8/11/2019 Us5614459 Carbon Activo
1/5
United S t a t e s
Patent
[ 1 9 1
Mondragon e t a l .
l l l l l l | | | | | l | l I l i l l l l l l l l I I l l l l l l l l l l i l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l i l l l l
USOO5614459A
5 , 6 1 4 , 4 5 9
M a r . 2 5 ,
1 9 9 7
[ 1 1 ] P a t e n t
Number:
[ 4 5 1
Date
o f P a t e n t :
[ 5 4 ] PROCESS
FOR
MAKING ACTIVATED
CHARCOAL
[ 7 5 ]
I n v e n t o r s :
F a n o r
M o n d r a g o n ; J o h n
F e r n a n d e z ;
A l f r e d o J a r a m i l l o ; G u s t a v o Q u i n t e r o ,
a l l
o f M e d e l l i n , C o l o m b i a
[ 7 3 ]
A s s i g n e e :
U n i v e r s i d a d d e
A n t i o q u i a , M e d e l l i n ,
Colombia
[ 2 1 ] A p p l .
N o . :
4 8 3 , 0 9 3
[ 2 2 ]
F i l e d :
J u n . 7 , 1 9 9 5
[ 5 1 ] I n t . C l . 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B01J
20/02
[ 5 2 ] U.S. C l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 0 2 . 1 4 1 7 ; 5 0 2 / 4 1 6 ; 5 0 2 / 4 1 8 ;
5 0 2 / 4 2 4 ; 5 0 2 / 1 8 0
[ 5 8 ]
F i e l d o f
Search
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 0 2 / 4 1 6 ,
4 1 7 ,
5 0 2 / 4 1 8 , 4 2 4 , 1 8 0
[ 5 6 ] R e f e r e n c e s
C i t e d
U . S . PATENT DOCUMENTS
3,676,365
7/1972 Shirai e t
a 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
252/422
5,206,207 4/1993 T o l l e s e t a 1 .
502/424
5,250,491 10/1993
Yan
. . . . . . . . . 502 424
5,504,050 4/1996
Hayden
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
502/180
FOREIGN PATENT DOCUMENTS
0329251 8/1989 European P a t . O ? .
146277
2/1981 Germany
OTHER
PUBLICATIONS
M i u r a e t
a l .
New C o a l F l a s h P y r o l y s i s
Method
U t i l i z i n g
E ? e c t i v e
R a d i c a l T r a n s fe r From S o l v e n t To
C o a l , E n e r g y
&
F u e l s 5 2 ) : 3 4 0 - 3 4 6 ( 1 9 9 1 )
A b s t r a c t ) .
S u u b e r g
e t
a 1 . C o a l
M a c r o m o l e c u l a r Network S t r u c t u r e
A n a l y s i s :
S o l v e n t S w e l l i n g T h e r m 0 d y n a m i c s
a n d
I t s
I m p l i c a t i o n s , E n e r g y &
F u e l s 8 : 1 2 4 7 - 1 2 6 2 1 9 9 4 ) .
C a t u r l a e t a l . P r e p a r a t i o n
o f A c t i v a t e d C a r b o n
By
C h e m i c a l
A c t i v a t i o n
W i t h Z n C I Z ,
C a r b o n
2 9 1 ) :
9 9 9 1 0 0 7
1 9 9 1 ) .
C a i o
e t
a l . A t i v a c a o d e
H u l h a s , L i g n i t o s
E T u r f a x B r a s i l e i
ras-P roduc a o
E
Aplicacao m peracoes
, Revista
B r a s i l e i r a d e T e c n o l o g i a 1 0 : 9 3 1 0 7 1 9 7 9 ) .
B a n s a l e t a 1 . M a n u f a c t u r e
o f
A c t i v e C a r b o n s , A c t i v e
C a r b o n, M a r c e l D e k k e r ,
I n c . ,
New Y o r k , p p . l - 2 6 1 9 8 8 ) .
P r i m a r y
E x a m i n e r G l e n n A .
C a l d a r o l a
A s s i s t a n t Examiner~ln
Suk B u l l o c k
A t t o r n e y ,
A g e n t ,
o r
F i r m F o l e y
a r d n e r
[ 5 7 ]
ABSTRACT
An
i m p r o v e d p r o c e s s i s
p r o v i d e d
f o r
t h e p r e p a r a t i o n
o f
a c t i v a t e d
c a r b o n ,
w h i c h c o m p r i s e s
s w e l l i n g a
c a r b o n a c e o u s
m a t e r i a l i n a p o l a r
o r g a n i c
s o l v e n t c o n t a i n i n g a n a c t i v a t i n g
a g e n t ,
r e m o v i n g
t h e s o l v e n t , c a r b o n i z i n g t h e m a t e r i a l , a n d
r e m o v i n g t h e a c t i v a t i n g
a g e n t
f r o m
t h e p r o d u c t .
T h e a c t i
v a t e d
c a r b o n
i s
p r o d u c e d i n
a
s h o r t
t i m e
w i t h a h i g h
y i e l d ,
and
h a s
a
h i g h
s u r f a c e a r e a
w i t h a v e r y
narrow
p o r e
s i z e
d i s t r i b u t i o n :
B o t h
t h e s o l v e n t
a n d a c t i v a t i n g a g e n t s may b e
r e c o v e r e d a n d r e c y c l e d .
1 0
C l a i m s ,
No D r a w i n g s
8/11/2019 Us5614459 Carbon Activo
2/5
5 , 6 1 4 , 4 5 9
1
PROCESS FOR
MAKING
ACTIVATED
CHARCOAL
BACKGROUND
OF THE
INVENTION
1 .
F i e l d
o f
t h e
I n v e n t i o n
The
p r e s e n t i n v e n t i o n r e l a t e s t o a c t i v a t e d
c a r b o n a n d
m e t h o d s f o r p r e p a r i n g t h e s a m e . P a r t i c u l a r l y , t h e i n v e n t i o n
r e l a t e s
t o a n improved
p r o c e s s
f o r
p r e p a r i n g
a c t i v a t e d c a r
bon
w i t h a
h i g h s u r f a c e a r e a by s w e l l i n g a c a r b o n - c o n t a i n i n g
m a t e r i a l
i n
a p o l a r s o l v e n t c o n t a i n i n g
o x i d i z i n g
a g e n t s p r i o r
t o c a r b o n i z a t i o n .
2 .
D e s c r i p t i o n o f t h e P r i o r A r t
A c t i v a t e d c a r b o n
i s a
m i c r o c r y s t a l l i n e , n o n g r a p h i t i c
f o r m
o f
c a r b o n w h i c h h a s b e e n p r o c e s s e d
t o
i n c r e a s e
i t s p o r o s i t y .
A c t i v a t e d
c a r b o n i s c h a r a c t e r i z e d b y a l a r g e s p e c i ? c s u r f a c e
a r e a ,
t y p i c a l l y
i n
t h e
r a n g e
o f 8 0 0
t o 1 5 0 0
m2
p e r g r a m , a n d
i n some
c a s e s
a s h i g h a s
2500
m2 p e r g r a m .
Due
t o
i t s
l a r g e
s u r f a c e
a r e a ,
a c t i v a t e d
c a r b o n s
have
a
g r e a t
v a r i e t y
o f
a p p l i c a t i o n s ,
b o t h
a s c a t a l y s t s u p p o r t s a n d
a d s o r b e n t s . As c a t a l y s t s u p p o r t s , a c t i v a t e d c a r b o ns p r o v i d e
l a r g e
s u r f a c e a r e a s f o r c h e m i c a l r e a c t i o n s
and a r e
more
s t a b l e
a t h i g h t e m p e r a t u r e s t h a n common i n o r g a n i c s i e v e s .
The
a d s o r b e n t
p r o p e r t i e s o f a c t i v a t e d c a r b o n i s t h e
r e s u l t
o f i t s l a r g e
s u r f a c e a r e a , h i g h
d e g r e e
o f s u r f a c e
r e a c t i v i t y ,
and f a v o r a b l e p o r e s i z e t h a t make
t h e
i n t e r n a l
s u r f a c e
a r e a
a c c e s s i b l e t o g a s e s a n d l i q u i d s . ( B a n s a l e t
a l . ,
A c t i v a t e d
CARBON,
M a r c e l D e k k e r ,
I n c . ,
New
Y o r k , p p l 2 6
( 1 9 8 8 ) ) .
