一种富氮活性生物质焦炭及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种富氮活性生物质焦炭的制备方法，包括：(1)将生物质原料在热解炉内炭化，其中炉内为氮气气氛，升温至400-600℃，并维持终温30-60min,初步得到该原料的炭化生物质焦；(2)将上述炭化生物质焦，在惰性气氛下升温至700-900℃，达到设定温度时将炉内惰性气氛切换成水蒸汽气氛，并在此温度下停留30-60min；(3)切换成NH3气氛，将上述步骤(2)处理后得到的产物在700-900℃下置于该气氛中进行氨化表面化学处理，并停留60-100min，然后在惰性保护气氛下冷却至室温，即可得到获得富氮的活性焦炭。本发明专利技术还公开了一种利用上述方法制备的产品。本发明专利技术的方法制备的产品具有活化所带来的良好的孔隙结构和氨化所带来的大量的表面碱性含氮官能团，能够很好的实现在高温下对酸性气体CO2、SO2和NOx的有效吸附。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于生物质制备及应用领域，具体涉及一种富氮活性生物质焦炭及其制备 方法，适用于燃煤电厂等排出的烟气中〇) 2的吸附。
技术介绍
CO2是造成温室效应的主要气体，约占温室气体总量的65-70%，全球性的气候变 暖已经是当今世界所要面对的最大环境问题。目前我国的CO 2年排放总量已经达到60亿 吨，位居世界第一，面临着巨大的国际压力。但是我国以煤炭为主的能源结构长期难以改 变，燃煤电厂一直是我国CO 2排放最主要的来源，其CO2的排放量约占全国同类排放源的 1/3。因此如何控制火电厂的0) 2的排放量，对于减少全球温室气体和控制全球气候变暖趋 势具有非同寻常的意义。 通常在燃煤电厂等烟气排放源其烟囱前段的排烟温度能够达到110°C _160°C，相 对于吸附剂在常温下的高效吸附而言，大部分吸附剂会因温度升高而导致吸附量下降或者 其它气体的干扰而导致选择性变差，使得吸附效率大打折扣。 为提高吸附效率，现有技术中出现了将生物质进行碳化处理后作为吸附剂的方 案，使得对烟气中CO 2的吸附能力有很大的改善。例如，专利文献CN103406096A公开了一种 氮掺杂多孔炭材料及其制备方法，其以含氮的高分子同时作为模板剂和氮源，以生物质衍 生物为碳源，在水热条件下发生水热炭化反应，然后除去模板剂，得到氮掺杂多孔碳材料。 这种氮掺杂多孔炭材料对氢气和二氧化碳有比较好的吸附性能。 但是，上述制备氮掺杂多孔炭材料存在如下问题，使得其工艺条件要求高、工艺复 杂，而且制备得到的产物其高温条件下的吸附性能仍然存在效率不高的缺陷： (1)采用了水热法，虽然温度要求不高但是需在较高的压力容器中进行，对设备抗 压和内部抗腐蚀都是一种考验，技术难度大和安全性比较差，不适合大规模的生产。 (2)上述公开的技术方案中由于水热炭化反应、以及后续的模版剂的去除工艺都 需要较长的反应时间，同时电机的冷却需要大量的水使得这种工艺比较复杂同时消耗更多 的能源。 (3)使用生物质衍生物（葡萄糖、β-环糊精等）作为碳源，含氮的高分子物质作 为氮源制备氮掺杂多孔炭材料，在原材料的选取上无形之中增加了成本。 (4)所制备的氮掺杂多孔炭材料在高温下的吸附效率和特定目标吸附质选择性吸 附值依然比较低，不利于大规模的工程应用。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种富氮活性生物质焦炭及 其制备方法，其通过对生物质原料进行碳化、热解并在氮气气氛下进行活化，从而获得具有 优良结构、表面理化特性极为优化的富氮活性焦炭，本专利技术原材料来源广泛、操作简便、成 本相对低廉且制备的吸附剂具有较好的吸附性能。 为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供一种富氮活性生物质焦炭的制备 方法，其以生物质作为原料，在高温下用水蒸汽和氨气对其进行活化和氨化，从而获得富氮 的活性焦炭，其特征在于，该方法包括： (1)将生物质原料在热解炉内炭化，其中炉内为氮气气氛，升温至400-600°C，并 维持终温30-60min,初步得到该原料的炭化生物质焦； (2)将上述炭化生物质焦，在惰性气氛下升温至700-900°C，达到设定温度时将炉 内惰性气氛切换成水蒸汽气氛并在此温度下停留30-60min ; (3)切换成NH3气氛，将上述步骤（2)处理后得到的产物在700-900°C下置于该气 氛中进行氨化表面化学处理，并停留60-100min，然后在惰性保护气氛下冷却至室温，即可 得到获得富氮的活性焦炭。 