一种生物质基活性炭微球及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种生物质基活性炭微球及其制备方法和应用。制备方法包括以下步骤：将废弃生物质粉末与多种试剂混合并于室温下充分搅拌至均匀，得到悬浮液；将悬浮液转移到反应釜中水热后，得到水热碳球；水热碳球冷却后经水洗涤、干燥后得到炭的前驱体；将炭的前驱体与含氮物、活化剂以一定比例混合研磨后经焙烧、洗涤、干燥，制得所述生物质基活性炭微球，其比表面积可达1349.17～1685.68m

A Biomass-based Activated Carbon Microsphere and Its Preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种生物质基活性炭微球及其制备方法和应用
本专利技术属于CO2吸附剂领域，具体涉及一种生物质基活性炭微球及其制备方法和应用。
技术介绍
生物质是一定积累量的动植物资源和来源于动植物废弃物的总称，是地球上唯一的可再生碳能源，被誉为“传统化石燃料替代品”，每年大约生产66亿吨，其中大部分农废被焚烧处理，利用率极低。以化石燃料燃烧进行发电的火电厂是全球最大的CO2排放源，约占CO2总排放量的35％。在燃料燃烧、预燃烧和燃烧后三种碳捕获方法中，从燃烧后的烟道气中捕获CO2是最简单的方法。燃烧后的烟道气(T＜200℃)主要是CO2和N2的混合物，但因CO2分压较低导致其分离难度很大，在某种意义上，已成为制约21世纪世界节能减排格局的重大科学问题。因此，对低温CO2进行吸附、回收具有十分重要的战略意义。水热炭化法(HTC)是指在密封的压力容器中，以生物质为原料、以水为溶剂和反应介质、在自压力和150～375℃的反应温度下合成富碳产物的过程。与传统的热化学转化法相比，HTC温度低，原料不受水分含量限制，耗能少，CO2释放量少，已经成为一种高效的生物质预处理手段和生物质全组分转化方法；且水热炭含氧官能团丰富、表面化学性质可调、热值(HHV)高，在金属离子吸附、多孔炭材料的制备、固体酸催化剂和清洁能源等领域均取得了一些进展(吴艳姣，李伟，吴琼，等.水热炭的制备，性质及应用[J].化学进展,2015,28(1):121-130.)。CN106629661A公开了一种甘蔗渣制备碳纳米球的工艺，将甘蔗渣置于硫酸、磷酸和水的混合溶液中，使甘蔗渣中的纤维素和半纤维素溶解，并将该溶剂过滤得到滤液，滤液进行水热反应时将甘蔗渣中小分子糖溶出，再利用小分子糖溶液水热法制备碳球。该方法工艺简单，原料来源广泛，但制备过程中用到两种酸溶液，对环境不友好。CN102219204A公开了一种生物质基胶体碳的制备方法，用稀酸、浓酸分别水解玉米秸秆获得木糖和葡萄糖的糖酸溶液，糖酸溶液原位缩聚炭化，制备出以木糖或葡萄糖为前驱体的胶体碳球。该方法废物利用率高，但操作过程较复杂。传统的水热法制备碳球一般会采用小分子生物质如蔗糖、葡萄糖等为碳源，如SevillaMarta等人(MartaSevilla,AntonioB.Fuertes.Chemicalandstructuralpropertiesofcarbonaceousproductsobtainedbyhydrothermalcarbonizationofsaccharides[J].Chemistry-AEuropeanJournal,2009,15,4195-4203)将三种不同的糖类(葡萄糖、蔗糖、淀粉)分别水热制备微米级碳球。但以富含木质素、高结晶度纤维素的农业废弃生物质(核、壳、皮、杆)为原料，经温和的水热法制备球形生物炭材料在国内外鲜有报道。基于此，利用废弃生物质作为原材料制备可用于室温CO2捕集的微米碳球就具有极强的竞争力，且其有望作为多种材料的廉价负载基体。
技术实现思路
本专利技术的首要目的在于提供一种生物质基活性炭微球的制备方法。本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种制备条件相对温和、原料廉价且性能良好的生物质基球形活性炭的制备方法，所制备的吸附剂在室温下对主要温室气体CO2具有优良的吸附性能、稳定的循环再生吸附性能。本专利技术的另一目的在于提供上述制备方法获得的生物质基活性炭微球。本专利技术的再一目的在于提供上述生物质基活性炭微球的应用。本专利技术目的通过以下技术方案实现：一种生物质基活性炭微球的制备方法，包括以下步骤：首先，将20-100目的废弃生物质粉末与多种试剂混合并于室温下充分搅拌至均匀，得到悬浮液；将悬浮液转移到反应釜中水热后，得到水热碳球；水热碳球冷却后经水洗涤、干燥后得到炭的前驱体；将炭的前驱体与含氮物、活化剂以一定比例混合研磨后经焙烧、洗涤、干燥，制得所述生物质基活性炭微球；所述多种试剂为过硫酸铵、硫酸和水。所述废弃生物质粉末为碧根果壳粉、菠萝皮粉、瓜子壳粉、核桃壳粉、椰子内壳粉中的至少一种；其通过将碧根果壳、菠萝皮、瓜子壳、核桃壳、椰子内壳中的至少一种，经洗净、烘干、破碎及筛分后制得。