G e n e r a l l y ,
t h e l a r g e r t h e s u r f a c e
a r e a o f
t h e a c t i
v a t e d c a r b o n ,
t h e
g r e a t e r i s i t s a d s o r p t i o n c a p a c i t y .
T h e
a v a i l a b l e s u r f a c e a r e a o f a c t i v a t e d c a r b o n i s d e p e n d e n t upon
i t s
p o r e v o l u m e .
S i n c e
t h e s u r f a c e
a r e a p e r
u n i t
volume
d e c r e a s e s
a s i n d i v i d u a l
p o r e s i z e i n c r e a s e s ,
a
l a r g e
s u r f a c e
a r e a i s o p t i m i z e d b y m a x i m i z i n g t h e number
o f
p o r e s o f
v e r y
s m a l l
d i m e n s i o n s
a n d / o r
m i n i m i z i n g t h e
number o f
p o r e s
o f
v e r y l a r g e
d i m e n s i o n s .
As a d s o r b e n t s ,
a c t i v a t e d
c a r b o n s
c a n b e u s e d i n e n v i r o n
m e n t a l l y - r e l a t e d p r o c e s s e s
t o
r e m o v e p o l l u t a n t s f r o m l i q u i d
a n d g a s e o u s s t r e a m s v e r y
e f f i c i e n t l y . A c t i v a t e d
c a r b o n s may
a l s o
b e u s e d
f o r
g a s e o u s
s t o r a g e
m a t e r i a l s .
One
o f t h e most
p r o m i s i n g
a p p l i c a t i o n s
i s f o r m e t h a n e s t o r a g e .
T h e
a d s o r p
t i o n o f m e t h a n e i n
t h e
m i c r o p o r e s o f
a c t i v a t e d
c a r b o n
i n c r e a s e s t h e d e n s i t y o f t h e g a s . T h u s , t h e amount o f
methane
t h a t
c a n
b e s t o r e d u s i n g t h e a d s o r b e n t i s much
h i g h e r
t h a n c a n b e o b t a i n e d u n d e r
p r e s s u r e .
D i f f e r e n t k i n d s o f
raw
m a t e r i a l s
have
b e e n
made
i n t o
a c t i v a t e d c a r b o ns , i n c l u d i n g
c e l l u l o s i c
m a t e r i a l s o f v a r i o u s
p l a n t o r i g i n s , p e a t ,
l i g n i t e ,
s o f t a n d h a r d c o a l s , t a r s a n d
p i t c h e s , a s p h a l t , p e t r o l e u m r e s i d u e s , c a r b o n b l a c k , a n d p o l y
m e r s s u c h a s p o l y ( v i n y l i d e ne c h l o ri d e ) , S a ra n ,
a n d p o l y ( v i
n y l c h l o r i d e ) . C o a l , p a r t i c u l a r l y t h e l o w r a n k t y p e , h a s b e e n
found
t o be a good
raw m a t e r i a l
f o r t h e p r o d u c t i o n o f
a c t i v a t e d c a r b o n s .
The p r e p a r a t i o n o f a c t i v a t e d c a r b o n s g e ne r a l l y i n v o l v e s
two
t e p s . The
? r s t
s t e p i s
c a r b o n i z a t i o n
o f t h e c a r b o n a c e o u s
raw m a t e r i a l a t
t e m p e r a t u r e s
below 8 0 0 C . i n t h e a b s e n c e
o f o x y g e n , a n d
t h e
s e c o n d
s t e p
i s
a c t i v a t i o n o f
t h e c a r b o n
i z e d p r o d u c t .
( B a n s a l
e t a l . , A c t i v a t e d CARBON, M a r c e l
D e k k e r ,
I n c . , New
Y o r k ,
p p
l - 2 6
1 9 8 8 ) ) .
D u r i n g
t h e
? r s t s t e p o f
c a r b o n i z a t i o n ,
most o f
t h e non
c a r b o n
e l e m e n t s
s u c h a s
oxygen a n d
h y d r o g e n a r e e l i m i
n a t e d
a s v o l a t i l e
g a s e s
b y p y r o l y t i c d e c o m p o s i t i o n
o f
t h e
s t a r t i n g m a t e r i a l . The r e s i d u a l c a r b o n
m a t e r i a l
f o r m s a n
i r r e g u l a r s t r u c t u r e , l e a v i n g
f r e e
i n t e r s t i c e s t h a t may b e ? l l e d
o r b l o c k e d b y d i s o r g a n i z e d c a r b o n r e s u l t i n g f r o m
d e p o s i t i o n
2 5
3 0
3 5
40
4 5
5 0
55
6 0
6 5
2
o f t a r s . T h u s ,
b e c a u s e t h e p o r e s o f
t h e
p r o d u c t
a r e n o t f u l l y
d e v e l o p e d
a n d
t h e r e f o r e
t h e s u r f a c e a r e a
i s
l o w , c a r b o n i z a
t i o n
d o e s
n o t
g i v e
r i s e
t o p r o d u c t s t h a t h a v e
h i g h a d s o r p t i o n
c a p a c i t y .
C a r b o n i z a t i o n i n v o l v e s t w o
i m p o r t a n t
p h y s i c a l c h a n g e s i n
t h e
r a w
m a t e r i a l
t h a t
m a r k e d l y
d e t e r m i n e
t h e p r o p e r t i e s
o f
t h e ? n a l p r o d u c t .
The
? r s t c h a n g e i s a
t h e r m a l
s o f t e n i n g o f
t h e
m a t e r i a l ,
i n d u c e d b y
h e a t i n g .
D u r i n g t h i s c h a n g e , i t
i s
i m p o r t a n t t o c o n t r o l
t h e
t e m p e r a t u r e , a s t h e t e m p e r a t u r e a n d
i t s
r a t e
o f
c h a n g e
a f f e c t t h e
t y p e
o f c h a r o b t a i n e d . A f t e r t h e
t h e r m a l
s o f t e n i n g
p e r i o d , t h e c h a r
u n d e r g o e s
a s e c o n d
c h a n g e
a s i t b e g i n s t o h a r d e n a n d s h r i n k . T h i s s h r i n k a g e
a l s o
p l a y s a r o l e i n
t h e
d e v e l o p m e n t o f p o r o s i t y i n
t h e
c h a r .
F o r
e x a m p l e , when
o f t c o a l i s
u s e d a s
t h e
s t a r t i n g
m a t e r i a l ,
t h e
t e m p e r a t u r e r i s e
d u r i n g
t h e s o f t e n i n g s t a g e s h o u l d
b e
v e r y
s l o w , s o
t h a t t h e g a s e s
c a n
e s c a p e
t h r o u g h
t h e
p o r e s i n t h e
g r a n u l e s w i t h o u t a
c o l l a p s e o r
d e f o r m a t i o n o f
t h e
p o r e s .
A c t i v a t i o n , t h e s e c o n d s t e p o f p r o d u c i n g a c t i v a t e d c a r b o n ,
e n h a n c e s t h e r u d i m e n t a r y p o r e
s t r u c t u r e
f o r m e d d u r i n g
c a r b o n i z a t i o n . D u r i n g t h i s
s t e p ,
t h e d i a m e t e r
o f
t h e
p o r e s
i s
e n l a r g e d
a n d
t h e volume o f t h e p o r e s i s i n c r e a s e d . A c t i v a t i o n
i s
c a r r i e d
o u t b y a n
o x i d a t i o n r e a c t i o n a t h i g h t e m p e r a t u r e s .
T h e
o x i d i z i n g a g e n t s
a r e u s u a l l y s t e a m , c a r b o n d i o x i d e , a i r ,
o r
a
m i x t u r e o f
t h e s e .
D u r i n g
t h i s p h y s i c a l a c t i v a t i o n ,
t h e
c h a r i s p a r t i a l l y g a s i ? e d , t h u s r e s u l t i n g i n some l o s s o f t h e
c a r b o n i z e d
m a t e r i a l . However,
o x i d a t i o n c o n v e r t s
t h e c a r
bonized raw m a t e r i a l i n t o a form
t h a t
c o n t a i n s t h e
g r e a t e s t
p o s s i b l e number
o f
r a n d o m l y
d i s t r i b u t e d p o r e s o f v a r i o u s
s h a p e s a n d s i z e s , a n d a ? n a l p r o d u c t w i t h a h i g h s u r f a c e
area.
