[發(fā)明專利]富含介孔生物炭及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810526515.3
• 申請日: 2018-05-21
• 公開（公告）號: CN108455603B
• 公開（公告）日: 2020-07-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 江霞;成博聞;蔣文舉
• 申請（專利權(quán)）人: 四川大學(xué)
• 主分類號: C01B32/324
• 分類號: C01B32/324
• 代理公司: 成都虹橋?qū)＠聞?wù)所(普通合伙) 51124
• 代理人: 張小麗;梁鑫

本發(fā)明屬于活性炭材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及富含介孔生物炭及其制備方法。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供富含介孔生物炭及其制備方法，利用生物質(zhì)木質(zhì)素具有介孔結(jié)構(gòu)，以及木質(zhì)素炭與纖維素/半纖維素炭降解溫度不同，以植物基生物質(zhì)為原料，經(jīng)過炭化、低溫氧化制得富含介孔的生物炭。該制備方法包括以下步驟：a、在惰性氣體氛圍下，將植物基生物質(zhì)材料在500～900℃進(jìn)行炭化，得到炭化料；b、在200～420℃下，通入空氣，氧化炭化料，得到富含介孔的生物炭。本發(fā)明方法操作簡單、成本低、不添加活化劑、省去了酸洗等復(fù)雜過程，制備工藝簡單，易于工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用，且所得生物炭富含介孔，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，具有優(yōu)異的吸附性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于活性炭材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種富含介孔生物炭及其制備方法。

背景技術(shù)

目前，我國生物質(zhì)廢棄物數(shù)量巨大，占固廢年產(chǎn)量的62.1％，且木質(zhì)纖維素類廢物占比例最高，年產(chǎn)量達(dá)到2.09億噸，主要包括木屑、酒糟、稻殼、椰殼和藥渣等。生物質(zhì)廢棄物的處理方式主要有能源化和肥料化。能源化將生物質(zhì)廢棄物通過微生物發(fā)酵、熱能氣化及液化技術(shù)，實現(xiàn)減量化、資源化，但是，其規(guī)模化利用及市場運(yùn)行模式還存在較多技術(shù)難點。肥料化是指利用生物質(zhì)廢棄物中的有機(jī)物及豐富的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，通過還田、堆肥等技術(shù)轉(zhuǎn)為高效的農(nóng)用肥料，但是，由于植物基生物質(zhì)碳含量太高，該方法對其不適用。植物基生物質(zhì)廢棄物主要組成元素是C、H、O，碳含量通常在35％以上，主要成分包括0-50％木質(zhì)素、10-60％纖維素、10-50％半纖維素等，可作為制備活性炭的炭前驅(qū)體。

活性炭是一種性能優(yōu)良的吸附劑，具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積和穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，因此得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的商業(yè)活性炭大多以煤基活性炭為主，約占活性炭總產(chǎn)量的70％。然而，相比于煤資源的不斷減少及其不可再生性，生物質(zhì)原料來源廣泛、價格低廉、易再生。

然而，一般生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)較差，比表面積和孔容小，僅分別為0-100m²/g和孔容0-0.2cm³/g，需進(jìn)行活化處理改善其孔隙結(jié)構(gòu)?；罨椒ㄖ饕譃槲锢砘罨突瘜W(xué)活化，物理活化法是在高溫?zé)o氧的環(huán)境下用CO₂或者水蒸氣處理生物炭，從而對生物炭進(jìn)行開孔和擴(kuò)孔；物理活化法對環(huán)境污染小，生產(chǎn)工藝簡單，但是活化溫度高，設(shè)備投資大，得率低，且孔隙結(jié)構(gòu)難以控制。化學(xué)活化法是將具有脫水和侵蝕作用的化學(xué)藥品與原料混合浸漬一段時間后，在惰性氣體介質(zhì)中進(jìn)行熱處理，原料中的氫和氧以水的形態(tài)分解脫離，與此同時進(jìn)行炭化和活化，常見的化學(xué)活化劑包括ZnCl₂、KOH、K₂CO₃、H₃PO₄等；化學(xué)活化法雖然活化溫度較低，但是得率低、成本高、對設(shè)備腐蝕性大、容易造成二次污染、工藝復(fù)雜。

活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)決定污染物的擴(kuò)散、傳質(zhì)、吸附、產(chǎn)物的傳輸和儲存等。在炭材料吸附應(yīng)用中，要提高生物炭的吸附能力，生物炭不僅需有高的比表面積和微孔，同時還要有發(fā)達(dá)的介孔。生物炭的介孔結(jié)構(gòu)可吸附尺寸較大的有機(jī)污染物，也可以作為通道促進(jìn)小分子物質(zhì)的吸附，增加傳質(zhì)速度，可以顯著提高活性炭的吸附能力。而且，活性炭的介孔也有利于產(chǎn)物的傳輸和存儲。同時，對于CO₂等具有較高電四極矩的氣體分子，其氣體分子不僅在微孔內(nèi)發(fā)生微孔填充，而且還會在較大的孔道內(nèi)發(fā)生毛細(xì)凝聚。此外，介孔炭在離子傳輸上更具優(yōu)越性，能夠獲得高輸出功率以及快速充放電特性，在電化學(xué)雙層電容器上具有廣泛的應(yīng)用前景。

CN 103288080 A公開了一種制備中孔率高、吸附性強(qiáng)的生態(tài)炭方法，以稻殼粉為原料，經(jīng)粉碎過篩、堿熱處理、低溫空氣預(yù)氧化、炭化活化制得介孔率高、吸附性強(qiáng)的生態(tài)炭。雖然制得的產(chǎn)品介孔率高，吸附性能優(yōu)異，可是，堿熱預(yù)處理過程和空氣預(yù)氧化過程繁瑣，腐蝕性太大，對設(shè)備要求較高，難以大規(guī)模應(yīng)用。CN 1669919A公開了一種生產(chǎn)中孔活性炭的方法，將煙桿粉碎后，經(jīng)磷酸加溫浸漬，微波輻照完成炭化、活化，得到介孔活性炭。這種方法存在的問題是磷酸浸漬過程復(fù)雜，產(chǎn)生氣體腐蝕性大，介孔結(jié)構(gòu)難以控制。