衍生自经预处理的生物质的专用活性碳制造技术

提供了用于从糖水解后从纤维素或木质纤维素生物质产生的木质素残留物产生活性碳的方法、系统和组合物。活性碳的灰分和硫含量低，氧含量和碘值高。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】衍生自经预处理的生物质的专用活性碳交叉引用本申请要求2015年9月16日提交的美国临时申请第62/219,476号的权益，该申请通过引用整体并入本文。专利技术背景目前，可发酵精制的C6糖的全球供应的大部分通过处理富含淀粉的可再生原料衍生而来。在该处理之后剩余的富含木质素的残留物(木质素材料)是迄今为止发现的经济用途很少的产品。活性碳(也称为活性木炭(activatedcharcoal)或活性煤(activatedcoal))是具有微孔结构的木炭产品，其通过其孔隙率展现显著的比内表面积。其具有许多用途，包括吸附不想要的材料。本公开解决了本领域中未满足的需求并且涉及从木质纤维素残留物生产专用活性碳。通过引用并入本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请通过引用并入本文，就如各个单独出版物、专利或专利申请被具体和单独地指出以引用方式并入本文的程度一样。附图简述在所附权利要求中特别阐述了本专利技术的新颖特征。通过参考阐述其中利用本专利技术原理的说明性实施方案的以下详细描述以及所述实施方案的附图来获得对本专利技术的特征和有利方面的更好理解：图1是描绘若干阶段性预处理过程之一，显示生物质原料进入预处理和水解处理系统，从而从木质素残留物固体产物产生糖水解产物(糖流)和活性碳的框图。图2比较了不同活性碳相较于样品EE-634A2的孔容积。图3是描绘各种活性碳相较于样品EE-634A2的原始表征数据的图表。图4a和4b是描绘各种活性碳相较于样品EE-634A2的基于容积的差异特性曲线的图表。图5是描绘各种活性碳相较于样品EE-634A2的MTBE吸附等温线的图表。图6a和6b是分别描绘了各种活性碳相较于样品EE-634A2的苯和苯酚的吸附等温线的图表。图7是描绘各种活性碳相较于样品EE-634A2的孔径尺寸分布的图表。专利技术详述如本说明书和所附权利要求中所用，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一个/种(a)”、“一个/种(an)”和“the(该)”包括复数指示物。因此，例如，提及“纯化的单体”包括两种或更多种纯化的单体的混合物。如本文中所使用，术语“包含”与“包括”、“含有”或“特征在于”同义，并且是包含性的或开放性的，并且不排除另外的未列举的元素或方法步骤。“约”意指被引用的数字指示加上或减去该被引用的数字指示的10％。例如，术语约4将包括3.6至4.4的范围。在说明书中使用的表示成分量、反应条件等的所有数字应被理解为在所有情况下都被术语“约”修饰。因此，除非指出有相反情况，否则本文中所述的数值参数是近似值，其可根据寻求获得的期望的性质而变化。在最低限度，并且不试图限制对要求本申请的优先权的任何申请中的任何权利要求的范围应用等同原则，应该根据有效数字个数和通过普通四舍五入方法来解释每个数字参数。在本文中使用短语“例如”、“诸如”、“包括”等的任何地方，除非另有明确说明，否则短语“但不限于”被理解为遵循。因此，“例如乙醇生产”意指“例如但不限于乙醇生产”。引言也称为活性木炭或活性煤的活性碳是具有微孔结构的木炭产品，其通过其多孔度展现出显著的比内表面积。其具有许多用途，包括吸附不想要的材料。因此，其可用于水净化、污水处理、气体净化、脱咖啡因、黄金净化、防毒面具和呼吸器中的空气过滤器、压缩空气中的过滤器、金属提取、脱色、医疗用途、缓释肥的氮吸收、吸音和许多其他应用。由于活性碳具有如此多的用途，因此其它类型的产品及其制造方法将有助于改进这些应用。一克活性碳的表面积通常为约500m2，并且范围为约200m2至约2500m2。在物理上，活性碳通过范德华力或伦敦色散力结合材料。碘被特别良好地吸附，并且其碘吸附能力被用作总表面积和活性水平的标准指示。更高的mg/g水平表示更高程度的活化。碘值被定义为当残余滤液中的碘浓度为0.02正常时，由1克碳吸附的碘的毫克数。活性碳中的一些残留物质可降低其整体活性及其再活化潜力。一种这样的物质是灰。当活性碳用于在水溶液中吸附不需要的物质时，活性碳中的灰水平变得特别重要，因为金属氧化物诸如Fe2O3会从含灰的活性碳中滤出，导致脱色、重金属毒性和过度的藻类生长。活性碳可由含碳(碳质)材料诸如椰子壳、木材(包括木片、木屑和树皮)、坚果壳、农业残留物、泥炭、煤、褐煤、石油沥青等生产而来。