C a r b o n i z a t i o n and a c t i v a t i o n a r e sometimes c a r r i e d
o u t
s i m u l t a n e o u s l y ,
b y
t h e r m a l
d e c o m p o s i t i o n
o f
t h e r a w
m a t e
r i a l
i m p r e g n a t e d w i t h c h e m i c a l
a c t i v a t i n g a g e n t s .
T h e s e
a c t i v a t i n g
c h e m i c a l s
a r e b o t h d e h y d r a t i n g a g e n t s a n d o x i
d a n t s . The d e h y d r a t i n g a c t i v i t y i n h i b i t s t h e f o r m a t i o n o f a r ,
t h u s
e n h a n c i n g t h e y i e l d
o f
c a r b o n
i n
t h e ? n a l p r o d u c t . F o r
e x a m p l e ,
c a r b o n i z a t i o n
may b e c a r r i e d o u t i n t h e p r e s e n c e o f
c h e m i c a l r e a g e n t s
s u c h
a s
p h o s p h o r i c a c i d ,
p o t a s s i u m
h y d r o x i d e , c a l c i u m
c h l o r i d e , o r z i n c c h l o r i d e .
The most common method o f s i m u l t a n e o u s c a r b o n i z a t i o n
and
o x i d a t i o n i s
t o
i m p r e g n a t e
t h e
raw m a t e r i a l w i t h a n
a c t i v a t i n g a g e n t . T h i s
i s
a c c o m p l i s h e d b y s o a k i n g t h e r a w
m a t e r i a l
i n
a
c o n c e n t r a t e d a q u e o u s s o l u t i o n o f t h e r e a g e n t ,
s o m e t i m e s
a c c o m p a n i e d
b y m i x i n g a n d
k n e a d i n g .
T h e w a t e r
i s t h e n
e v a p o r a t e d f r o m t h e
c h e m i c a l l y i m p r e g n a t e d m a t e
r i a l ,
a n d
t h e r e s u l t i n g
m i x t u r e
i s c a r b o n i z e d i n t h e a b s e n c e
o f
i r
( s u c h
a s u n d e r
n i t r o g e n )
a t
t e m p e r a t u r e s
b e t w e e n 4 0 0
a n d
8 0 0 C . ,
d e p e n d i n g
upon
t h e
a c t i v a t i n g a g e n t
u s e d .
T h e s e t e m p e r a t u r e s a r e l o w e r t h a n t h o s e n e e d e d f o r p h y s i
c a l a c t i v a t i o n ,
a n d
r e s u l t i n b e t t e r p o r o u s s t r u c t u r a l d e v e l
o p m e n t . The c a r b o n i z e d m a t e r i a l i s t h e n
washed
t o
remove
t h e
c h e m i c a l r e a g e n t ,
w h i c h may
t h e n
b e
r e c o v e r e d a n d
r e c y c l e d . The
s u r f a c e
a r e a
o f t h i s
m a t e r i a l
i s
u s u a l l y f u r t he r
i n c r e a s e d b y g a s i ? c a t i o n .
T h i s
s t e p
a l s o
r e s u l t s i n f u r t h e r
l o s s o f
c a r b o n i z e d m a t e r i a l .
One e a r l y
m e t h o d a n d a p p a r a t u s f o r
t h e
m a n u f a c t u r e o f
a c t i v a t e d c h a r c o a l
i n w h i c h t h e
c a r b o n i z i n g
a n d a c t i v a t i n g
s t e p s w e r e
combined
n a
s i n g l e
u n i t
was p r o v i d e d
by
S h i r a i
e t a l . , U . S . P a t .
N o .
3 , 6 7 6 , 3 6 5 . The d i s c l o s e d p r o c e s s
a l l o w e d
c o n t i n u o u s
p e r f o r m a n c e o f
t h e
c a r b o n i z a t i o n
a n d
a c t i v a t i o n
s t e p s a t
h i g h
e f f i c i e n c y .
I n
t h i s
m e t h o d ,
p r o d u c t i o n
o f
a c t i v a t e d c a r b o n
o c c u r r e d
b y
i m p r e g n at i o n o f a
c a r b o n
s o u r c e w i t h a s o l u t i o n o f ZnCl2 a n d h y d r o c h l o r i c a c i d .
S e v e r a l
o t h e r
m e t h o d s
o f c h em i c a l l y
a c t i v a t i n g
a c a r b o n
s o u r c e p r i o r t o
p y r o l y s i s
t o p r o d u c e a c t i v a t e d c a r b o n a r e
d e s c r i b e d
b y
Z h i q u a n Q . Y a n , U . S . P a t . N o . 5 , 2 5 0 , 4 9 1 ; C a i o
8/11/2019 Us5614459 Carbon Activo
3/5
5 , 6 1 4 , 4 5 9
3
e t a l . , R e v i s t a B r a s i l e i r a d e T e c n o l o g i a , 1 0 : 9 3 - 1 0 7 ( 1 9 7 9 ) ;
E a s t German P a t e n t N o . 1 4 6 2 7 7 ; E u r o p e a n
P a t e n t A p p l i
c a t i o n
N o . 0 3 2 9
2 5 1 ;
a n d
C a t u r l a e t
a 1 . , Carbon 2 9 :
9 9 9 l 0 0 7 ( 1 9 9 1 ) .
T h e s e
m e t h o d s o f c o m b i n i n g c a r b o n i z a
t i o n
w i t h c h e m i c a l a c t i v a t i o n s u f f e r
f r o m
s e v e r a l l i m i t a t i o n s .
G a s i ? c a t i o n
f o l l o w i n g t h e c a r bo n i z a t i o n s t e p u s u a l l y
r e s u l t s
i n
a
l o s s o f
a b o u t 25
o f t h e a c t i v a t e d
c a r b o n. D i f f u s i o n o f
t h e a c t i v a t i n g
a g e n t
i n t o t h e
r a w m a t e r i a l
i s l i m i t e d b y
t h e
d e g r e e
o f
p e n e t r a t i o n
o f
t h e
a c t i v a t i n g a g e n t i n t o t h e
i n n e r
m o s t p a r t o f
t h e
c o a l p a r t i c l e s .
A n
e ? i c i e n t method
o f p r o d u c i n g
a c t i v a t e d
c h a r c o a l
o f
h i g h
s u r f a c e a r e a and
narrow
p o r e
s i z e
d i s t r i b u t i o n
i s
n e e d e d .
SUMMARY OF THE INVENTION
A c c o r d i n g l y , i t i s a n o b j e c t o f
t h e
p r e s e n t
i n v e n t i o n
t o
p r o v i d e
a n a c t i v a t e d carbon
w i t h a h i g h s u r f a c e a r e a
and
a
v e r y
n a r r o w p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n , s u i t a b l e f o r methane a n d
n a t u r a l
g a s
s t o r a g e , a s w e l l a s f o r e n v i r o n m e n t a l c o n t r o l
o f
NOx a s s e s .
I t i s a f u r t h e r o b j e c t
o f
t h e p r e s e n t i n v e n t i o n t o
p r o v i d e
a
method o f c h e m i c a l a c t i v a t i o n i n which t h e r e c o v e r y o f
t he
a c t i v a t e d c a r b o n i s v e r y h i g h c o m p a r e d t o o t h e r m e t h o d s .
A n o t h e r o b j e c t o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n
i s t o
p r o v i d e a
p r o c e s s
i n
which c a r b o n i z a t i o n
o c c u r s i n a
v e r y
s h o r t t i m e
p e r i o d .
T h e s e a n d
o t h e r o b j e c t s o f t h e
p r e s e n t
i n v e n t i o n a r e
a c h i e v e d
b y
p r o v i d i n g
a
p r o c e s s
f o r
p r e p a r i n g a c t i v a t e d
c a r b o n ,
c o m p r i s i n g
t h e s t e p s
o f
s w e l l i n g a
c a r b o n c o n t a i n
i n g m a t e r i a l i n a p o l a r o r g a n i c s o l v e n t
c o n t a i n i n g
Z n C l 2 o r
S n C l 2 ,
s e p a r a t i n g
t h e
s o l v e n t ,
c a r b o n i z i n g
t h e c a r b o n - c o n
t a i n i n g m a t e r i a l u n d e r n i t r o g e n a t
a t e m p e r a t u r e
i n
t h e
r a n g e
f r o m
6 0 0
t o
7 5 0
C .
a n d
s e p a r a t i n g
t h e
Z n C l 2
o r
S n C l 2 .