作为本专利技术的改进，所述步骤（1)或步骤（2)中的升温速率可以为5-10°C /min。 作为本专利技术的改进，所述氨气与水蒸汽的流量比控制在1 :1?4. 5。 作为本专利技术的改进，生物质原料破碎筛分去除杂质，选取粒径范围为l_2mm。 作为本专利技术的改进，所述生物质可以为棉杆或稻壳。 按照本专利技术的另一方面，提供一种利用上述方法制备的富氮活性生物质焦炭。 按照本专利技术的再一方面，提供一种用于吸附C02、SOjP /或氮氧化物的吸附剂，其 为上述富氮活性生物质焦炭。 总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效 果： (1)通过热解焦炭在高温下的活化工艺，使焦炭在高温下与水蒸汽接触发生氧化 还原反应，生成CO、H2等气体，从而使焦炭表面的孔隙结构得到改善，增大比表面积，提高 物理吸附量。 (2)由于高温下是以化学吸附为主导，通过高温下氨化处理使氨气与炭材料反应 能够在焦炭表面生成一些特定的含氮官能团，这些碱性官能团所提供的活性位点使焦炭在 高温下的吸附量大大增加。 (3)本专利技术与现有工艺和吸附剂相比，其工艺简便，成本优势明显，将活化与氨化 处理两者进行有机结合，在高温下的吸附量要优于传统的活性炭吸附剂。 (4)本专利技术制备的富氮活性生物质焦炭，其表面的理化特性得到了很好的改善，活 化后的焦炭与原始炭化焦相比其比表面积、微孔孔隙率、表面氮元素含量都有了显著的增 加，所得的富氮活性焦通过在120°C热重台架上进行的吸附实验证明活化和富氮处理使CO 2 的吸附量有了显著的增加。 (5)本专利技术中，通过将生物质作为原材料，在高温下用水蒸汽和氨气对其进行活化 和氨化，用得到的富氮活性焦炭来实现对CO 2的吸附。同时由于其表面的物理化学性质这 种富氮活性生物质焦炭也能吸附烟气中的SO2和氮氧化物，被吸附的硫元素可以用来提取 制备液态硫酸，剩下的含氮活性焦炭可以用于土壤改良，充分实现生物质的资源化利用。【附图说明】 图1是按照本专利技术实施例所构建的富氮活性生物质焦炭制备方法的工艺流程图； 图2是按照本专利技术实施例所构建的富氮活性生物质焦炭制备方法中，水蒸汽活化 前后焦炭的扫描电镜图对比示意图，其中（a)为水蒸汽活化前，（b)为水蒸汽活化后； 图3是按照本专利技术实施例所构建的富氮活性生物质焦炭制备方法制备的富氮活 性生物质焦炭与未改性的焦炭FT-IR图； 图4是按照本专利技术实施例所构建的富氮活性生物质焦炭制备方法制备的富氮活 性焦炭与原始炭化焦不同温度下对CO2的吸附对比曲线。【具体实施方式】 为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并 不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。 按照本专利技术第一实施例所构建的按照本专利技术实施例所构建的富氮活性生物质焦 炭制备方法，当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种富氮活性生物质焦炭的制备方法，其以生物质作为原料，在高温下用水蒸汽和氨气对其进行活化和氨化，从而获得富氮的活性焦炭，其特征在于，该方法包括：(1)将生物质原料在热解炉内炭化，其中炉内为氮气气氛，升温至400‑600℃，并维持终温30‑60min,初步得到该原料的炭化生物质焦；(2)将上述炭化生物质焦在惰性气氛下升温至700‑900℃，达到设定温度时将炉内惰性气氛切换成水蒸汽气氛，并在此设定温度下维持30‑60min；(3)切换成NH3气氛，将上述步骤(2)处理后得到的产物在700‑900℃下置于该气氛中进行氨化表面化学处理，并停留60‑100min，然后在惰性保护气氛下冷却至室温，即可得到获得富氮的活性焦炭。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邵敬爱，闻明，陈应泉，张雄，李斌，杨晴，杨海平，张世红，陈汉平，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42