[發明專利]一種真空冷凍干燥制備生物質活性炭的方法

在審

• 申請號: 201710238091.6
• 申請日: 2017-04-13
• 公開（公告）號: CN106809834A
• 公開（公告）日: 2017-06-09
• 發明（設計）人: 張賢文;劉建華;朱國婷;付一軒
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: C01B32/348
• 分類號: C01B32/348;C01B32/324
• 代理公司: 北京華仁聯合知識產權代理有限公司11588
• 代理人: 彭淋

技術領域

本發明涉及活性炭制備技術領域，尤其涉及的是以農作物廢棄物作為碳源結合酸性水熱處理和真空冷凍干燥技術制備生物質活性炭的方法。

背景技術

我國生物質資源豐富，但是大量生物質卻被直接焚燒、廢棄，無法有效利用，這不僅給環境造成污染，也是造成資源的浪費，因此如何高效的利用生物質資源已經成為國家和社會嚴重關切的問題。目前存在多種生物質利用技術，包括生物質清潔燃燒技術，生物質氣化、液化轉化技術等，在能源和化工方面得到合理的利用。近年來，生物質炭化轉化為活性炭技術在環境保護方面存在特有的優勢，引起社會的廣泛關注，可用于水體污染物和揮發性有機化合物吸附。這主要歸因于活性炭擁有發達的空隙結構，超大的比表面積，在吸附性過程中庫層阻力小，化學性能穩定。除此之外，生物質活性炭經過簡單加工易再生，能夠被循環利用，因此在多個領域被廣泛應用，如高純度的生活用水的凈化，工農業廢水深度脫色、除臭、重金屬吸附，化學揮發氣體吸附等。

目前生物質活性炭的制備方法主要有兩種：物理活化法和化學活化法，因其機理不同，各有優缺點。物理活化法是指在高溫下用二氧化碳、水蒸氣等氧化性氣體和碳材料發生反應，從而形成多孔結構的碳材料，但是此方法制備活性炭存在比表面積較小，對氣體和工業廢水中重金屬吸附性能差，吸附污染物種類單一等缺點。化學活化法指的是將活化劑加入到原材料中，由惰性氣體的保護下熱解，同時發生炭化和活化過程的方法。中國專利CN105219417A，名稱為“生物質熱解系統對生物質進行熱解的方法”，研究生物質熱解系統對生物質進行熱解。中國專利CN101847481A，名稱為“廢棄生物質制備C-Fe殼核磁性活性炭的新工藝”，將秸稈或木屑與氯化鋅和氯化鐵混合液進行混合，然后在裂解爐中通入氮氣700℃進行裂解。中國專利CN105664849A，名稱為“一種以山核桃殼-玉米秸稈為原料制備混合基生物質活性炭的方法”，將山核桃殼與玉米秸稈按比例混合經過炭火活化等步驟制得活性炭材料。目前化學活化法制備活性炭過程中還存在很多問題，比如比表面積的提升，孔洞大小分布的優化，對分子大小不一的污染物協同吸附能力弱，同時在生產中會產生一定的環境污染。基于目前所存在諸多問題，我們發明一種采用酸性水熱處理和冷凍干燥方法制備生物質活性碳的方法，所得產品比表面積大、吸附性能優異、污染程度低。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供了一種真空冷凍干燥制備生物質活性炭的方法。

本發明是通過以下技術方案實現的：一種真空冷凍干燥制備生物質活性炭的方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一、原料破碎，取生物質原料烘干后粉碎至過80目篩待用；

步驟二、酸處理，取破碎后的生物質粉末于酸性溶液中分散均勻，于80℃～180℃烘箱中水熱法加熱1h～4h，固液分離后獲得黑色中間產品；

步驟三、活化浸泡，將上述黑色中間產品置于堿溶液中攪拌分散獲得分散液；

步驟四、冷凍干燥，使用液氮將步驟三獲得的分散液進行冷凍，待冷凍完全后將其置于冷凍干燥機中進行干燥，得到蓬松多孔中間產品；

步驟五、高溫活化，在氮氣保護氛圍中將所述蓬松多孔中間產品加熱活化，獲得粗品；

步驟六、酸洗，使用酸洗液清洗所述粗品，再使用沸水淋洗至中性，烘干后獲得生物質活性炭。

作為對上述方案的進一步改進，所述步驟一中，生物質原料在100℃的環境中干燥24h后再進行粉碎,高溫下充分干燥，有利于下一步粉碎操作的進行。

作為對上述方案的進一步改進，所述步驟二中，所述酸性溶液選用質量分數為10％的酒石酸溶液，所述酸性溶液與生物質粉末之間的液固比為12ml/g。酒石酸是一種弱酸，相比其他酸性溶液可以更好的去除生物質中部分組分，造成孔洞效應。

作為對上述方案的進一步改進，所述步驟二中，使用超聲分散20min～40min使所述生物質粉末在酸性溶液中分散均勻，再將水熱釜置于烘箱中加熱。

作為對上述方案的進一步改進，所述步驟三中，所述堿溶液是氫氧化鉀溶液或氫氧化鈉溶液中的一種或兩種，所述堿溶液的濃度為1.5g/ml，所述堿溶液與所述黑色中間產品的液固比為10ml/g，攪拌分散的時間為2h～3h。堿液處理后高溫熱解活化，可以進一步形成空洞效應，提高比表面積。