O t h e r o b j e c t s , f e a t u r e s a n d a d v a n t a g e s o f t h e
p r e s e n t
i n v e n t i o n
w i l l
become a p p a r e n t f r o m t h e f o l l o w i n g d e t a i l e d
d e s c r i p t i o n . I t
s h o u l d
b e u n d e r s t o o d , h o w e v e r ,
t h a t
t h e
d e t a i l e d d e s c r i p t i o n a n d
s p e c i ? c
e x a m p l e s ,
w h i l e
i n d i c a t i n g
p r e f e r r e d e m b o d i m e n t s
o f
t h e
i n v e n t i o n ,
a r e g i v e n b y
way
o f
i l l u s t r a t i o n
o n l y .
I n d e e d ,
v a r i o u s c h a n g e s a n d m o d i ? c a t i o n s
w i t h i n t h e s p i r i t
a n d s c o p e o f
t h e i n v e n t i o n w i l l
become
a p p a r e n t t o t h o s e s k i l l e d i n
t h e
a r t
from t h e d e t a i l e d
d e s c r i p
[ 1 0 I 1 .
DETAILED
DESCRIPTION
OF
PREFERRED
EMBODIMENTS
A
method
o f p r e p a r i n g
a c t i v a t e d
c a r b o n
w i t h
a
h i g h
s u r f a c e
a r e a
i s p r o v i d ed c o m p r i s i n g t h e s t e p s o f s w e l l i n g a
c a r b o n - c o n t a i n i n g m a t e r i a l i n a
p o l a r o r g a n i c
s o l v e n t
c o n
t a i n i n g z i n c c h l o r i d e
( Z n C l l )
o r s t a n n o u s c h l o r i d e S n C l 2 ) ;
s e p a r a t i n g t h e s o l v e n t ; a n d c a r b o n i z i n g t h e c a r b o n - c o n t a i n
i n g m a t e r i a l
u n d e r n i t r o g e n
a t
a t e m p e r a t u r e i n t h e r a n g e o f
6 0 0 t o 7 5 0 C . O p t i o n a l l y , t h e s o l v e n t c a n be
r e c o v e r e d
a n d
r e c y c l e d . The Z n C l 2 o r
S n C l 2 c a n b e
removed
f r o m
t h e ? n a l
p r o d u c t
b y
w a s h i n g a n d
c a n
a l s o
b e
r e c o v e r e d a n d r e c y c l e d .
The c a r b o n - c o n t a i n i n g m a t e r i a l
c a n be c o a l ,
s u c h
a s low
r a n k c o a l i n c l u d i n g Amaga o r C e r r e j o n c o a l s . A c t i v a t e d
c a r b o n made
b y
t h e method
o f
t h e
p r e s e n t i n v e n t i o n
h a s
a
l a r g e s u r f a c e a r e a ,
a s d e t e r m i n e d
by t h e
B r u n a u e r - E m m e t t
T e l l e r ( B E T ) m o d e l o f p h y s i c a l a d s o r p t i o n ,
a n d
a l a r g e
m i c r o p o r e
a r e a
a n d
m i c r o p o re v o l u m e .
T h e
m e t h o d
r e q u i r e s
o n l y
a
s h o r t c a r b o n i z a t i o n t i m e , a n d i t r e s u l t s
i n a h i g h
r e c o v e r y
o f
t h e
? n a l
p r o d u c t .
The s o u r c e o f c a r b o n - c o n t a i n i n g
raw m a t e r i a l
may b e a n y
o f
t h e
c a r b o n a c e o u s
m a t e r i a l o f p l a n t o r m i n e r a l o r i g i n
d e s c r i b e d p r e v i o u s l y . P r e f e r r e d raw m a t e r i a l s a r e p r i m a r i l y
1 5
20
2 5
30
3 5
45
55
so,
6 5
4
c o a l s ,
i n c l u d i n g l o w r a n k
c o a l s
s u c h
a s
Amaga
a n d
C e r r e j
n .
The
raw
m a t e r i a l
i s g r o u n d ,
t h e n
s e p a r a t e d i n t o t h e a p p r o
p r i a t e
s i z e d f r a c t i o n , a n d ? n a l l y s t o re d i n
a
d r i e d ,
d e s i c c a t e d
form
u n t i l
u s e d .
The raw
m a t e r i a l i s t h e n mixed w i t h a s o l v e n t
c o n t a i n i n g
t h e
a p p r o p r i a t e
a c t i v a t i n g
a g e n t . T h e a c t i v a t i n g g e n t i s ? r s t
d i s s o l v e d
i n t o t h e
s o l v e n t
t o t h e
d e s i r e d c o n c e n t ra t i o n ;
i n
some
c a s e s ,
h e a t i n g
t h e s o l v e n t may b e n e c e s s a r y f o r
c o m p l e t e d i s s o l u t i o n .
The c o a l
i s
s l o w l y a d d e d w i t h c o n
t i n u o u s s t i r r i n g t o t h e s o l v e n t c o nt a i n i n g d i s s o l v e d a c t i v a t
i n g a g e n t .
C h e m i c a l a c t i v a t i n g a g e n t s may i n c l u d e :
a l k a l i m e t a l
h y d r o x i d e s ,
c a r b o n a t e s ,
s u l ? e s , a n d
s u l f a t e s ;
a l k a l i n e e a r t h
c a r b o n a t e s ,
c h l o r i d e s , s u l f a t e s , a n d p h o s p h a t e s ; p h o s p h o r i c
a c i d ; p o l y p h o S p h o r i c a c i d ; p y r o p h o s p h o r i c a c i d ; z i n c
c h l o
r i d e ;
s u l f u r i c
a c i d ;
a n d o l e u m . P r e f e r r e d
among t h e s e
a r e
z i n c c h l o r i d e
o r
s t a n n o u s
c h l o r i d e . The c o n c e n t r a t i o n o f
a c t i v a t i n g
a g e n t may
v a r y
f r o m 10 o 1 0 0 % ;
t h e
p r e f e r r e d
c o n c e n t r a t i o n i s 1 0 0 % .
P o l a r o r g a n i c s o l v e n t s i n c l u d e a n y o r g a n i c
h y d r o g e n
b o n d i n g
s o l v e n t
c a p a b l e o f
s w e l l i n g
t h e
c a r b o n a c e o u s
m a t e
r i a l . S u c h
s o l v e n t s c a n
form
s t r o n g h y d r o g e n
b o n d s w i t h
t h e
f u n c t i o n a l g r o u p s o f t h e c a r b o n a c e o u s
m a t e r i a l .
P r e f e r r e d
s o l v e n t s
i n c l u d e
p y r i d i n e , n - p r o p y l a m i n e , n - b u t y l a r n i n e , t e t
r a h y d r o f u r a n ,
n - m e t h y l p y r r o l i d i n o n e , d i m e t h y l s u l f o x i d e ,
m e t h a n o l ,
e t h a n o l
a n d i s o p r o p a n o l . P y r i d i n e i s p a r t i c u l a r l y
p r e f e r r e d . The
c o a l : s o l v e n t
r a t i o may v a r y f r o m 1 : 4 t o
1 : 1 0 ,
w i t h a
p r e f e r r e d
r a t i o o f 1 : 6 ( w e i g h t z v o l u m e , g : m l ) .
The
m i x t u r e of
c a r b o n a c e o u s m a t e r i a l
a n d
s o l v e n t - a c t i
v a t i n g a g e n t may b e
l e f t
f o r
u p t o 24
h o u r s .
H o w e v e r ,
t h e
i m p r e g n a t i o n t i m e may be a s s h o r t
a s
1
h o u r ,
a s t h e k i n e t i c s
o f s o l v e n t s w e l l i n g o f c o a l
a r e
v e r y f a s t , a n d t h e
d i f f u s i o n
o f
a c t i v a t i n g a g e n t i n t o t h e c o a l
i s p r e s u m a b l y
e q u a l l y f a s t .
The s o l v e n t
i s
r e c o v e r e d
f r o m
t h e
i m p r e g n a t e d
c a r b o n
a c e o u s
m a t e r i a l
by
e v a p o r a t i o n
u n d e r
s l o w
h e a t i n g
a t
a
s p e c i ? e d
t e m p e r a t u r e u n d e r a n
i n e r t
a t m o s p h e r e
u n t i l
t h e
i m p r e g n a t e d
c a r b o n a c e o u s
m a t e r i a l i s
c o m p l e t e l y
d r y .
