[發明專利]氮摻雜生物炭材料的制備及提高暗發酵產氫性能的方法

有效

• 申請號: 202010054371.3
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111111739B
• 公開（公告）日: 2022-10-25
• 發明（設計）人: 張記市;楊夢琛;趙文謙;臧立華
• 申請（專利權）人: 齊魯工業大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/10
• 代理公司: 濟南竹森知識產權代理事務所(普通合伙) 37270
• 代理人: 朱家富;孫憲維

本發明提供一種生產工藝簡單、綠色成本低的氮摻雜生物炭，并將其首次應用到氮摻雜生物炭中來提高暗發酵產氫性能過程中。所述氮摻雜生物炭材料以玉米芯粉末和三聚氰胺為原料，通過高壓、高溫蒸煮，活化劑浸漬，氮氣氛圍炭化，洗滌，干燥，最終得到具有高氮摻雜的生物炭材料，克服了現有技術中氮摻雜炭材料制備過程中含氮量低，成本高，過程復雜的問題以及暗發酵產氫效率低的瓶頸。

技術領域

本發明涉及復合材料合成及清潔能源生產領域，涉及一種氮摻雜生物炭材料的制備及提高暗發酵產氫性能的方法。

背景技術

氫氣被認為是一種最理想的清潔能源，由于它無污染、可再生、熱值高，是化石燃料理想的替代能源，但目前諸多制氫技術存在著成本高或污染嚴重的缺陷，難以實現工業化推廣利用。在諸多氫氣生產方法中，生物制氫有著原料來源廣泛、價格低廉、反應過程溫和、產物污染小且可再生等優點。生物制氫法包括光驅動制氫和暗發酵制氫兩種途徑。暗發酵制氫以葡萄糖等有機物為底物，原料來源廣泛廉價易得；制氫效率高于光驅動制氫；不需要光照，反應條件易于實現。因此，暗發酵制氫將會以后的普遍趨勢。

在暗發酵產氫過程中添加碳材料作為微生物載體可以有效促進暗發酵微生物的新陳代謝。同時，碳材料又可以為微生物的生長繁殖提供固定居所，微生物菌群在碳材料表面上得到高效富集，使其對營養物質的攝取更加充分，便于微生物能更好地將有機物質轉化為氫氣或者甲烷。某些碳材料(如石墨、納米炭管)具有較大的比表面積、豐富的孔徑結構和良好的導電性能。通過添加這類碳材料能夠實現生物反應器以較高的有機負荷穩定運行，以增加氫氣和甲烷的生成；其次，碳材料具有較強的吸附能力，可吸附一定量的抑制性底物，減輕厭氧微生物生境的惡化(如緩解氨抑制和有機酸積累現象)。某些碳材料還能有效地改善厭氧消化在低pH條件下的性能，提高體系的穩定性。

但是當碳材料的添加量過高時，在液相中的碳材料可能形成泡沫并封裝厭氧菌；增大了厭氧菌與底物之間的距離，造成厭氧菌因營養不足而死亡，影響了暗發酵效率；另一方面，炭布，炭氈、石墨下腳料等碳材料應用于厭氧消化或暗發酵產氫過程中易被腐蝕成細小的碎片而不易回收。因此需要提供一種活性高、成本低、投加量少的碳材料。氮摻雜炭是一種新型的碳材料，通過氮原子的引入使材料表現出優異的導電性能及電子傳輸能力，使得碳材料具有了一定的堿性及催化性能。

制備氮摻雜炭的方法有很多種，但是存在著成本高，過程復雜等問題。簡化制備工藝，降低成本，是制備氮摻雜炭材料需要重點解決的問題。中國專利文獻CN 109701493A(申請號201910147971.1)提供了一種氮摻雜生物炭的制備方法將預處理后的植物廢料、氯化銨、氯化鋅和水混合，進行水熱反應，得到氮摻雜生物炭。但是，該方法的制備過程中需要經過水熱反應，容易受水熱反應釜的體積以及水熱法對設備的耐高壓、高溫等諸多特殊要求的限制。水熱反應的缺點是反應時間比較長，獲得的產品比表面積比較小。且該方法所得氮摻雜生物炭的氮摻雜量低，不利于規模化生產。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術中氮摻雜炭材料制備過程中含氮量低，成本高，過程復雜的缺陷以及暗發酵產氫效率低的問題，提供一種生產工藝簡單、綠色環保、成本低廉的氮摻雜生物炭，并將其首次應用到氮摻雜生物炭中來提高暗發酵產氫性能過程中。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種氮摻雜生物炭材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)首先將玉米芯粉碎，過篩40目，然后105℃干燥24h，得玉米芯粉末待用；

(2)取一定質量的玉米芯粉末和三聚氰胺加入一定量的去離子水，放入高壓蒸汽滅菌鍋里，在一定溫度下蒸煮一定時間降至室溫后取出，進行固液分離，在一定條件下真空干燥，取出干燥后樣品；

(3)取步驟(2)中所得樣品加入一定量的活化劑溶液，浸漬一定時間后，進行真空干燥，然后取出樣品；