生物质超级活性炭的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种生物质超级活性炭的制备方法，其包括如下步骤：将生物质原料与磷酸溶液混合后，浸渍20～30min，得到混合物；将所述混合物烘干后，在100mL/minCO2气氛中、于800～850℃下进行炭活化，得到炭化物；将所述炭化物冷却至室温后，经超声辅助水洗至中性，干燥后得到所述生物质超级活性炭。本发明专利技术具有如下的有益效果：1、将样品由室温直接转移至高温活化温度环境中，无升温过程及中间碳化过程，简化了制备步骤，缩短了制备时间，并且可以实现连续化生产；2、酸浸渍之后再进行CO2活化大幅增加了制得的活性炭的孔容和比表面积，提高了得率，活性炭的孔隙结构发育更加完全，吸附性能明显增强；3、利用超声辅助水洗的方法，缩短了水洗时间，提高了样品性能。

【技术实现步骤摘要】
生物质超级活性炭的制备方法
本专利技术涉及一种生物质超级活性炭的制备方法，属于活性炭制备

技术介绍
超级活性炭，是一种高比表面积的微孔活性炭，比表面积一般高于2000m2/g。高比表面积活性炭具有很大的储存容量和极强的吸附能力。另外,超级活性炭的高吸附性能拓宽了活性炭的用途,例如应用于双电层电容的电极、催化剂载体等领域。目前制备超级活性炭主要使用的方法为：催化剂物理活化法，化学活化法，物理化学联合活化法。单纯的物理活化很难达到极高的比表面积，即使达到也需要活化几十甚至上百个小时，所以往往需要添加催化剂，日本学者利用第VIII族金属元素作催化剂，获得了比表面积达到2000～2500m2/g的活性炭且大大缩短了反应时间。即便如此活化温度依然高达1000℃，活化时间为6h。化学活化法的活化温度比物理活化要低且活化时间较短，通常利用KOH和ZnCl2制备高比表面积的活性炭，但是这两种化学试剂对设备腐蚀严重，污染性较大。化学活化需要对制备的样品进行水洗，常用的水洗方法往往耗时较长，水洗液的回收利用困难，经济成本较高。联合活化法通常是先在低温下(900℃以下)利用化学活化法制备出活性炭或者碳化之后再进行物理二次活化，步骤繁琐，耗时较长，很难实现工业化生产。M.MOLINA-SABIO等人通过用CO2再活化由磷酸活化制得的核桃壳基活性炭得到了超高比表面积(Sbet＝3700m2/g)的超级活性炭，但是该方法由于需要制备两次活性炭，步骤繁琐。并且活化时间长达13h以上，耗时长。使用活性炭进行CO2再活化烧失率高达80％以上，产率非常的低。所以该方法只能停留在实验室阶段。李大伟等人提出了一步活化法制备焦炭基成型活性炭的方法，其方法在活化过程中省去升温步骤，节约了时间，但是制得活性炭的比表面积仅为840m2/g。所以探索一种低能耗，低污染，耗时短可连续生产的超级活性炭的制备方法显得尤为重要。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种生物质超级活性炭的制备方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供一种生物质超级活性炭的制备方法，其包括如下步骤：将生物质原料与磷酸溶液混合后，浸渍20～30min，得到混合物；将所述混合物烘干后，在CO2气氛中、于800～850℃下进行炭活化，得到炭化物；将所述炭化物冷却至室温后，经超声辅助水洗至中性，干燥后得到所述生物质超级活性炭。作为优选方案，所述生物质原料与磷酸溶液的浸渍比为1:(0.6～2.5)，所述磷酸溶液的质量分数为40～50％。作为优选方案，所述生物质原料的植物纤维含量不低于46％。作为优选方案，所述生物质原料选自椰壳、松果中的至少一种。作为优选方案，所述炭活化时CO2的流量为50～200mL/min。作为优选方案，所述炭活化的时间为1～2h。作为优选方案，所述超声辅助水洗的超声频率为20～50kHz，功率为100～200W，时间为2～5min。本专利技术的实现原理为：磷酸对椰壳等生物质进行预处理，能促进生物质中纤维素的水解，形成较大的拓扑结构错层石墨微晶，且磷酸分子自身伴随着部分脱水缩聚生成焦磷酸、三聚磷酸和偏磷酸等物质，从而有更多的磷酸与之发生酯化反应相结合，有利于比表面积和孔隙的发展。去掉活化中的升温过程，使浸渍后的椰壳直接处于高温环境中，剧烈的温度变化使原料中大分子键迅速断裂，并且通过自身的缩聚和环化参与键的交联，在加速碳键断裂的同时抑制焦油的产生，并形成发达的孔隙结构。已经产生的孔隙结构使CO2活化更容易发生，加速了CO2与C原子的结合，进一步造孔和拓孔，产生了更加狭窄而均匀的微孔，增加了孔体积，从而产生了更大的比表面积。由于磷酸的存在，减少了碳材料和易挥发物质的损失，从而提高了得率。当超声波作用于液体时，会使液体各处的声压产生周期性的变化从而形成负压区，使液体中的气体过饱和析出形成气核。