I f
d e s i r e d ,
t h e s o l v e n t
may
t h e n
b e
r e c o v e r e d
f o r r e u s e .
Evapo
r a t i o n o f
t h e
s o l v e n t
u n d e r h i g h e r
t e m p e r a t u r e s
w i l l r e s u l t i n
a
more r a p i d d r y i n g
o f t h e
m a t e r i a l . The
a p p r o p r i a t e
t e m
p e r a t u r e
w i l l
v a r y
w i t h
t h e s o l v e n t u s e d ; f o r
e x a m p l e ,
i f
p y r i d i n e i s u s e d a s t h e s w e l l i n g s o l v e n t , a l o w e v a p o r a t i o n
t e m p e r a t u r e
i s
a b o u t
70
C . ,
w h i l e a
h i g h e r
t e m p e r a t u r e i s
a b o u t
1 2 0
C . A n
i n e r t a t m o s p h e r e may b e a c h i e v e d b y
d r y i n g
t h e
m a t e r i a l
u n d e r n i t r o g e n .
The d r i e d
i m p r e g n a t e d
c a r b o n a c e o u s m a t e r i a l i s t h e n
p y r o l y z e d
u n d e r a n i n e r t a t m o s p h e r e .
The
t e m p e r a t u r e
o f
p y r o l y s i s may v a r y
from
6 0 0 t o 7 5 0 C . A n i n e r t a t m o ~
s p h e r e may b e a c h i e v e d b y p y r o l y s i s u n d e r n i t r o g e n , f o r
example
u n d e r
a
?ow
o f
n i t r o g e n o f
1 0 0
t o
1 2 0
m l / m i n .
P y r o l y s i s
i s c o m p l e t e
w i t h i n 1 5 m i n ,
t h o u g h
t i m e s u p t o
6 0
min
may b e u s e d . A f t e r
p y r o l y s i s , t h e a c t i v a t e d
c a r b o n i s
c o o l e d
u n d e r
a n i n e r t
a t m o s p h e r e ;
when
c o o l e d
t o a b o u t
1 0 0
C . ,
t h e a c t i v a t e d c a r b o n
may b e removed f r o m
t h e
f u r n a c e .
The
c t i v a t i n g
a g e n t s
may
b e
r e m o v e d f r o m t h e a c t i v a t e d
c a r b o n
b y w a s h i n g t h e a c t i v a t e d c a r b o n w i t h w a t e r .
H o t
d i s t i l l e d w a t e r
i s
p r e f e r r e d ;
d e p e n d i n g
u p o n
t h e
a c t i v a t i n g
a g e n t u s e d , t h e i n i t i a l
w a s h e s may
b e
s l i g h t l y
a c i d i ? e d . The
a c t i v a t i n g a g e n t s may t h e n
b e
r e c o v e r e d
f r o m
t h e wash
a n d
r e c y c l e d .
The
a c t i v a t e d
c a r b o n p r o d u c t may b e d r i e d u n d e r a
vacuum u n t i l
i t r e a c h e s
a
c o n s t a n t w e i g h t . The p r e f e r r e d
d r y i n g t e m p e r a t u r e
i s
1 0 0 C .
The c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e ? n a l
p r o d u c t
may
b e a n a l y z e d
by
a number o f t e c h n i q u e s . The s u r f a c e a r e a o f t h e a c t i v a t e d
c a r b o n
may
b e d e t e r m i n e d
b y t h e
B r u n a u e r - E m m e t - T e l l e r
( B E T )
m o d e l
o f p h y s i c a l
a d s o r p t i o n
u s i n g n i t r o g e n a s t h e
a d s o r p t i v e . T h e
m i c r o p o r e a r e a a n d
m i c r o p o r e
v o l u m e
o f
t h e
8/11/2019 Us5614459 Carbon Activo
4/5
5 , 6 1 4 , 4 5 9
5
a c t i v a t e d c a r b o n a r e d e t e r m i n e d b y u s i n g t h e t - m e t h o d ,
which i s
based
on t h e BET n f o r m a t i o n . A l l t h r ee measure
m e n t s may b e d e t e r m i n e d b y u s i n g a
M i c r o m e r i t i c s
a p p a
r a t u s model ASAP 0 0 0 . ( L o w e l l
e t a l . ,
Powder S u r f a c e
A r e a a n d P o r o s i t y , Shapman
a n d
H a l l , New o r k , p p 7 5 - 8 6
2 n d
e d . ,
1 9 8 4 ) ) .
The p o r e g e o m e t r y a n d mean
s i z e may
b e d e t e r m i n e d b y
S m a l l - A n g l e
X - R a y S c a t t e r i n g ( S A X S ) a n a l y s i s
o f
t h e
p r o d
u c t .
I m e l i k e t
a l .
e d . ,
C a t a l y s t C h a r a c t e r i z a t i o n ,
P h y s i c a l
T e c h n i q u e s
f o r
S o l i d
M a t e r i a l s ,
P l e n u m ,
New Y o r k , p p
445-465
(1994))
F i n a l l y ,
t h e
m o r p h o l o g y
o f t h e a c t i v a t e d
c a r b o n may b e
d e t e r m i n e d b y S c a n n i n g E l e c t r o n
M i c r o s c o p y
( S E M ) u s i n g
m e t h o d s
w e l l
known t o t h e s k i l l e d a r t i s a n i n
t h i s
? e l d .
The p r o c e s s o f t h i s i n v e n t i o n o f f e r s s e v e r a l a d v a n t a g e s
o v e r p r e v i o u s l y d e s c r i b e d p r o c e s s e s . F i r s t , a c t i v a t e d
c a r b o n
o f v e r y h i g h
s u r f a c e
a r e a
a n d
v e r y n a r r o w p o r e
s i z e d i s t r i
b u t i o n
i s
p r o d u c e d ,
d u e t o t h e i n c r e a s e d i m p r e g n a ti o n o f h e
a c t i v a t i n g a g e n t
b y s w e l l i n g
t h e c a r b o n a c e o u s
m a t e r i a l i n
a
p o l a r
s o l v e n t .
A c t i v a t e d c a r b o n
s
a l s o
p r o d u c e d
i n
v e r y h i g h
y i e l d ,
a s n o g a s i ? c a t i o n s t e p
i s
r e q u i r e d a f t e r c a r b o n i z a t i o n .
The p r o c e s s i s v e r y
e ? i c i e n t
and e c o n o m i c a l , a s e i f e c t i v e
c a r b o n i z a t i o n and
a c t i v a t i o n may
occur i n a s l i t t l e a s 1 5
m i n u te s o f p y r o l y s i s . The m a t e r i a l s
u s e d f o r
s w e l l i n g a n d
i m p r e g n a t i o n
may b e r e c o v e r e d a n d r e c y c l e d .
The i n v e n t i o n
p r o c e s s
f o r
p r o d u c i n g
a c t i v a t e d
c a r b o n
p r o d u c t s
i s
i l l u s t r a t e d
b y
t h e f o l l o w i n g e x a m p l e s , a l t h o u g h
i t w i l l b e u n d e r s t o o d t h a t
t h e
i n v e n t i o n i s n o t
l i m i t e d t h e r e t o .
The
i n v e n t i o n
i s
n o t
r e s t r i c t e d
t o t h e p a r t i c u l a r m a t e r i a l s ,
c o m b i n a t i o n s o f m a t e r i a l s ,
a n d
p r o c e d u r e s
s e l e c t e d f o r t h e
p u r p o s e o f
l l u s t r a t i o n . Numerous
v a r i a t i o n s o f t h e d e t i l s o f
t h e
d i s c l o s e d i n v e n t i v e
p r o c e s s can be employed, a s w i l l be
a p p r e c i a t e d b y t h o s e
s k i l l e d
i n t h e
a r t .
