一种绿色制备高含碳多孔生物炭材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种绿色制备高含碳多孔生物炭材料的方法，其制备过程如下：生物质废弃物与低比例碱性活化剂混合活化，高升温速率、高载气流量、高活化温度和长反应时间下，活化剂与生物质充分反应，形成发达孔隙结构和较高含碳量的活化炭，部分活化剂与生物质中SiO2反应，将其转化为易于脱除的硅酸盐，高载气流量迅速把含氧挥发份携带出来，进一步提高活化炭的含碳量和孔隙率；进一步地利用低浓度氨水处理活化炭，氨水将未完全反应的SiO2转化为硅酸盐，然后利用低浓度木醋液对活化炭深入处理，将硅酸盐与其他碱及碱土金属一并脱除，从而有效降低生物炭中的灰成分，提高生物炭的含碳量，实现了绿色化制备高含碳多孔生物炭材料，有利于生物质高值化利用。

A green method to prepare porous biochar with high carbon content

【技术实现步骤摘要】
一种绿色制备高含碳多孔生物炭材料的方法
本专利技术涉及生物质利用领域，具体涉及一种绿色制备高含碳多孔生物炭材料的方法。
技术介绍
生物质是地球上唯一含碳的可再生资源，因其独特的组成结构及高的反应活性，将其转化高附加值的化学品和功能型炭材料是未来发展的必然趋势。目前生物质基的生物炭材料已被广泛应用于土壤改良、吸附气体污染物、脱除有机污染物、吸附重金属、储氢、热催化与电催化、超级电容器和电池电极材料等领域。但是由于生物质自身含有较高的氧含量及一定的灰含量，因此在生物质制备生物炭过程中，生物炭中依然含有较高的氧含量及灰成分(主要包括Si、K、Na、Mg、Ca等)，这将严重影响生物炭在后续应用过程中的利用效率。增加生物炭中的碳含量和纯净度，可以提高生物炭的稳定性、导电性等性能，对于提高生物炭材料品质至关重要。因而，为了提升生物炭材料在后续应用过程中的品质，必须降低生物炭中的氧含量及灰含量，提高生物炭的含碳量。目前降低生物炭中的灰分量主要通过盐酸或HF酸洗的方法，但是盐酸难以脱除生物炭中的SiO2，而HF酸虽然能够脱除SiO2，但是其腐蚀性太强，难以大规模应用。然而如何提高生物炭中的碳含量，制备高含碳的生物炭材料还未见相关报道。因此亟需寻找一种绿色制备高含碳多孔生物炭材料的方法。
技术实现思路
针对以上缺陷和改进需求，本专利技术旨在提出一种绿色制备高含碳多孔生物炭材料的方法，利用生物质废弃物与碱性活化剂反应，及碱性活化剂与灰分反应，初步形成具有发达孔隙结构和高含碳量的活化炭材料，然后分别用氨水与木醋液对活化炭进行浸渍处理，充分去除活化炭中的碱及碱土金属，从而得到具有高比表面积及高含碳量的生物炭材料。为实现上述目的，本专利技术提供了一种绿色制备高含碳多孔生物炭材料的方法，包括如下步骤：S1：将生物质废弃物粉碎＜120目后，与低比例碱性活化剂通过浸渍的方式充分混合，浸渍24h后，在60℃的氩气气氛下蒸发掉其中的水分，得到混合样品；S2：将步骤S1中的混合样品放入固定床反应器中在惰性气氛下进行高升温速率、高载气流量的活化反应，反应温度为800-1000℃，反应时间为1h-3h，生物质与碱性活化剂充分反应，在高升温速率和高反应温度下快速造孔，同时部分碱性活化剂与生物质中SiO2反应，形成硅酸盐，另外高载气流量迅速把含氧挥发份携带出来，进一步提升孔隙率和含碳量，从而得到高孔隙率高含量的活化炭；S3：将步骤S2得到的活化炭放入氨水溶液中，振荡浸渍1-3天，氨水充分与活化炭中未反应完全的SiO2反应，使其全部转化为硅酸盐，然后过滤掉氨水，得到氨水处理后的活化炭；S4：将步骤S3得到的活化炭浸渍到木醋液中，振荡浸渍1-3天，促使木醋液与活化炭中残留的氨水、碱性活化剂、及自身的其他K、Na、Ca、Mg等碱及碱土金属充分反应，完全除去活化炭中的杂质，进一步提高活化炭的含碳量及孔隙率，然后过滤掉木醋液，得到木醋液处理后的活化炭；S5：将步骤S4得到的活化炭用去离子水反应冲洗，直到滤液的pH值为中性，然后将活化炭放入250℃烘箱中干燥，以充分除去活化炭表面及孔道内吸附的木醋液，最终得到高含碳量及高比表面积的生物炭材料。