气核在超声作用下发生周期性的振荡，并不断生长、碰撞、合并，形成不同尺度的气泡。有些气泡在超声场的正压相急剧收缩至内爆，产生局部高温、高压(泡内温度和压力最高可达5000K，1800atm)，并伴有高速微射流(速度为100m/s量级)、强大冲击波(碰撞密度高达1.5kg/cm2)和自由基的产生。这种由超声造成的极端的物理和化学条件有利于削弱物质间的屏障，增强传热及传质过程。因此，将超声应用于水洗过程，增加了活性炭与水溶液中物质的交换，不但可以缩短水洗时间而且可以加速活性炭孔隙中含磷物质的释放，产生更多可用的孔结构，从而提高制得的活性炭的性能。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1、将样品由室温直接转移至高温活化温度环境中，无升温过程及中间碳化过程，简化了制备步骤，缩短了制备时间，并且可以实现连续化生产；2、负载酸之后再进行CO2活化大幅增加了制得的活性炭的孔容和比表面积，提高了得率，活性炭的孔隙结构发育更加完全，吸附性能明显增强；3、利用超声辅助水洗的方法，缩短了水洗时间，提高了样品性能。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术中实施例1和对比例1得到的生物质超级活性炭的氮气吸脱附图；图2为本专利技术中实施例1和对比例4得到的生物质超级活性炭的氮气吸脱附图；图3为本专利技术中所有实施例和对比例所用到的生物质前体的SEM图；图4为本专利技术中实施例1得到的生物质超级活性炭的SEM图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。实施例1本实施例提供了一种基于磷酸和二氧化碳联合活化快速制备生物质超级活性炭的方法，具体包括如下步骤：筛取粒径在0.20～0.35mm之间的椰壳烘干至恒重。将椰壳与50wt％磷酸按照1:1的质量比混合，静置30min，移至烘箱中于110℃烘干1h，直接转入800℃环境下的管式炉中，持续通入流速为100mL/min的CO2，炭活化处理2h。冷却至室温后，炭活化得到的样品反复经过40kHz，120W的超声作用后抽滤水洗，多次洗涤至洗液呈中性，经烘干后即得活性炭产品。实施例2本实施例提供了一种基于磷酸和二氧化碳联合活化快速制备生物质超级活性炭的方法，具体包括如下步骤：筛取粒径在0.20～0.35mm之间的椰壳烘干至恒重。将椰壳与50wt％磷酸按照1:1的质量比混合，静置30min，移至烘箱中于110℃烘干1h，直接转入850℃环境下的管式炉中，持续通入流速为100mL/min的CO2，炭活化处理2h。冷却至室温后，炭活化得到的样品反复经过40kHz，120W的超声作用后抽滤水洗，多次洗涤至洗液呈中性，经烘干后即得活性炭产品。实施例3本实施例提供了一种基于磷酸和二氧化碳联合活化快速制备生物质超级活性炭的方法，具体包括如下步骤：筛取粒径在0.20～0.35mm之间的椰壳烘干至恒重。将椰壳与50wt％磷酸按照1:1的质量比混合，静置30min，移至烘箱中于110℃烘干1h，直接转入825℃环境下的管式炉中，持续通入流速为100mL/min的CO2，炭活化处理2h。冷却至本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物质超级活性炭的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将生物质原料与磷酸溶液混合后，浸渍20～30min，得到混合物；将所述混合物烘干后，在100mL/minCO2气氛中、于800～850℃下进行炭活化，得到炭化物；将所述炭化物冷却至室温后，经超声辅助水洗至中性，干燥后得到所述生物质超级活性炭。

【技术特征摘要】
1.一种生物质超级活性炭的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将生物质原料与磷酸溶液混合后，浸渍20～30min，得到混合物；将所述混合物烘干后，在100mL/minCO2气氛中、于800～850℃下进行炭活化，得到炭化物；将所述炭化物冷却至室温后，经超声辅助水洗至中性，干燥后得到所述生物质超级活性炭。2.如权利要求1所述的生物质超级活性炭的制备方法，其特征在于，所述生物质原料与磷酸溶液的浸渍比为1:(0.6～2.5)，所述磷酸溶液的质量分数为40～50％。3.如权利要求1或2所述的生物质超级活性炭的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宗波，雷宇奇，李大伟，刘晓杨，高田田，赵佳伟，王延奎，周广岩，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37