EXAMPLE
( C o m p a r i s o n )
A a m p l e o f
Amaga o a l
( 7 6 . 0 % C , 1 6 . 3 % 0 ) w a s g r o u n d
s u f ? c i e n t l y
t o
p a s s
t h r o u g h
t h e 1 0 0
mesh o f
t h e
T y l e r
s i e v e ,
d r i e d a n d s t o r e d i n a d e s i c c a t o r
u n t i l
r e q u i r e d . ZnCl2
was
u s e d f o r t h e c h e m i c a l d e h y d r a t i o n . The c o a l s a m p l e a n d
Z n C l 2 w e r e p l a c e d i n a h i g h p r e s s u r e
a u t o c l a v e ,
w h i c h was
t h e n
p u r g e d a n d
p r e s s u r i z e d w i t h
h i g h
p u r i t y N 2 . P y r o l y s i s
f o r e i t h e r 1 5
min
o r
180
min
was c a r r i e d o u t
under
h i g h
p r e s s u r e a t b o t h 3 5 0 a n d 4 5 0 C . A f t e r p y r o l y s i s ,
t h e
p r o d u c t
was
washed
w i t h
h o t w a t e r
u n t i l
i t
was
f r e e
o f
c h l o r i d e i o n s .
The
r e c o v e r y o f
a c t i v a t e d c a r b o n
was d e t e r
m i n e d f r o m t h e w e i g h t o f t h e
? n a l
p r o d u c t .
The
BET
s u r f a c e
a r e a , m i c r o p o r e
a r e a
a n d
m i c r o p o r e
volume
o f
t h e
p r o d u c t
was
d e t e r m i n e d
i n
a
M i c r o m e r i t i c s
a p p a r a t u s m o d e l A S A P 0 0 0 . SAXS a n a l y s i s o f t h e s a m p l e s
was
c a r r i e d
o u t
t o determine
t h e
p o r e
geometry and
mean
s i z e . SEM
was
u s e d
t o
o b s e r v e
t h e morphology o f t h e
p a r t i c l e s .
TABLE
P y r o l y s i s
P y r o l y s i s P r o d u c t
T e m p e r a t u r e T i m e
y i e l d
BET
a r e a
R u n C . m i n ) w t % , d a f ) m z l g )
l
3 5 0 1 5 7 4 3 . 0
2 3 5 0 1 8 0
n d
2 . 0
3 4 5 0 1 5 7 8 2 . 0
4 4 5 0 1 8 0 5 9 1 8 . 0
P y r o l y s i s
u s i n g
h i g h p r e s s u r e t o
i m p r e g n a t e
Z n C l z
i n t o t h e c o a l
p a r t i c l e :
100 Z n C l z ; u n d e r 1 0 0 b a r N2 n a h i g h p r e s s u r e a u t o c l a v e .
The
r e s u l t s o f p y r o l y s i s c a r r i e d
o u t u n d e r h i g h p r e s s u r e
a r e
shown
i n T a b l e 1 .
I n
t h i s
p r o c e d u r e , t h e r e was no s o l v e n t
a d d e d t o t h e c o a l . T h e r e f o r e , t h e mechanism t o i m p r o v e
i m p r e g n a t i o n w a s t h e e f f e c t o f t h e i n c r e a s e d n i t r o g e n p r e s
1 0
20
2 5
3 5
40
4 5
50
5 5
. 6 0
6 5
6
s u r e on t h e ZnCl2 m e l t . The s u r f a c e a r e a
o f
t h e o ri g i n a l c o a l
was
a b o u t
8
m Z / g . The r e s u l t s i n
T a b l e
1 show
t h a t N2
p r e s s u r e d i d n o t
have any
p o s i t i v e e i f e c t
on
s u r f a c e a r e a
d e v e l o p m e n t . The r e d u c t i o n i n t h e s u r f a c e a r e a
o f
t h e
r e c o v e r e d p r o d u c t , c o m p a r e d t o t h a t p r e s e n t i n
t h e c o a l
b e f o r e
p y r o l y s i s ,
c o u l d
b e
a s c r i b e d
t o
c o n d e n s a t i o n o f
t a r r y
m a t e r i a l
i n
t h e
o u t e r p a r t o f
t h e
c o a l p a r t i c l e s .
S c a n n i n g
e l e c t r o n m i c r o g r a p h s o f t h e p r o d u c t s r e v e a l e d t h a t t h e r e w a s
a s t r o n g
a t t a c k
o f
ZnCl2 o n
t h e s u r f a c e
o f
t h e p a r t i c l e s .
T h i s
e l f e c t was p a r t i c u l a r l y p r o n o u n c e d
i n
t h e e x p e r i m e n t s
c a r
r i e d
o u t a t 4 5 0
C . ,
c a u s i n g a p a r t i a l
g a s i ? c a t i o n
o f t h e
s a m p l e ,
a n d
t h e r e f o r e a l o w
r e c o v e r e d y i e l d .
EXAMPLE
A
s a m p l e o f
Amaga
c o a l was g r o u n d a n d
s t o r e d
a s
d e s c r i b e d
i n E x a m p l e
1 . T h e
s a m p l e
w a s t h e n i m p r e g n a t e d
w i t h Z n C l 2
b y m i x i n g
i t w i t h
e i t h e r
w a t e r o r e t h a n o l i n
which
ZnCl2 was d i s s o l v e d . The c o a l - s o l v e n t
m i x t u r e
was
l e f t
o v e r n i g h t .
The s o l v e n t w a s e v a p o r a t e d ,
a n d t h e
d r y
s a m p l e
t r a n s f e r r e d
t o
a p o r c e l a i n c r u c i b l e
a n d
p y r o l y z e d
i n
a
h o r i z o n t a l f u r n a c e
a t 600
o r
650
C . f o r 1 5
m i n . B e f o r e
p y r o l y s i s , t h e
f u r n a c e w a s
p u r g e d w i t h h i g h
p u r i t y N 2 ,
a n d
a
?ow
o f N2 o f 1 2 0 m l l r n i n
was
m a i n t a i n e d d u r i n g
t h e
p y r o l y s i s . A f t e r p y r o l y s i s , t h e p r o d u c t w a s w a s h e d w i t h h o t
w a t e r u n t i l i t
was
f r e e o f c h l o r i d e i o n s . The r e c o v e r e d
a c t i v a t e d c a r b o n
was
d e t e r m i n e d from t h e w e i g h t o f t h e
r e s i d u e .
The p r o d u c t
was
a n a l y z e d a s d e s c r i b e d i n
Example
. The
r e s u l t s
o f
p y r o l y s i s c a r r i e d o u t
a f t e r i m p r e g na t i o n o f
Z n C l 2
w i t h
e i t h e r
w a t e r
o r
e t h a n o l a r e shown i n T a b l e 2 . P y r o l y s i s
o f t h e c o a l
a f t e r
i m p r e g n a t i o n
w i t h
Z n C l 2 b y
u s i n g e i t h e r
w a t e r
o r
e t h a n o l
showed
a s i g n i ? c a n t
i n c r e a s e
i n
t h e s u r f a c e
a r e a
o f
t h e p r o d u c t .
I n c r e a s i n g
t h e
t e m p e r a t u r e
o f p y r o l y s i s
from 5 0 0
t o
6 0 0
C .
r e s u l t e d
i n a s l i g h t
i n c r e a s e i n t h e
s u r f a c e a r e a o f t h e p r o d u c t . H o w e v e r , c h a n g i n g t h e s o l v e n t
from
w a t e r t o
e t h a n o l r e s u l t e d
i n a
s i g n i ? c a n t i n c r e a s e i n
t h e
s u r f a c e a r e a
o f
t h e
p r o d u c t .
The i n c r e a s e i n s u r f a c e a r e a
c o u l d b e
d u e
t o b e t t e r
p e n e t r a t i o n
o f t h e e t h a n o l i n t o
t h e c o a l
m a c r o s t r u c t u r e ,
t h e r e b y
f a c i l i t a t i n g t h e
d i f f u s i o n o f
t h e
Z n C l 2 .
S i m i l a r
r e s u l t s were o b t a i n e d u s i n g
m e t h a n o l
a s t h e
s o l v e n t ( d a t a n o t s h o w n ) .
TABLE
P y r o l y s i s P y r o l y s i s P r o d u c t BET
T e m p e r a t u r e Time Y i e l d
a r e a
R u n
S o l v e n t
C . )
m i n ) w t
% ,
d a t )
m l / g )
5
W a t e r 500
1 5 7 9 1 8 6
6
W a t e r 600
1 5
n d 2 3 9
7
E t h a n o l 5 0 0 1 8 0 7 0 5 4 6
8 E t h a n o l
600
1 5
7 7 6 9 6
9 E t h a n o l 600
1 8 0
6 0 6 4 7
P y r o l y s i s u s i n g w a t e r o r e t h a n o l t o i m p r e g n a t e Z n C l 2 i n t o
t h e
c o a l p a r t i c l e :
100 Z n C l z ; u n d e r a t m o s p h er i c
p r e s s u r e
a n d N2 ? o w .
