一种甘蔗渣制备碳纳米球工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种甘蔗渣制备碳纳米球工艺,包括原料选择工序、水热反应工序以及碳球分离工序，原料选择工序中，选用甘蔗渣，将甘蔗渣置于溶剂中，使得甘蔗渣中的纤维素和半纤维素溶解在溶剂中，将溶剂过滤得到滤液，将滤液送入水热反应工序中进行水热反应。本发明专利技术将甘蔗渣中小分子糖的溶出，再利用所得的小分子糖溶液用水热法制备碳球。甘蔗渣是制糖工业副产品，主要的成分是纤维素占32‑48％，其次是木质素和半纤维素，分别占23‑32％和19‑24％，是一种含丰富碳源的材料，利用甘蔗渣制备碳材料是甘蔗渣高值化综合利用的一种新途径。由废弃生物质这一廉价原料作为碳源制备碳球，不仅降低了碳球的生产成本，还实现了废物的资源化，具有重要的实践合社会经济意义。

Process for preparing carbon nano ball from Bagasse

The invention relates to a bagasse preparation of carbon nanometer ball technology, including raw material selection process, hydrothermal process and carbon ball separation process, raw material selection process, selection of bagasse, bagasse in solvent, the bagasse cellulose and hemicellulose is dissolved in the solvent, the solvent is filtered to obtain filtrate the filtrate, into the hydrothermal reaction hydrothermal reaction process. The invention solves the problem that the small molecular sugar of the bagasse is dissolved, and the small molecular sugar solution is obtained by using the method of preparing the carbon ball by hydrothermal method. Bagasse is a by-product of the sugar industry, the main component is cellulose 48% accounted for 32, followed by lignin and hemicellulose accounted for 23, 32% and 19 24%, is a rich source of carbon materials, carbon materials were prepared by using bagasse bagasse is the high value of a new way of comprehensive the use of the. The preparation of carbon spheres from the cheap raw material of waste biomass as carbon source, not only reduces the production cost of carbon spheres, but also realizes the recycling of wastes.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种甘蔗渣制备碳纳米球工艺，属碳材料制备领域。
技术介绍
由于其优良的导热性、化学惰性、耐热性和导电性，碳材料已经被广泛地运用于化工、机械、电池和航空领域。不同形貌的碳材料在许多方面有着不同的应用价值，具有独特结构的碳材料已经引起了广泛的关注。碳球由于较大的比表面积、密度低、物理化学性质稳定等优点，作为一种重要的碳材料在催化剂载体、润滑剂、锂离子电池负极材料和气体吸附材料等方面具有广泛的应用。在20世纪60年代，人们发现沥青类化合物在热处理过程中会发生中间相的转变生成球形碳材料。目前水热或者溶剂法是制备碳球比较普遍的方法，因为这两种方法不需要复杂先进的反应设备，而且操作简单，产物较纯。水热反应过程比较复杂，在这种高温和高压的超临界水热条件下，反应处于分子水平，大大提高反应活性，在沉淀或者难溶物质与水的界面处，形成分散的纳米晶核，在适宜条件下晶核生长形成碳球。比如Wang等人[Q.Wang,H.Li,L.Chen,Monodispersedhardspheruleswithuniformnanopores,Carbon39(2001)2211-2214.]以蔗糖为碳源，用水热法制得碳球。他们首先将蔗糖溶液置于高压反应釜中，经过190度水热反应5小时，然后产物在氩气保护下，在马弗炉中经过1000度石墨化，最后得到光滑表面的碳球。Xie等人[Y.Xie,Q.Huang,B.Huang,Preparationofhighpuritycarbonnanospheresbythechemicalreactionofcalciumcarbideandoxalicacid,Carbon47(2009)2292-2295.]把电石和草酸混合，接着在高压釜中65度反应，也制得粒径均一的碳球。Wang等人[Q.Wang,F.Cao,Q.Chen,Preparationofcarbonmicro-spheresbyhydrothermaltreatmentofmethylcellulosesol,Mater.Lett.59(2005)3738-3741.]把甲基纤维水溶胶放进高压釜中在400度水热反应6小时，得到表面光滑的碳球。可见碳球的制备技术已经受到科研工作者的广泛关注。到目前为止，对于碳球的形成机制还没有被完全研究，但人们对碳球形成过程提出了一些假说。例如Lamer[V.K.Lamer,Nucleationinphasetransition,Ind.Eng.Chem.44(1952)1270-1277.]认为，在水热条件下，首先发生葡萄糖分子间的脱水聚合，生产芳香类化合物和寡聚糖，当溶液达到临界过饱和度的时候，线状或者枝状的寡聚糖或者其他的带羧酸基的大分子将进行分子间的脱水，相互交连而碳化并聚成核。接着生长基元在此核表面均匀地聚合生长，直到反应终止，最后成碳球形状。后来Wang等人[Q.Wang,H.Li,L.Q.Chen,NovelsphericalmicroporouscarbonasanodematerialforLi-ionbatteries,SolidStateIonics152-153(2002)43-50.]以蔗糖为原料制备碳球并提出了乳液聚合机理。他们认为首先相邻的蔗糖分子之间脱水聚合，形成含憎水烷基和亲水羟基的两性大分子化合物，当蔗糖分子聚合到临界胶束浓度时，两性化合物形成球形胶束，其中憎水基团在球的内部，亲水基团在外部。随着聚合的继续进行，表面的羟基与邻近自由分子发生脱水反应，形成胶束开始长大，当蔗糖分子消耗完毕时，碳球增长停止。最近，Zhang等人[M.Zhang,H.Yang,Y.Liu,Hydrophobicprecipitationofcarbonaceousspheresfromfructosebyahydrothermalprocess,Carbon50(2012)2155-2161.]提出了碳球的疏水沉淀形成机理。他们以果糖水热制碳球为模型，提出了碳球形成的四个步骤，1)果糖分子内脱水生产羟甲基糖醛，2)羟甲基糖醛单体缩聚脱水，最终这些单体缩聚形成三维网状结构，3)随着羟甲基糖醛单体不断的缩聚使得羟基不断减少，分子簇逐渐变为疏水性，导致这些分子簇从溶液中沉淀出来，4)一次粒子表面含有许多官能团，这些官能团相互作用聚集形成大颗粒。可见选择不同的碳源材料进行水热法合成碳球时，可能经历不同的合成/生长机制。传统的水热法制备碳纳米球一般是采用小分子生物质原料为碳源，如蔗糖、葡萄糖和微晶纤维素等，以水或者其他溶剂作为反应介质，在一定温度的烘箱中反应若干小时，最后得到具有完美外表面的硬质碳球。如申请公布号CN105347328A，名称为“一种以蔗糖为碳源制备单分散碳微球的方法”的中国专利技术专利申请中，公开了一种以蔗糖为碳源制备单分散碳微球的方法，其具体制备步骤为：1)、首先，将适量的蔗糖和聚丙烯酸钠充分溶解在一定量水中形成透明的溶液；2)、将上述溶液缓缓加入到水热釜中，放入已设好温度的烘箱中反应；3)、反应一段时间后将釜从烘箱中取出冷却，然后取出所得碳材料用去离子水和乙醇洗涤过滤，最后所得产物放在烘箱中烘干即得单分散碳微球。传统的这类碳纳米球制备工艺，成本相对较高。鉴于此，本专利技术人对上述问题进行深入的研究，遂有本案产生。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种操作简易、成本低的甘蔗渣制备碳纳米球工艺。为了达到上述目的，本专利技术采用这样的技术方案：一种甘蔗渣制备碳纳米球工艺,包括原料选择工序、水热反应工序以及碳球分离工序，原料选择工序中，选用甘蔗渣，将甘蔗渣置于溶剂中，使得甘蔗渣中的纤维素和半纤维素溶解在溶剂中，将溶剂过滤得到滤液，将滤液送入水热反应工序中进行水热反应。作为本专利技术的一种优选方式，以质量百分比计，所述甘蔗渣中纤维素占32-48％，木质素占23-32％，半纤维素占19-24％。作为本专利技术的一种优选方式，所述溶剂为硫酸溶液，硫酸溶液中硫酸的质量浓度为45-70％。作为本专利技术的一种优选方式，在所述原料选择工序中，将甘蔗渣置于硫酸溶液中，在室温下放置20至24小时后，向溶剂中加水使得硫酸质量浓度减小至5％。作为本专利技术的一种优选方式，所述硫酸溶液中硫酸的质量浓度为70％。作为本专利技术的一种优选方式，在所述水热反应中，将所述滤液置于反应釜中，放入烘箱中，在180-200摄氏度下反应4-6小时，经所述碳球分离工序后，得到直径在200-600纳米的碳球。作为本专利技术的一种优选方式，所述溶剂为硫酸、磷酸以及水的混合溶液，混合溶液中，硫酸与磷酸的重量比为3:7,其中，硫酸在混合溶液中的质量浓度为12-21％，将甘蔗渣置于混合溶液中，在室温下放置20至24小时后，向溶剂中加水使得硫酸质量浓度减小至8％。作为本专利技术的一种优选方式，所述硫酸在所述混合溶液中的质量浓度为21％。作为本专利技术的一种优选方式，在所述水热反应中，将所述滤液置于反应釜中，放入烘箱中，在180-200摄氏度下反应6小时，经所述碳球分离工序后，得到直径在2-6微米的碳球。采用本专利技术的技术方案后，将甘蔗渣中小分子糖的溶出，再利用所得的小分子糖溶液用水热法制备碳球。甘蔗渣是制糖工业副产品，主要的成分是纤维素占32-48％，其次是木质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种甘蔗渣制备碳纳米球工艺,包括原料选择工序、水热反应工序以及碳球分离工序，其特征在于：原料选择工序中，选用甘蔗渣，将甘蔗渣置于溶剂中，使得甘蔗渣中的纤维素和半纤维素溶解在溶剂中，将溶剂过滤得到滤液，将滤液送入水热反应工序中进行水热反应。

