一种纸浆-电容炭联合生产的方法技术

本发明专利技术公开了一种纸浆‑电容炭联合生产的方法，属于纸桨和碳素材料技术领域。本发明专利技术包括如下步骤：(1)造纸原料使用碱法制浆，压滤分离和纸浆清洗；(2)黑液经浓缩、烘干和研磨获得碱木质素干粉；(3)碱木质素干粉与碱活化剂和助活化剂混合、研磨、陈化；(4)混合料经高温碳化‑活化；(5)碳化料经后处理得电容炭；(6)从碳化料的水洗液中回收碱，循环用于制浆的碱液和电容炭的碱活化剂。本发明专利技术直接使用碱法制浆产生的副产品碱木质素为制造电容炭的原料，并回收碱，循环用作制浆的碱液和电容炭的活化剂，不产生污染和废弃物，80％以上的碱活化剂可回收再利用，具有良好的环保和生态效益，能产生很高的社会和经济效益。

【技术实现步骤摘要】
一种纸浆-电容炭联合生产的方法
本专利技术涉及属于纸桨和碳素材料
，具体涉及一种纸浆-电容炭联合生产的方法。
技术介绍
由于超级电容器在电能的快速存储和大功率释放中的优异性能，其在风电和光电存储、智能电网调峰、高铁机车和汽车节能、电梯动能-势能转化、大功率机器人、电磁和激光武器、机车冷启动等方面有越来越大的应用，市场需求和产业规模在迅速增长。电容炭是超级电容器存储电荷的介质，对超级电容器的比电容、功率和能量密度、充放电次数、使用寿命有重要影响，占超级电容成本的35％，需求量逐年增长。近年来的研究发现，用木质素生产出的电容炭的品质远远高于其它传统原料，如生物质原料(椰壳、果壳、毛竹)、煤(或石油)焦炭原料、合成树脂原料。采用传统原料烧制电容炭一般要经过碳化和活化两个独立的步骤，先把原料碳化为碳化料，再用物理或化学的方法对碳化料进行活化处理，技术成熟，很少有改进余地。木质素原本是碱法造纸制浆工业的废弃物，在我国每年的产量在1000万吨以上，以前木质素在造纸工业中作为黑液被排放，造成严重的污染；现在大多数造纸厂把黑液浓缩后烧掉，造成巨大的浪费。从造纸黑液里提取木质素已研究多年，有许多专利技术和研究论文可供参考，需要通过多道工序，才能得到纯木质素产品，不仅成本高，还有可能造成附加污染。这些困难是把造纸类木质素用于电容炭生产的主要障碍。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术存在的上述问题，提供一种纸浆-电容炭联合生产的方法，本专利技术直接使用碱法制浆产生的副产品碱木质素作为制造电容炭的原料，并回收碱，循环用作制浆的碱液和电容炭的活化剂，不产生污染和废弃物，80％以上的碱活化剂可回收再利用，具有良好的环保和生态效益，能产生很高的社会和经济效益。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种纸浆-电容炭联合生产的方法，包括如下步骤：(1)造纸原料使用碱法制浆，压滤分离，得到粗纸浆和黑液；(2)粗纸浆用于制备纸浆产品，黑液经浓缩和烘干制取碱木质素干粉；(3)碱木质素干粉与碱活化剂和助活化剂混合、研磨、陈化，得到混合料；(4)混合料经碳化-活化，得到碳化料；(5)碳化料经包括水洗的后处理得电容炭；(6)从碳化料的水洗液中回收碱活化剂，所述回收的碱活化剂循环用作步骤(1)制浆的碱液和步骤(3)制备电容炭的碱活化剂，按15％到20％补充消耗部分。进一步的，步骤(1)中，所述碱法制浆包括NaOH和Na2S的硫酸盐制浆法(Kraft法)和NaOH的烧碱法制浆。以上两种方法中都允许有K2CO3和Na2CO3存在。可选择采用硫酸盐法制浆的一般工艺，包括用碱量，硫化度，蒸煮温度，蒸煮时间和固液比。纸浆蒸煮液用板框压滤机分离，粗纸浆经水洗等处理，得纸浆产品。进一步的，步骤(2)中，所述碱木质素干粉的提取包括如下步骤：将黑液于120℃～140℃下烘干至干胶，继续烘干至恒重后制成粉末，得碱木质素干粉。由于碱木质素有较高的吸湿性，在干燥的环境中进行，最好使用空气干燥器，或使用喷雾干燥器制取碱木质素干粉。进一步的，步骤(3)的具体步骤如下：按碱木质素干粉：碱活化剂：助活化剂＝1：1～1.5：0.25～0.5的质量比，在碱木质素干粉中加入碱活化剂钾盐和/或钠盐、助活化剂尿素，研磨混合，在室温至60℃干燥环境下陈化6小时以上。进一步的，所述干燥环境是指相对湿度小于30％。进一步的，所述碱活化剂包括但不仅限于碳酸钾、碳酸钠、甲酸钾、甲酸钠、乙酸钠和苹果酸钠中一种或几种。