首先，纯碳可通过加热方法(通常是热解)提取。然后，一旦材料被碳化，可将其活化，或用氧气处理，通过暴露于CO2或蒸汽或者通过酸碱化学处理来进行。对于碳化，可将富碳材料放置在小的(相对于材料的量)炉中并且在高达2000摄氏度的极端温度下进行煮熟(cooked)。剩下的通常是起始重量的20-30％，并且主要由碳和少量无机灰构成。这与“焦化”非常相似，焦化是一种从木炭产生焦炭(一种碳基燃料)的方法。活化可以例如通过两种方式之一进行：气化或化学处理。通过气化进行的活化包括直接加热腔室中的碳，同时泵入气体以使碳充氧。氧化使碳易吸附化学物质和表面结合。热解发生在600-900℃的惰性环境中。然后，将含氧气体泵入，同时加热至900-1200℃，使氧与碳表面结合。在化学处理中，过程稍有不同。首先，碳化和化学活化同时发生。准备酸、碱或其它化学物质浴液，并将材料浸没。然后将该浴液加热至450-900℃的温度，远低于气体活化所需的热量。碳质材料被碳化然后被活化，所有处理以比气体活化快得多的速度进行。然而，某些加热处理会导致浴液中的微量元素吸附在碳上，从而导致不纯或无效的活性碳。在氧化之后，活性碳可以被处理用于许多不同类型的用途，具有几种可分类的不同性质。其中一些类别是粉末状活性碳(PAC)、粒状活性碳(GAC)、挤出活性碳(EAC)和珠状活性碳(BAC)。木质素残留物是从生物质中提取糖的常见副产物。然后糖可用于生产其它富含能量的产品诸如乙醇、其它燃料、生物塑料等。根据用于水解和提取糖的工艺和设备的类型，木质素残留物差异很大。在许多情况下，这些残留物可用于生产活性碳，并且特别适用于特定的吸附应用。活性碳是已被改变、衍生或改性或所谓的“活化”以进一步改善其用于各种工业应用的物理化学性质的碳的形式。活性碳通常粒度减小，其表面覆盖在小体积孔中，这增加了用于吸附的表面积。工业中使用的活性碳种类很多，并且取决于其制造中使用的加工方法，这些活性碳种类用于各种目的。活性碳可以从原料诸如无烟煤或烟煤以及从富含碳但还含有糖、蛋白质、脂肪、油和其它化合物的生蔬菜或木质材料(诸如椰子壳、木屑等)产生。参见，例如，美国专利第8,926,932B2号。此外，所用木质原料中的一些可来自通过硫酸盐法(Kraftprocess)以及其它方法制造的纸浆和造纸工业副产品，所述其它方法产生富含木质素的残留物，但所述残留物可被高度磺化并且其中木质素分子上的反应活性部位被阻断。活性碳也可以由动物物质诸如骨、餐馆和其它食物垃圾以及胴体制成。另外，所有这些类型的方法，无论木质素原料是完整植物或部分植物，还是通过经由化学制浆法的提取工艺(诸如来自硫酸盐法的黑液)，或蒸汽爆破法、高温热解法或另外的方法产生的，均可产生长碳纤维和高灰分含量，并且通常如热解的情况那样产生孔隙减少的凝聚材料。参见，例如美国公开第2015/0197424A1号。通过这些方法产生的活性碳几乎不像具有许多小孔、低灰分和低硫以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从经预处理的生物质的木质素残留物制备的活性碳，其中所述木质素残留物包含至少50％的尺寸为约5微米至约150微米的固体颗粒。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.16 US 62/219,4761.一种从经预处理的生物质的木质素残留物制备的活性碳，其中所述木质素残留物包含至少50％的尺寸为约5微米至约150微米的固体颗粒。2.根据权利要求1所述的活性碳，其中所述活性碳的干灰分含量低于3.0％。3.根据权利要求1-2中任一项所述的活性碳，其中所述活性碳的干氧含量高于9％。4.根据权利要求1-3中任一项所述的活性碳，其中所述活性碳的干硫含量低于0.40％。5.根据权利要求1-4中任一项所述的活性碳，其中所述活性碳为粉末状活性碳(PAC)、粒状活性碳(GAC)、丸状活性碳(EAC)、挤出活性碳和珠状活性碳(BAC)、石墨、浸渍碳或其组合。6.根据权利要求1-5中任一项所述的活性碳，其中所述活性碳具有以下粒度：约5微米至约40微米、约5微米至约60微米、约5微米至约180微米、小于约100微米、小于约200微米、小于约170微米或小于约250微米。7.根据权利要求1-6中任一项所述的活性碳，其中所述活性碳从具有在约5微米至约200微米的范围内的粒度的木质素残留物产生。8.一种制备活性碳的方法，所述方法包括：(a)将所述生物质加载到包括反应区室的预处理系统中；(b)用升高的温度、基本恒定的温度、酸和蒸汽预处理所述反应区室内的所述生物质一段时间以产生经预处理的材料；(c)添加水并中和所得的溶解的经预处理的材料；(d)水解所述溶解的经预处理的材料以产生富含糖的水解产物和木质素固体；(e)从所述富含糖的水解产物中分离所述木质素固体；和(f)干燥、碳化和活化所述木质素固体以产生活性碳。