T h e s e o b s e r v a t i o n s s u g g e s t e d t h a t u s e o f a
p o l a r
o r g a n i c
s o l v e n t w i t h a h i g h
s w e l l i n g
c a p a c i t y w o u l d i m p r o v e t h e
i m p r e g n a ti o n o f Z n C l 2 i n t o t h e c o a l p a r t i c l e s .
EXAMPLE
Two
l o w r a n k c o a l s w e r e u s e d , Amaga o a l (76 C , 5 . 5 %
H ,
1 . 8 %
N ,
a n d 1 6 . 3 % 0 ) a n d
C e r r e j o n c o a l
( 8 2 . 7 %
C , 5 . 5 %
H , 1 . 7 % N , a n d
9.4 O ) . The
s a m p l e s
w e r e
g r o u n d ,
a n d t h e
f r a c t i o n
c o l l e c t e d b e t w e e n t h e s i e v e s 4 0 6 0 o f t h e T y l e r
s e r i e s was
u s e d
f o r t h e e x p e r i m e n t s .
P a r t i c l e s
o f g r e a t e r
s i z e
may a l s o b e u s e d w i t h s i m i l a r r e s u l t s .
8/11/2019 Us5614459 Carbon Activo
5/5
5 , 6 1 4 , 4 5 9
7
The d e s i r e d a m o u n t o f t h e
a c t i v a t i n g
a g e n t , e i t h e r
Z n C l 2
o r
S n C l 2 ( 1 0 % , 50 , o r 100 b a s e d
on t h e
d r y a s h
f r e e c o a l
s a m p l e ) ,
was
d i s s o l v e d i n
a
?xed volume
o f
p y r i d i n e ,
s u c h
t h a t
t h e
p r o p o r t i o n o f
c o a l : p y r i d i n e w a s
1 : 6
( w e i g h t : v o l
u m e ) .
I n some c a s e s , i t was n e c e s s a r y t o h e a t t h e m i x t u r e o f
s o l v e n t a n d a c t i v a t i n g a g e n t
t o
o b t a i n c o m p l e t e d i s s o l u t i o n
o f
t h e a g e n t .
The
c o a l
was
s l o w l y
a d d e d
w i t h c o n t i n u o u s
s t i r r i n g t o t h e
s o l v e n t c o n t a i n i n g d i s s o l v e d a c t i v a t i n g a g e n t
a n d
t h i s
s t e p
u s u a l l y
t o o k
a b o u t 3 0 m i n . The r e s u l t i n g
m i x t u r e was l e f t untouched f o r 24 h o u r s
a t
room
t e m p e r a
t u r e .
T h i s
t i m e p e r i o d may
b e
s h o r t e n e d b e c a u s e t h e
k i n e t i c s
o f
s o l v e n t
s w e l l i n g
show
t h a t s w e l l i n g i s
a
v e r y f a s t p r o c e s s .
The
d i f f u s i o n
o f
t h e
a c t i v a t i n g
a g e n t i n t o t h e c o a l
m a c r o
s t r u c t u r e i s p r o b a b l y
e q u a l l y
f a s t . The
s o l v e n t
was r e c o v e r e d
b y
e v a p o r a t i o n u n d e r s l o w h e a t i n g a t
a b o u t
7 0 C . u n d e r
n i t r o g e n l l o w
u n t i l t h e
s a m p l e
w a s
c o m p l e t e l y d r y .
T h e
s o l v e n t c o u l d a l s o
b e
more q u i c k l y r e c o v e r e d
b y
h e a t i n g a t
a
h i g h e r t e m p e r a t u r e .
The
d r y s a m p l e
w a s t r a n s f e r r e d i n t o
a
p o r c e l a i n c r u c i b l e
a n d
p l a c e d
i n t o
a h o r i z o n t a l f u r n a c e . A h e r m o c o u p l e p l a c e d
n e x t
t o
t h e c n r c i b l e
was
used
t o
measure
t h e
t e m p e r a t u r e .
The s a m p l e
w a s c a r b o n i z e d u n d e r
n i t r o g e n
o f h i g h
p u r i t y
a t
a
?ow o f
1 0 0
t o 1 2 0 m l / m i n .
The p y r o l y s i s
t e m p e r a t u r e was
e i t h e r
6 0 0
o r
6 5 0 C . ,
b u t
t h e
t e m p e r a t u r e c a n
b e
a s h i g h a s
7 5 0 C . The
t i m e o f p y r o l y s i s was b e t w e e n
1 5 a n d
1 8 0 m i n .
A f t e r p y r o l y s i s , t h e
s a m p l e
was c o o l e d
down t o
a b o u t 1 0 0
C . u n d e r a ?ow o f n i t r o g e n , a n d t h e n removed from
t h e
f u r n a c e . The a c t i v a t i n g a g e n t s , Z n C l 2 o r S n C l 2 ,
w e r e r e c o v
e r e d
b y
w a s h i n g
t h e p r o d u c t
w i t h a b o u t 4 l i t e r s o f h o t
d i s t i l l e d w a t e r u n t i l t h e
wash
was f r e e o f
c h l o r i d e s . The
? r s t
two l i t e r s
o f w a t e r
were
s l i g h t l y a c i d i ? e d w i t h
H C l .
The
a c t i v a t e d c a r b o n
p r o d u c t was
d r i e d a t
1 0 0 C . u n d e r
a
vacuum
n t i l i t a t t a i n e d a
c o n s t a n t
w e i g h t . Recovered y i e l d
was
b a s e d
o n
t h e ? n a l
d r y
w e i g h t .
The
s a m p l e
was
a n a l y z e d
a s d e s c r i b e d i n Example a n d i s shown n
T a b l e 3 .
I m p r e g
n a t i o n o f t h e a c t i v a t i n g
a g e n t w i t h
a p o l a r s o l v e n t r e s u l t e d i n
a
h i g h s u r f a c e a r e a
i n
t h e
p r o d u c t .
S AXS a n a l y s i s r e v e a l e d
t h a t p o r e s w e r e m a i n l y s p h e r i c a l
a n d
c y l i n d r i c a l w i t h
a
narrow pore
d i s t r i b u t i o n .
TABLE
M i c r o
A c t i v a t i n g P r o d u c t BET p o r e M i c r o p o r e
Agent
Y i e l d
a r e a Area Volume
C o a l
c o n e )
w t
% ) m z l g ) m z l g ) e m 3 / g )
Amaga Z n C l 2 , 0 6 9 . 4 8 . 0 6 . 4 0 . 0 0 2
Amaga
Z n C l 2 ,
50 7 1 . 2 6 7 0 n d
Amaga
Z n C l 2 ,
100
7 1 . 7
1 1 0 6 9 3 7
0 . 3 6 8
Amaga S n C l 2 , 100 8 7 . 5
6 6 6 5 8 3 0 . 2 2 6
C e r r e j o n Z n C l z ,
100 8 1 . 9
1 0 4 7 8 0 3 0 . 3 2 6
P y r o l y s i s u s i n g p y r i d i n e t o i m p r e g n a t e e i t h e r Z n C l 2 o r
S r t C l 2
i n t o t h e c o a l
p a r t i c l e :
P y r o l y s i s
t e m p e r a t u r e
o f 6 5 0 C . a n d t i m e
o f
1 5
m i n :
u n d e r
a t m o s p h e r i c p r e s s u r e
a n d N 2 f l o w .
The
p r o c e s s
o f p r o d u c i n g a c t i v a t e d c a r b o n b y s w e l l i n g
i t
i n
a p o l a r s o l v e n t
c o n t a i n i n g
a c t i v a t i n g a g e n t s ,
i s much m o r e
e ? i c i e n t t h a n
t h o s e
p r e v i o u s l y
r e p o r t e d .
O n l y
o n e s h o r t
s t e p
i s
r e q u i r e d
t o p r o d u c e t h e d e s i r e d a c t i v a t e d c a r b o n p r o d u c t .
