一种氮杂化且孔隙度可控的碳质吸附剂的制备方法技术

一种氮杂化且孔隙度可控的碳质吸附剂的制备方法，以农作物秸秆为原料，采用先低温碳化再高温活化的方法制备，步骤如下：1)将秸秆粉碎成粉粒，置于碳化炉内，在氮气气氛中升温至600℃进行碳化反应2小时；2)将氮气转换为氨气，升温至800℃，进行活化反应1-3小时；3)将氨气转换为氮气，并在氮气气氛中冷却至室温，制得目标产品。本发明专利技术的优点是：1)工艺简单易操作、成本低、适合于大规模生产；2)以农作物秸秆为原料制备的碳质吸附剂，比表面积大、孔隙结构发达、微孔比例可根据反应温度和时间进行调控；3)吸附性能优良，对常见染料的吸附能力优于商业活性炭以及碳纳米材料，且能够循环利用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及化工以及环境保护
，特别是一种氮杂化且孔隙度可控的碳质 吸附剂的制备方法。
技术介绍
农作物秸杆是农业生产的主要副产品。我国作为农业大国，秸杆资源非常丰富，年 产量在7亿吨以上，而且每年还以18.0%的速度不断增加。合理利用秸杆资源，有利于工 业、农业和农村经济的健康发展。但是，近年来由于传统的秸杆利用方式逐渐被弱化和淘 汰，秸杆的综合利用率不足30%。大量剩余秸杆的不当处置（焚烧等）已成为影响生态环 境和社会经济发展的一大障碍。因此，如何科学有效地利用农作物秸杆已成为我国政府和 企业高度关注的重大议题之一。 高温裂解技术被认为是利用农林废弃物的有效方式之一，近年来已得到了广泛应 用。在裂解过程中，生物质通常可分解为气体、液体和固体三相物质。产生的生物油和可燃 气体可用作燃料，而产量更大的固相碳化物质目前主要用于土壤改良剂，产生的附加值较 低，其在更多领域的应用还亟待开发。碳材料（如商业活性炭、碳纳米管、石墨烯等）在环 保、储能、电子、医药等诸多方面具有巨大的应用潜力。例如，从上世纪60年代起，商业超级 电容器几乎100 %都是由碳材料制成。然而，传统的碳材料制备技术，如化学气相沉积、电弧 法等，往往需要繁琐的合成途径以及电化学处理工艺等，费时费力，而且成本较高，限制了 其大规模、低成本生产。因此，以农林废弃物碳化物为碳源，采用低成本、简单易行的制备方 法，将其转变成为应用前景广阔、附加值高的碳材料将具有巨大的科学意义和商业价值。 本专利技术在优化反应温度和反应时间的基础上，采用氨气活化玉米秸杆碳化物的方 法，制备氮杂化的、孔隙结构发达且孔隙度可控的碳质吸附剂，其制备工艺简便，易操作，成 本低，产生的裂解油和可燃气体可重复利用，适合于工厂化批量生产，该碳材料比表面积 大，孔隙结构均匀，微孔比例以及氮元素组成均可根据实际需要进行人为调控，吸附性能优 良且可重复利用，应用前景广阔。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前高附加值碳材料制备工艺繁琐、成本高等问题，提供一 种氮杂化且孔隙度可控的碳质吸附剂的制备方法，该制备方法工艺简便、易于实施，制得的 碳质吸附剂比表面积高、孔隙结构以及氮元素组成可控、吸附性能优良，适于大规模工业生 产。 本专利技术的技术方案： -种氮杂化且孔隙度可控的碳质吸附剂的制备方法，以农作物秸杆为原料，采用 先低温碳化再高温活化的方法制备，步骤如下： 1)将秸杆粉碎成直径不大于2mm的粉粒，置于碳化炉内，在氮气气氛中升温至 600°C进行碳化反应2小时，升温速率为10°C/min，氮气流速为0. 2L/min; 2)碳化过程结束后，将氮气转换为氨气，升温至800°C，升温速率为10°C/min，氨 气流速为〇.lL/min，进行活化反应，活化时间为1-3小时； 3)活化过程完成后，将氨气转换为氮气，并在氮气气氛中冷却至室温，氮气流速为 0. 2L/min，制得目标产品。 本专利技术的优点是：1)工艺简单易操作、成本低、适合于大规模生产；2)以农作物秸 杆为原料制备的碳质吸附剂，比表面积大、孔隙结构发达、微孔比例可根据反应温度和时间 进行调控；3)结合在碳材料表面上的氮元素组成和形态也可根据需要人为调控；4)吸附性 能优良，对常见染料的吸附能力优于商业活性炭以及碳纳米材料，且能够循环利用。【附图说明】 图1为制得的碳质吸附剂对染料亚甲基蓝的吸附实验结果。 图2为利用制得的碳质吸附剂循环吸附亚甲基蓝的可再生实验结果，其中：(a)为 煅烧法，（b)为乙醇解吸法。