[發(fā)明專利]一種有機(jī)固體廢棄物摻氮水熱及活化制備高性能多孔碳材料的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910629785.1
• 申請日: 2019-07-12
• 公開（公告）號: CN110342512B
• 公開（公告）日: 2021-04-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉歡;肖康鑫;李楊;汪家興;姚洪
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: C01B32/348
• 分類號: C01B32/348;C01B32/324
• 代理公司: 北京中濟(jì)緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 陸薇薇

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種有機(jī)固體廢棄物摻氮水熱及活化制備高性能多孔碳材料的方法。本發(fā)明方法利用椰殼、橙皮、煙蒂、木屑作為有機(jī)固體廢棄物，三聚氰胺、尿素、雙氰胺等有機(jī)氮源為水熱摻氮?jiǎng)ㄟ^有機(jī)固廢水熱過程氮源同步摻雜方法制備出摻氮水熱炭，再以摻氮水熱炭為前驅(qū)體，分別和碳酸鉀、碳酸氫鉀或氫氧化鉀活化劑固相混合后進(jìn)行活化處理，制備出富含微孔及介孔結(jié)構(gòu)，比表面積高達(dá)1526?3365 m²/g的多孔碳材料，同時(shí)此類碳材料表現(xiàn)出優(yōu)異的甲苯吸附和碘吸附能力。該方法工藝簡單，條件易控，實(shí)用性強(qiáng)，在污染物吸附治理領(lǐng)域具有可觀的應(yīng)用前景，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于多孔碳材料領(lǐng)域，特別涉及一種有機(jī)固體廢棄物摻氮水熱及活化制備高性能多孔碳材料的方法，可用于將有機(jī)固體廢棄物高值化應(yīng)用于污染物吸附領(lǐng)域。

背景技術(shù)

多孔碳材料憑借孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、化學(xué)穩(wěn)定性良好、可循環(huán)再生等優(yōu)良性質(zhì)廣泛應(yīng)用于空氣污染治理、氣體分離及儲能等吸附領(lǐng)域。在多孔碳材料制備的預(yù)炭化過程中，水熱碳化處理憑借無需脫水，固體產(chǎn)物水熱炭表面活性高、活化潛力可觀等特點(diǎn)，成為理想的預(yù)炭化方法。水熱炭作為理想的多孔碳前驅(qū)物，可通過活化過程形成吸附性能優(yōu)異的多孔碳材料。

在多孔碳的吸附應(yīng)用過程中，材料的孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)是影響吸附性能的關(guān)鍵因素。當(dāng)前眾多國內(nèi)外學(xué)者利用雜原子摻雜技術(shù)改善多孔碳表面化學(xué)性質(zhì)，以提升多孔碳對特定吸附對象的吸附能力。其中：中國專利文獻(xiàn)CN107697915A公開了采用絲素蛋白和端氨基超支化聚合物為氮源制備氮摻雜多孔碳材料的方法，但其中涉及到生物質(zhì)原料的預(yù)炭化、氮源溶液浸漬、摻氮熱處理、活化劑浸漬及高溫活化多個(gè)步驟，摻氮過程較為繁瑣耗時(shí)，因此在實(shí)際推廣應(yīng)用中存在一定難度。中國專利文獻(xiàn)CN109251031A公開了采用微波輔助水熱摻入五硼酸銨四水，再高溫?zé)峤獾玫脚鸷繛?0.19~13.05wt.%，氮含量為15.13~19.5wt.%的多孔碳進(jìn)行超級電容應(yīng)用，但由于未利用活化劑進(jìn)行活化，其比表面積低于1000m²/g，孔隙結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步提升。中國專利文獻(xiàn)CN109354006A公開了采用水熱摻氮前驅(qū)體，利用分子篩模板高溫制備多孔碳的技術(shù)方案，但在分子篩結(jié)構(gòu)影響下，多孔碳孔隙結(jié)構(gòu)以介孔為主，比表面積最高為910.82m²/g，同時(shí)對氣體吸附其主導(dǎo)作用的微孔特征不明顯。

活化處理相比一般高溫處理可以有效提升多孔碳材料的孔隙結(jié)構(gòu)，而最終的活化效果與活化原料的理化性質(zhì)密切相關(guān)，具備豐富活化位點(diǎn)的原料經(jīng)活化處理能轉(zhuǎn)變?yōu)榭紫督Y(jié)構(gòu)更為發(fā)達(dá)的多孔碳材料。

上述現(xiàn)有的技術(shù)方案中，涉及采用傳統(tǒng)的浸漬加熱處理摻氮方式，過程較為繁瑣耗時(shí)；另外，采用水熱過程氮源同步摻雜方法制得的摻氮中間產(chǎn)物，通過高溫處理后得到的多孔碳材料孔隙結(jié)構(gòu)大多在1000 m²/g以下，低于一般活化處理所得多孔碳材料。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)和/或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種有機(jī)固體廢棄物摻氮水熱及活化制備高性能多孔碳材料的方法，以有機(jī)固體廢棄物為碳基原料，實(shí)現(xiàn)水熱預(yù)炭化過程中氮元素同步摻雜，經(jīng)活化處理最終得到孔隙結(jié)構(gòu)高度發(fā)達(dá)的多孔碳材料，并表現(xiàn)出對污染物的高吸附性能，具有良好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種有機(jī)固體廢棄物摻氮水熱及活化制備高性能多孔碳材料的方法，包括如下步驟：

步驟1. 將有機(jī)固體廢棄物充分粉碎篩分后得到有機(jī)固廢粉末，再將有機(jī)固廢粉末與摻氮?jiǎng)┗旌暇鶆颍尤胨纬晒桃夯旌衔铮凰鲇袡C(jī)固體廢棄物至少包括木屑、橙皮、椰殼、煙蒂中的任意一種，所述摻氮?jiǎng)┲辽侔ㄈ矍璋贰⒛蛩亍㈦p氰胺中的任意一種；

步驟2. 將固液混合物置于反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱碳化反應(yīng)，其中，反應(yīng)溫度為160~220°C，反應(yīng)時(shí)間為10~180min，反應(yīng)壓力為1.5~3.3Mpa；反應(yīng)結(jié)束后通過對產(chǎn)物進(jìn)行抽濾、清洗、烘干，得到固體，即摻氮水熱炭；