The s w o l l e n i m p r e g n a t e d c a r b o n s o u r c e i s s u b j e c t e d t o
p y r o l y s i s f o r o n l y 1 5 m i n .
t o p r o d u c e
a n
a c t i v a t e d
c a r b o n
w i t h a m i c r o p o r e v o l u m e
o f more t h a n 0 . 2 5 c m 3 / g . T h u s ,
i t
i s n o t n e c e s s a r y t o f u r t h e r t r e a t t h e
a c t i v a t e d c a r b o n
u s i n g
oxygen
o r
c a r b o n
d i o x i d e
a t
h i g h
t e m p e r a t u r e s .
B e c a u s e
g a s i ? c a t i o n
i s
n o t n e c e s sa r y , a c t i v a t e d
c a r b o n i s
p r o d u c e d i n s i g n i ? c a n t l y h i g h e r y i e l d s t h a n i n p r i o r a r t
m e t h o d s .
The g a s i ? c a t i o n s t e p
u s u a l l y r e s u l t s i n a l o s s
b y
b u r n i n g o f a b o u t 25 o f t h e a c t i v a t e d c a r b o n . H o w e v e r , t h e
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
3 5
40
45
5 0
55
60
6 5
8
p r o c e s s d e s c r i b e d h e r e
r e s u l t s i n
a
r e l a t i v e l y h i g h re c o v e r e d
y i e l d
o f
a b o u t 60 80 , c o m p a r e d t o t h e
l o w e r
r e c o v e r e d
y i e l d o f 20 50
f r o m o t h e r m e t h o d s .
The
a c t i v a t e d
c a r b o n p r o d u c e d
s h o u l d a l s o
b e v e r y s u i t
a b l e
f o r methane and n a t u r a l g a s
s t o r a g e , a s w e l l a s
f o r
e n v i r o n m e n t a l
c o n t r o l
o f
n o x i o u s
g a s e s
d u e
t o
t h e
v e r y
narrow d i s t r i b u t i o n of p o r e s i z e .
A l t h o u g h t h e f o r e g o i n g
r e f e r s
t o p a r t i c u l a r p r e f e r r e d
e m b o d i m e n t s ,
i t
w i l l b e u n d e r s t o o d
t h a t t h e p r e s e n t i n v e n
t i o n i s n o t s o l i m i t e d . I t w i l l
o c c u r
t o t h o s e o f
o r d i n a r y
s k i l l
i n
t h e a r t
t h a t
v a r i o u s
m o d i ? c a t i o n s may b e made t o
t h e
d i s c l o s e d embodiments and t h a t
s u c h
m o d i ? c a t i o n s
a r e
i n t e n d e d
t o b e
w i t h i n t h e s c o p e o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n ,
w h i c h i s
d e ? n e d
b y
t h e f o l l o w i n g
c l a i m s .
A l l p u b l i c a t i o n s a n d
p a t e n t a p p l i c a t i o n s
m e n t i o n e d i n
t h i s
s p e c i ? c a t i o n
a r e
i n d i c a t i v e o f
t h e
l e v e l o f s k i l l
o f
t h o s e i n
t h e
a r t t o
w h i c h
t h e i n v e n t i o n
p e r t a i n s .
A l l p u b l i c a t i o ns a n d
p a t e n t
a p p l i c a t i o n s
a r e h e r e i n
i n c o r p o r a t e d
b y
r e f e r e n c e
t o
t h e
same
e x t e n t
a s
i f
each
i n d i v i d u a l p u b l i c a t i o n
o r
p a t e n t
a p p l i c a t i o n
w e r e s p e c i ? c a l l y a n d
i n d i v i d u a l l y
i n d i c a t e d t o b e
i n c o r p o r a t e d b y
r e f e r e n c e s i n i t s e n t i r e t y .
What s c l a i m e d i s :
1 . A r o c e s s f o r
p r e p a r i n g
a c t i v a t e d c a r b o n c o m p r i s i n g
t h e
s t e p s
o f :
a )
s w e l l i n g a c a r b o n - c o n t a i n i n g m a t e r i a l
i n a
p o l a r o r g a n i c s o l v e n t c o n t a i n i n g z i n c
c h l o r i d e
( Z n C l 2 ) o r t i n
c h l o r i d e ( S n C l 2 ) ;
b )
s e p a r a t i n g s a i d s o l v e n t
f r o m
s a i d
c a r b o n e o n t a i n i n g
m a t e r i a l ; 0 )
c a r b o n i z i n g
s a i d
c a r b o n
c o n t a i n i n g m a t e r i a l
u n d e r n i t r o g e n
a t
a t e m p e r a t u r e i n
t h e
r a n g e f r o m 6 0 0 t o 7 5 0 C . ; a n d d ) s e p a r a t i n g s a i d Z n C l 2
o r S n C l 2 f r o m s a i d
c a r b o n - c o n t a i n i n g m a t e r i a l .
2 . The p r o c e s s
a c c o r d i n g
t o c l a i m 1 , w h e r e i n s a i d o r g a n i c
s o l v e n t
i s
s e l e c t e d
f r o m
t h e
g r o u p
c o n s i s t i n g
o f
p y r i d i n e ,
n - p r o p y l a m i n e ,
n - b u t y l a m i n e , t e t r a h y d r o f u r a n ,
n - m e t h
y l p y r r o l i d i n o n e ,
d i m e t h y l s u l f o x i d e ,
m e t h a n o l , e t h a n o l a n d
i s o p r o p a n o l .
3 . The p r o c e s s a c c o r d i n g
t o
c l a i m 2 ,
w h e r e i n
s a i d s o l v e n t
i s p y r i d i n e .
4 . The p r o c e s s a c c o r d i n g t o c l a i m 1 , w h e r e i n s a i d
c a r b o n
c o n t a i n i n g
m a t e r i a l i s
a
low r a n k
c o a l .
5 . The p r o c e s s a c c o r d i n g
t o
c l a i m 1 ,
w h e r e i n
t h e r a t i o
o f
s o l v e n t
v o l .
i n m l t o
c a r b o n - c o n t a i n i n g m a t e r i a l ( w e i g h t
i n
g )
i s
6 : 1 .
6 . T h e
p r o c e s s
o f
c l a i m
1 ,
w h e r e i n , i n
s a i d
s t e p a ) , s a i d
c a r b o n - c o n t a i n i n g
m a t e r i a l
i s s w o l l e n
i n
a p o l a r o r g a n i c
s o l v e n t
f o r
from
1
hour
t o
24 h o u r s .
7 .
The
p r o c e s s
o f c l a i m
1 ,
w h e r e i n
s a i d
s t e p
c )
o f
c a r b o n i z i n g
s a i d
c a r b o n - c o n t a i n i n g
m a t e r i a l i s c a r r i e d
o u t
f o r 1 5 m i n u t e s .
8 . A r o c e s s
f o r
p r e p a r i n g
a c t i v a t e d
c a r b o n c o m p r i s i n g
t h e s t e p s o f : a ) s w e l l i n g a c a r b o n- c o n t a i n i n g m a t e r i a l
i n
a
p o l a r
o r g a n i c
s o l v e n t
c o n t a i n i n g
z i n c
c h l o r i d e ( Z n C l 2 ) o r t i n
c h l o r i d e
( S n C l 2 ) ;
b )
s e p a r a t i n g
s a i d s o l v e n t f r o m s a i d
c a r b o n - c o n t a i n i n g
m a t e r i a l ; a n d c )
c a r b o n i z i n g
s a i d
c a r b o n
c o n t a i n i n g m a t e r i a l
u n d e r
n i t r o g e n a t
a t e m p e r a t u r e i n t h e
r a n g e from 6 0 0 t o 750 C .
9 . The p r o c e s s o f c l a i m 8 , f u r t h e r c o m p r i s i n g
t h e s t e p
o f ,
a f t e r s a i d s t e p
c ) , s e p a r a t i n g
s a i d
Z n C l 2 o r S n C l 2
f r o m
s a i d
c a r b o n - c o n t a i n i n g
m a t e r i a l .
1 0 . The r o c e s s
o f c l a i m
9 , w h e r e i n s a i d s t e p
o f
s e p a r a t i n g
s a i d
Z n C l 2
o r S n C l 2
f r o m s a i d
c a r b o n - c o n t a i n i n g m a t e r i a l
c o m p r i s e s
w a s h i n g
s a i d c a r b o n - c o n t a i n i n g m a t e r i a l
w i t h
w a t e r .
Top Related