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述水解通过酶和/或生物催化剂来进行。10.根据权利要求8-9中任一项所述的方法，其中所述活性碳为粉末状活性碳(PAC)、粒状活性碳(GAC)、丸状活性碳(EAC)、挤出活性碳(BAC)、珠状活性碳或其组合。11.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其中所述活性碳具有以下粒度：约5微米至约40微米、约5微米至约60微米、约5微米至约180微米、小于约100微米、小于约200微米、小于约170微米或小于约250微米。12.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其中所述活性碳具有在约5微米至约10微米的范围内的粒度。13.根据权利要求8-12中任一项所述的方法，其中分离所述木质素固体通过絮凝、过滤、离心或这些中的一种或多种的组合来进行。14.根据权利要求8-13中任一项所述的方法，其中所述经预处理的生物质组合物中的至少50％的所述固体颗粒的尺寸为约5微米至约150微米。15.根据权利要求8-14中任一项所述的方法，其中所述碳化发生持续以下时间段：约30秒至约1分钟、约1分钟至约5分钟、约5分钟至约1小时、约1小时至约24小时、约1小时至约18小时、约1小时至约12小时、约1小时至约6小时、约2小时、约3小时、约4小时、约6小时、约7小时、约8小时、约9小时、约10小时、约11小时、约13小时、约14小时、约15小时、约17小时、约19小时、约20小时、约21小时、约22小时或约23小时。16.根据权利要求8-15中任一项所述的方法，其中所述活化通过物理或化学激活来进行。17.根据权利要求8-16中任一项所述的方法，其中所述活性碳是浸渍活性碳。18.根据权利要求8-17中任一项所述的方法，其中所述碳化在以下温度下进行：约150℃至约300℃、约150℃至约250℃、约150℃至约200℃、约160℃、约170℃、约180℃、约190℃、约210℃、约220℃、约230℃、约240℃、约260℃、约270℃、约280℃、或约290℃、或约300℃、或约350℃、或约400℃、或约450℃、或约500℃、或约550℃、或约600℃或约650℃19.根据权利要求8-18中任一项所述的方法，其中所述活化使用ZnCl2、H3PO4、Na2CO3、K2CO3、KOH、CO2或碱金属化合物。20.根据权利要求8-19中任一项所述的方法，其中所述经预处理的生物质的所述木质素固体包含至少50％的约100微米至约200微米的固体颗粒。21.根据权利要求8-20中任一项所述的方法，其中所述活性碳具有低于3.0％的干灰分含量。22.根据权利要求8-21中任一项所述的方法，其中所述活性碳具有高于9％的干氧含量。23.根据权利要求8-22中任一项所述的方法，其中所述活性碳具有低于0.40％的干硫含量。24.一种用于从包含纤维素、半纤维素和木质纤维素的生物质产生活性碳的系统，所述系统包括：(a)预处理单元，其通过以下步骤预处理所述生物质以产生包含固体颗粒以及C5和C6聚合物、单体和二聚体的混合物的经预处理的生物质组合物：(i)将所述生物质组合物在非中性pH含水介质中水合以产生水合生物质组合物，(ii)以机械方式减小所述水合生物质组合物的尺寸以产生所述固体颗粒，以及(iii)在压力下加热所述水合生物质组合物持续足以产生所述经预处理的生物质组合物的时间，所述经预处理的生物质组合物包含固体颗粒以及C5和C6聚合物、单体和/或二聚体的混合物；(b)酶促水解单元，其通过以下步骤从所述经预处理的生物质组合物产生糖流和木质素残留物：(i)中和所述经预处理的生物质组合物以产生pH接近中性的含水介质；和(ii)使所述经预处理的生物质组合物与一种或多种酶接触，持续足以产生木质素残留物和糖流的时间；(c)分离单元，其将所述糖流与所述木质素残留物分离；(d)碳化单元，其使所述木质素残留物碳化以从所述木质纤维素残留物产生木炭；和(e)活化单元，其活化所述木炭以产生活性碳。25.根据权利要求24所述的系统，其中所述经预处理的生物质中的至少50％的所述固体颗粒的尺寸为约...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯科特·图德曼，
申请(专利权)人：斯威特沃特能源公司，
类型：发明
国别省市：美国,US