【具体实施方式】 实施例1 : ，以农作物秸杆为原料，采用 先低温碳化再高温活化的方法制备，步骤如下： 1)将秸杆粉碎成直径不大于2mm的粉粒，置于碳化炉内，在氮气气氛中升温至 600°C进行碳化反应2小时，升温速率为10°C/min，氮气流速为0. 2L/min; 2)碳化过程结束后，将氮气转换为氨气，升温至800°C，升温速率为10°C/min，氨 气流速为〇.lL/min，进行活化反应，活化时间为1小时； 3)活化过程完成后，将氨气转换为氮气，并在氮气气氛中冷却至室温，氮气流速为 0. 2L/min，制得目标产品，产品标号为800-1。 实施例2 : -种氮杂化且孔隙度可控的碳质吸附剂的制备方法，步骤与实施例1基本相同， 不同之处在于：活化反应时间为2小时，产品标号为800-2。 实施例3: -种氮杂化且孔隙度可控的碳质吸附剂的制备方法，步骤与实施例1基本相同， 不同之处在于：活化反应时间为3小时，产品标号为800-3。 产品检测： 利用比表面积测定仪、X射线光电子能谱、拉曼光谱、X射线衍射和透射电镜分别 对制得的氮杂化且孔隙度可控的碳质吸附剂进行检测。 1)产品比表面积及孔隙结构如表1所示。表1 2)产品表面元素组成（wt% )如表2所示。表 2 3)产品表面氮元素形态及组成（wt%V如表3所示。'表 3 检测结果表明：产品比表面积、微孔（孔径<2nm)比例均随着活化时间的延长而 增大，比表面积从139.lm2/g增加到481. 7m2/g，微孔率从23. 9%增加到71. 5%。可见，通 过改变氨气活化时间可以调控该产品的比表面积和微孔比例，以适应不同的应用需要。此 外，该产品表面结合的氮元素主要以吡啶氮、吡咯氮和石墨化氮为主，其中石墨化氮的比例 也可随活化时间的延长而逐渐增加。不同形态的氮元素具有不同的功能特点，因而在实际 应用中可通过改变该产品的氮元素组成形态以适用于不同需求。 所制备的氮杂化且孔隙度可控的碳质吸附剂的应用实例，步骤如下： 1)准确称取经研磨至150ym的干燥且孔隙度可控的碳质吸附剂样品20mg，置于 100mL具磨口塞的锥形瓶中，加入10mL预先配好的0.lmol/L硝酸钠电解液，盖紧瓶盖，静置 24小时以使样品完全润湿； 2)加入40mL的亚甲基蓝溶液，然后将锥形瓶置于水平震荡机上以150转/min的 速度室温下混合24小时，以保证达到吸附平衡； 3)取上清液于光径为1cm的比色皿中，用分光光度计在波长665nm下测定亚甲基 蓝的吸光度，根据标准曲线最终得到样品的亚甲基蓝平衡吸附值。 图1为制得的碳质吸附剂对染料亚甲基蓝的吸附实验结果，检测结果表明：最高 吸附容量可达436mg/g，显著高于传统方法制备的氮杂化多孔碳材料以及商业碳纳米材料 (包括碳纳米管、石墨烯）。 以活化3小时的碳材料为例，分别采用煅烧法和乙醇解吸法测定本产品的可再生 性： 1)煅烧法：将一定量吸附平衡后的碳材料冷冻干燥、称重，然后置于马弗炉于 300°C下煅烧1小时。待自然冷却后，利用再生的碳材料重复上述对染料的吸附实验； 2)乙醇解吸法：将吸附平衡的碳材料冷冻干燥、称重，按固液比20mg:40mL浸入 60wt%的乙醇溶液中，150转/min的速度震荡24小时。抽滤并60°C温度下烘干碳材料，重 复染料的吸附实验。利用以上两种回收方式，共进行5次碳材料的循环利用。 图2为利用制得的碳质吸附剂循环吸附染料亚甲基蓝的可再生实验结果，其中： (a)为煅烧法，（b)为乙醇解吸法。图中表明：两种方法均可较好的回收再利用该吸附剂，再 生后的吸附剂能够保证较强的吸附能力，说明本产品在实际应用中具有较好的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮杂化且孔隙度可控的碳质吸附剂的制备方法，其特征在于：以农作物秸秆为原料，采用先低温碳化再高温活化的方法制备，步骤如下：1)将秸秆粉碎成直径不大于2mm的粉粒，置于碳化炉内，在氮气气氛中升温至600℃进行碳化反应2小时，升温速率为10℃/min，氮气流速为0.2L/min；2)碳化过程结束后，将氮气转换为氨气，升温至800℃，升温速率为10℃/min，氨气流速为0.1L/min，进行活化反应，活化时间为1‑3小时；3)活化过程完成后，将氨气转换为氮气，并在氮气气氛中冷却至室温，氮气流速为0.2L/min，制得目标产品。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：廉菲，崔冠男，刘仲齐，宋正国，
申请(专利权)人：农业部环境保护科研监测所，
类型：发明
国别省市：天津;12