本专利技术以上专利技术构思的原理是：生物质废弃物与碱性活化剂在活化反应过程中，在高升温速率、高活化温度和长反应时间的共同作用下，碱性活化剂与生物质充分反应，形成发达孔隙结构和较高含碳量的活化炭，同时部分碱性活化剂与生物质中SiO2反应，将其转化为易于脱除的硅酸盐，另外高载气流量迅速把含氧挥发份携带出来，进一步提高活化炭的含碳量和孔隙率；进一步地氨水与活化炭中未完全反应的SiO2反应，将其完全转化为硅酸盐，然后利用木醋液将其与其他碱及碱土金属，一并反应脱除，从而有效降低了生物炭中的灰成分，深入提高生物炭的含碳量，实现了绿色化制备高含碳的多孔生物炭材料。进一步的，所述步骤S1中的生物质为竹子、木屑、玉米秆中的一种或多种。进一步的，所述步骤S1中的碱性活化剂为KOH、NaOH、Mg(OH)2中的一种或多种。进一步的，所述步骤S1中的碱性活化剂与生物质的比例为低比例，比例为1∶50-1∶20。进一步的，所述步骤S2中，所述步骤S2中的所有载气为氮气或氩气，高载气流量为1L/min-3L/min，高升温速率为30℃/min-300℃/min。进一步的，所述步骤S3中的氨水浓度为5％-15％。进一步的，所述步骤S4中的木醋液中有机酸的浓度为10-20％。按照本专利技术的第二个方面，还提供一种如上所述方法制备的高含碳多孔生物炭材料，其含炭量可以高达96wt.％，比表面积可以高达2000m2/g。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术的方法中，生物质与碱性活化剂活化反应过程中，高升温速率，有利于碱性活化剂造孔反应，而高活化温度，可充分发挥活化剂的反应活性，同时长的反应时间，可以使活化剂充分与生物质反应，形成发达的孔隙结构的活化炭，同时高活化温度及长的反应时间，也有利于生物质中的含氧组分析出，得到高含碳量的活化炭；另外碱性活化剂还会与生物质中的难以除去的SiO2反应，将其转化为易于去除的硅酸盐，便于后续过程脱除；且高的载气流速将活化过程中形成的含氧挥发份快速携带出来，进一步提升孔隙率和含碳量，从而得到高孔隙率高含碳量的活化炭。(2)本专利技术的方法中，添加的碱性活化剂比例极低，有效地缓解了活化反应过程中腐蚀性的问题，碱性活化剂具有双重作用，在活化造孔的同时，也可以转化生物质中难以脱除的SiO2，同时本专利技术主要利用优化活化条件来提升生物炭材料的孔隙率，整个活化过程绿色可持续。(3)本专利技术的方法中，利用腐蚀性较弱的氨水对活化炭进行处理，进一步转化活化炭中未被完全反应的SiO2，确保活化炭中的所有SiO2全部转化为易脱除的硅酸盐，且氨水浓度低，还可以循环使用，确定了整个过程绿色环保，易规模化应用。(4)本专利技术的方法中，利用生物质热解的附产品木醋液作用酸溶液，去除活化炭中的硅酸盐和其他碱及碱土金属，有效降低活化炭中的灰含量，木醋液具有浓度低、酸性低、腐蚀性小、环境友好、价格低廉、可循环利用等优点，保证了整个工艺路线的绿色化。(5)本专利技术的方法中，制备的高含碳多孔生物炭材料，其含炭量可以高达96wt.％，比表面积可以高达2000m2/g，是纯度非常高的生物炭材料。附图说明图1为本专利技术实施例中制备的高含碳多孔生物炭材料的含碳量分布图。