所述废弃生物质粉末与多种试剂的用量分别为：废弃生物质粉末＝1～2质量份，过硫酸铵＝1～2质量份，硫酸＝0.5～1体积份，水＝40～60体积份。所述搅拌时间0.5～1h，转速600r/min。所述硫酸质量浓度范围为95.0-98.0％。所述水热的工艺条件为：在120℃下反应16～20h后，从120℃升温到230℃，在230℃下反应24h。所述含氮物为壳聚糖；所述活化剂为草酸钾、酒石酸钾中的一种或两种；所述炭的前驱体、含氮物、活化剂用量分别为：炭的前驱体＝1～1.5质量份，含氮物＝1～3质量份，活化剂＝3～4.5质量份。所述焙烧的工艺条件：N2或惰性气体气氛下静态焙烧，焙烧温度700～800℃，焙烧时间2h。所述焙烧前先在200℃保温1h。所述的生物质基活性炭微球，其特征是通过简单的水热法可由废弃生物质粉末直接制得水热碳微球，且高温焙烧活化后仍能保留大部分碳微球(粒径为3±1μm)。所述的生物质基活性炭微球，其比表面积为1349.17～1685.68m2/g。所述的生物质基活性炭微球可用于吸附CO2。所述的生物质基活性炭微球，在常温常压下对CO2的吸附量为3.86～4.09mmol/g。所得活性炭微球吸附剂吸附CO2后，再在不同的温度下脱附循环再生。所述的生物质基活性炭微球，在常温常压下对CO2/N2的吸附选择性达10.71～14.37。本专利技术中1质量份：1体积份＝1g/ml。本专利技术与现有技术相比具有以下主要优点：(1)选用多种价廉易得且无毒无害的废弃生物质壳作为碳源，具有一定的普适性；选用温和的酒石酸钾或草酸钾作为活化剂，在降低能耗的基础上能大大提高活性炭的吸附性能；(2)采用具有强氧化性的过硫酸铵辅助水热反应制得水热碳微球，再经高温焙烧得到活性炭微球吸附剂，不仅能保留球形形貌，而且能增强活性炭的吸附性能；在过硫酸铵的强氧化性和硫酸的酸性共同辅助作用下，大分子物质如纤维素、木质素等可以分解成小分子可溶性物质如葡萄糖，小分子物质在水热环境下会聚集形成球形颗粒(HolgerV.Lutze,KlaudiuszGrübel,etal.Chemistryofpersulfatesinwaterandwastewatertreatment:areview[J].ChemicalEngineeringJournal,2017,330,44-62)。(3)所制得的活性炭微球在室温下对CO2具有优良的吸附性能及稳定的循环再生吸附性能、较佳的CO2/N2吸附选择性等优点：所述制备的生物质基活性炭微球(粒径约为3±1μm)在常温常压下对CO2的吸附量可达3.86～4.09mmol/g；在常温常压下对CO2/N2的吸附选择性可达10.71～14.37；其比表面积可达1349.17～1685.68m2/g。(4)所制备的生物质基活性炭微球能在较低温度下再生(将吸附CO2后的样品在美国Micromeritics仪器公司生产的第一代TriStarⅡ3020型吸附分析仪脱气装置上于200℃、真空条件下脱气4h，即可完成再生实验本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物质基活性炭微球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，将废弃生物质粉末与多种试剂混合并于室温下充分搅拌至均匀，得到悬浮液；将悬浮液转移到反应釜中水热后，得到水热碳球；水热碳球冷却后经水洗涤、干燥后得到炭的前驱体；将炭的前驱体与含氮物、活化剂混合研磨后经焙烧、洗涤、干燥，制得所述生物质基活性炭微球；所述多种试剂为过硫酸铵、硫酸和水。

【技术特征摘要】
1.一种生物质基活性炭微球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，将废弃生物质粉末与多种试剂混合并于室温下充分搅拌至均匀，得到悬浮液；将悬浮液转移到反应釜中水热后，得到水热碳球；水热碳球冷却后经水洗涤、干燥后得到炭的前驱体；将炭的前驱体与含氮物、活化剂混合研磨后经焙烧、洗涤、干燥，制得所述生物质基活性炭微球；所述多种试剂为过硫酸铵、硫酸和水。2.根据权利要求1所述的一种生物质基活性炭微球的制备方法，其特征在于，所述废弃生物质粉末为碧根果壳粉、菠萝皮粉、瓜子壳粉、核桃壳粉、椰子内壳粉中的至少一种。3.根据权利要求1所述的一种生物质基活性炭微球的制备方法，其特征在于，所述废弃生物质粉末与多种试剂的用量分别为：废弃生物质粉末＝1～2质量份，过硫酸铵＝1～2质量份，硫酸＝0.5～1体积份，水＝40～60体积份。4.根据权利要求1所述的一种生物质基活性炭微球的制备方法，其特征在于，所述水热的工艺条件为：在120℃下反应16～20h后，从120℃升温到230℃，在230℃下...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡卫权，朱梦媛，刘丽强，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：广东,44