【技术特征摘要】
1.一种甘蔗渣制备碳纳米球工艺,包括原料选择工序、水热反应工序以及碳球分离工序，其特征在于：原料选择工序中，选用甘蔗渣，将甘蔗渣置于溶剂中，使得甘蔗渣中的纤维素和半纤维素溶解在溶剂中，将溶剂过滤得到滤液，将滤液送入水热反应工序中进行水热反应。2.如权利要求1所述的一种甘蔗渣制备碳纳米球工艺,其特征在于：以质量百分比计，所述甘蔗渣中纤维素占32-48％，木质素占23-32％，半纤维素占19-24％。3.如权利要求2所述的一种甘蔗渣制备碳纳米球工艺,其特征在于：所述溶剂为硫酸溶液，硫酸溶液中硫酸的质量浓度为45-70％。4.如权利要求3所述的一种甘蔗渣制备碳纳米球工艺,其特征在于：在所述原料选择工序中，将甘蔗渣置于硫酸溶液中，在室温下放置20至24小时后，向溶剂中加水使得硫酸质量浓度减小至5％。5.如权利要求4所述的一种甘蔗渣制备碳纳米球工艺,其特征在于：所述硫酸溶液中硫酸的质量浓度为70％。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴启辉，
申请(专利权)人：泉州师范学院，
类型：发明
国别省市：福建;35