图2为本专利技术实施例中制备的高含碳多孔生物炭材料的比表面积分布图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。为实现上述目的，本专利技术提供了一种绿色制备高含碳多孔生物炭材料的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种绿色制备高含碳多孔生物炭材料的方法，其特征在于，一种绿色制备高含碳多孔生物炭材料的方法包括如下步骤：/nS1：将生物质废弃物粉碎＜120目后，与低比例碱性活化剂通过浸渍的方式充分混合，浸渍24h后，在60℃的氩气气氛下蒸发掉其中的水分，得到混合样品；/nS2：将步骤S1中的混合样品放入固定床反应器中在惰性气氛下进行高升温速率、高载气流量的活化反应，反应温度为800-1000℃，反应时间为1h-3h，生物质与碱性活化剂充分反应，在高升温速率和高反应温度下快速造孔，同时部分碱性活化剂与生物质中SiO2反应，形成硅酸盐，另外高载气流量迅速把含氧挥发份携带出来，进一步提升孔隙率和含碳量，从而得到高孔隙率高含量的活化炭；/nS3：将步骤S2得到的活化炭放入氨水溶液中，振荡浸渍1-3天，氨水充分与活化炭中未反应完全的SiO2反应，使其全部转化为硅酸盐，然后过滤掉氨水，得到氨水处理后的活化炭；/nS4：将步骤S3得到的活化炭浸渍到木醋液中，振荡浸渍1-3天，促使木醋液与活化炭中残留的氨水、碱性活化剂、及自身的其他K、Na、Ca、Mg等碱及碱土金属充分反应，完全除去活化炭中的杂质，进一步提高活化炭的含碳量及孔隙率，然后过滤掉木醋液，得到木醋液处理后的活化炭；/nS5：将步骤S4得到的活化炭用去离子水反应冲洗，直到滤液的pH值为中性，然后将活化炭放入250℃烘箱中干燥，以充分除去活化炭表面及孔道内吸附的木醋液，最终得到高含碳量及高比表面积的生物炭材料。/n...

【技术特征摘要】
1.一种绿色制备高含碳多孔生物炭材料的方法，其特征在于，一种绿色制备高含碳多孔生物炭材料的方法包括如下步骤：
S1：将生物质废弃物粉碎＜120目后，与低比例碱性活化剂通过浸渍的方式充分混合，浸渍24h后，在60℃的氩气气氛下蒸发掉其中的水分，得到混合样品；
S2：将步骤S1中的混合样品放入固定床反应器中在惰性气氛下进行高升温速率、高载气流量的活化反应，反应温度为800-1000℃，反应时间为1h-3h，生物质与碱性活化剂充分反应，在高升温速率和高反应温度下快速造孔，同时部分碱性活化剂与生物质中SiO2反应，形成硅酸盐，另外高载气流量迅速把含氧挥发份携带出来，进一步提升孔隙率和含碳量，从而得到高孔隙率高含量的活化炭；
S3：将步骤S2得到的活化炭放入氨水溶液中，振荡浸渍1-3天，氨水充分与活化炭中未反应完全的SiO2反应，使其全部转化为硅酸盐，然后过滤掉氨水，得到氨水处理后的活化炭；
S4：将步骤S3得到的活化炭浸渍到木醋液中，振荡浸渍1-3天，促使木醋液与活化炭中残留的氨水、碱性活化剂、及自身的其他K、Na、Ca、Mg等碱及碱土金属充分反应，完全除去活化炭中的杂质，进一步提高活化炭的含碳量及孔隙率，然后过滤掉木醋液，得到木醋液处理后的活化炭；
S5：将步骤S4得到的活化炭用去离子水反应冲洗，直到滤液的pH值为中性，然后将活化炭放入250℃烘箱中干燥，以充分除去活化炭表面及孔道内吸...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈伟，
申请(专利权)人：武汉热解无限能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42