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 .