乳化法和離心分離法等方法從中間相瀝青基質中分離制備的。煤焦油、煤瀝青和石油瀝青、石油渣油都可以制備，其粒徑可控，一般在1~50μm之間，表面光滑，可用于制備高密高強各向同性碳、坩堝、電極隔板、高性能液相色譜柱填料、超高比表面積椰殼活性炭（≥3000m2/g）、炭/炭復合材料、催化劑載體、高性能油品添加劑等，其石墨化產品是制備鋰離子二次電池負極的最佳材料。目前世界上產業化生產中間相瀝青炭微球的廠家有日本的大阪煤氣公司和川崎制鐵株式會社及中國的杉杉集團，其基本工藝相似，均是以煤焦油為起始原料，采用熱縮聚、高溫離心分離、溶劑萃取、氧化、炭化、高溫石墨化過程來制備的。國內從事該方面產業化研究的單位很多，各有優缺點。由于石油系渣油比煤系渣油有原料組成簡單，易純化等優點，近年來北京化工大學、石油大學等已經在進行產業化研究。
3  炭纖維及其復合材料
炭纖維包括PAN（聚丙烯腈炭纖維）和瀝青基炭纖維，是技術密集型產品，附加值高，工藝流程長，環環緊扣。同時，需要精細設備、精細工藝、精細操作和精細管理，稱之謂“精細炭素”。據預測，今后很長一段時間世界炭纖維及其復合材料的需求量將穩定高速增長。日本和美國在該領域領先，現在主要是降低價格和開發新產品，如：瀝青基螺旋中空炭纖維；接近于理論模量（1040GPa）的中間相瀝青炭纖維等等。對其他國家多采用技術封鎖或是轉讓陳舊落后的技術。日本約占世界碳纖維實際生產能力的60%，主要有東麗公司、東邦人造絲公司和三菱人造絲公司等生產企業。美國卓爾泰克公司是世界生產炭纖維的最大集團之一，世界40%以上的炭纖維市場在美國。除日美之外，德國、英國和韓國也具有一定炭纖維及其復合材料生產能力。我國每年在軍工、宇航方面耗用炭纖維約為525~550噸，其中95%以上需要進口。高性能中間相瀝青基炭纖維價格極為昂貴（ThornelP120為1300美元/公斤）。我國炭纖維的生產經過30年的研制和開發，關鍵技術已逐步搞清楚，特別經過近些年的逐級放大，百噸級的設計已沒有問題，但從已產業化的炭纖維生產企業來看大都質量不穩定，經濟效益較差，有的已經停產，這需進一步的研究。其存在的主要問題是：原絲質量差、生產規模小、質量低、價格高、應用基礎研究薄弱等。同國外炭纖維及復合材料業相比，目前尚不具備國際競爭力。
炭纖維很少單獨使用，都以復合材料使用，而復合材料對于開發產品的多樣性和系列化大有好處。隨著炭纖維生產規模的擴大和生產成本的降低，其應用領域迅速擴大，它既可以作為結構材料承載重荷，又可作為功能材料發揮作用。其應用主要有印刷、混凝土結構補強材料、體育用品、工業、航空航天、軍事工業、汽車、飛機剎車片、高溫絕熱材料、石棉代用品、炭纖維盤根、密封材料、熱塑性樹脂增強材料、電磁波屏蔽材料、防靜電材料、清潔能源車輛、油田采油桿、風力發電機大型葉片等方面。
4  針狀焦
針狀焦是20世紀70年代大力發展起來的一種優質碳素產品，是一種雜質含量很少，各向異性程度很高的易石墨化碳，具有較低的電阻及熱膨脹系數，是生產高功率和超高功率石墨電極的原料。廣泛用于國防、冶金工業中，特別是石油系針狀焦制成的高功率電極，在電爐煉鋼中可提高冶煉效率和鋼產量，降低電耗和原材料消耗。世界年產針狀焦約160×104t，美國在20世紀50年代后期就首先掌握了石油系針狀焦的生產技術，其Conoco公司的產量占了世界總產量的80%，針狀焦的年需求增長率為3.4%。雖然國內安慶石化總廠、山東海化集團公司等也制備出了油系針狀焦，但其規模普遍較小，質量很不穩定，不能滿足生產高功率、超高功率石墨電極的需要，生產的針狀焦僅能作為普通電極骨料用，對于高功率及超高功率電極用針狀焦幾乎完全依賴進口，年進口約為4000~5000t，用于UHP的針狀焦價格達到2000美元/t。
目前困擾石油系針狀焦生產的問題主要是原料的選擇，原料要求芳烴含量高，分子量分布較窄，芳環最好控制在2~6個之間，硫含量較低（<1.5%）。以重芳烴、催化澄清油或兩者的混合物為原料，對延遲焦化工藝流程和操作條件作適當調整后可以生產針狀焦。
5  椰殼活性炭
活性碳的科學研究是從18世紀后期開始的，工業性使用是從19世紀末開始的，而進一步作為吸附現象及化學機械裝置進行解析，是近30年的事情。近年來城市水源水質不斷惡化，據衛生部門統計，我國有24%的人口在飲用不良的水，7億人飲用含有細菌超標準的水，許多城市開始使用煤質顆粒活性碳進行凈水處理。與此同時，椰殼活性炭在分離有害氣體、催化劑載體、蓄積電能、黃金提取及醫療等方面的各種新用途，大大促進了椰殼活性炭的生產與開發，使之成為21世紀的“朝陽產業”。目前，我國生產椰殼活性炭的廠家有300多家，產量居世界第二位，年出口量世界第一，但發展的綜合水平較低，高質量椰殼活性炭還需進口。椰殼活性炭隨其外觀、原料、制法及用途等不同，有各種各樣的名稱，價格每噸從幾百元，幾千元到幾十萬元不等。
石油焦是煉廠大宗石油產品，價格低廉，含碳量高（>85%），灰份和揮發份低，單位產品能耗小，是當前制備椰殼活性炭的優質原料，但世界上只有美國、日本等國家擁有石油焦制造椰殼活性炭的技術，近年來，已研制出比表面積超過3 000m2/g的超級椰殼活性炭，并實現了產業化。目前，國內也有少數單位在進行石油焦制造椰殼活性炭的研究，但制備的椰殼活性炭大都停留在中檔水品，對于高比面積椰殼活性炭，更是處于實驗室階段。主要是成本太高，或是設備腐蝕問題無法解決等原因，造成工業化困難。
6  結  論
碳材料具有廣泛的適用性，以石油渣油通過中間相瀝青轉化來制備一系列的新型碳材料是人們長期關注的對象。石化廠生產的催化油漿、糠醛抽出油、乙烯裂解渣油、焦化凝縮油、丙烷脫瀝青的組成與原料的來源有直接的關系。其中芳烴+飽和烴含量普遍較高，其中FCC油漿有的甚至超過了90%，從理論上都可直接或間接地進行中間相瀝青的調制工作，是制備高附加值的碳材料較好的原料。

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