进一步的，步骤(4)中，所述碳化-活化包括如下步骤：将经过陈化的混合料放于碳化硅坩埚中，在氮气保护的电炉内升温至850℃到880℃，保温1～1.5个小时，降温至室温，得到碳化料。进一步的，步骤(5)的后处理包括如下步骤：将碳化料经第一轮水洗，酸洗，第二轮水洗，烘干，研磨至D50＝5～8微米，得到电容炭。具体的后处理包括7个步骤：(a)取出坩埚里煅烧后结块的混合物料，放在研钵里，淋少量去离子水，仔细研磨成浆；(b)热水浸泡1小时，过滤，保存滤液，再用热水浸泡1小时，过滤，保存滤液，与第一次的滤液合并，用于回收碱；(c)再用热水洗涤和过滤2次，保留滤液，用于中和后面的酸洗液；(d)用1M盐酸浸泡12小时，过滤；(e)水洗3到4次，至pH＝6到7。(f)140℃下烘干12小时；(g)气流研磨机研磨到D50在5到8微米，得电容炭产品。进一步的，步骤(6)中，所述回收碱活化剂是从碳化料前两次水洗的滤液中回收。纸浆蒸煮和电容炭活化过程中使用的各种碱(NaOH、Na2S、K2CO3)，剩余部分都在步骤(5)的前2次水洗液中，根据总碱度和硫化度的测定，把碱滤液分为两部分，第一部分碱液循环用作步骤(1)的蒸煮碱液，适当补充NaOH和Na2S；第二部分碱液用溶剂蒸发法或电渗析法回收固体碱，循环用作步骤(3)的碱活化剂，适当补充K2CO3。本专利技术的工艺路线技术原理如下：本专利技术研究发现，木质素是一种来源于生物质的天然树脂，有许多不同于其它电容炭原料的优异性质，有大量活性官能团，如酚羟基、醇羟基、醚氧基、甲氧基、羰基等，可以突破传统的碳化、活化两步法，采用全新的活化剂和活化技术制造电容炭。例如使用特定的助活化剂(如尿素)打开木质素的氢键网络，使碱性钾盐或钠盐小分子活化剂与木质素大分子的官能团形成分子间复合物，碳化-活化连续进行，实现精准高效定点活化，对设备和环境的污染小，成本低，产率高，品质远高于传统原料的电容炭产品。遗憾的是目前市场上没有批量木质素原料可选用，至今还没有实现木质素电容炭的规模化生产。碱法造纸要用碱分离纤维素和木质素，产生的黑液中含有大量的碱木质素；另一方面，用木质素生产电容炭需要用碱作为活化剂，因此，有可能把木质素电容炭的生产与碱法造纸产业联合在一起，实现纸浆和木质素电容炭的联合生产。据此，本专利技术提出了纸浆-电容炭联合生产技术线路。以木质素为原料烧制电容炭需要用碱性的钾盐或钠盐为活化剂，特别是K2CO3或Na2CO3。制浆工业有多种工艺，采用不同的碱试剂分离木质素和纤维素，最常用的是硫酸盐法(Kraft法)，使用NaOH和Na2S分离木质素，产生的碱木质素中含有这两种碱性物质。本专利技术用硫酸盐法产生的碱木质素烧制电容炭时，NaOH和Na2S可以起到一定的活化剂作用，并可以通过水洗和酸洗从电容炭中清除。同时，烧制电容炭使用的活化剂K2CO3或Na2CO3，回收后进入了蒸煮纸浆的碱液，也可以起分离木质素的作用。纸浆和电容炭的联合生产方案可以降低造纸工业的运行成本，废弃物木质素得到高值利用，延长了产业链，提高产值，减小了污染，提供了一条绿色、环保、可持续发展的道路，有良好的生态效益、社会效益和经济效益。本专利技术的有益效果如下：第一，传统的造纸和木质素电容炭制造是两个没有关系的产业，造纸厂在提取了纤维素后，含木质素的黑液被排放，或浓缩后烧掉；如果电容炭生产厂想用木质素为原料制造电容炭，则需要从造纸黑液中提取木质素，工艺过程长，成本高，还有附加污染本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纸浆-电容炭联合生产的方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)造纸原料使用碱法制浆，压滤分离，得到粗纸浆和黑液；/n(2)粗纸浆用于制备纸浆产品，黑液经浓缩和烘干制取碱木质素干粉；/n(3)碱木质素干粉与碱活化剂和助活化剂混合、研磨、陈化，得到混合料；/n(4)混合料经碳化-活化，得到碳化料；/n(5)碳化料经包括水洗的后处理得电容炭；/n(6)从碳化料的水洗液中回收碱活化剂，所述回收的碱活化剂循环用作步骤(1)制浆的碱液和步骤(3)制备电容炭的碱活化剂，补充消耗的部分。/n

【技术特征摘要】
1.一种纸浆-电容炭联合生产的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)造纸原料使用碱法制浆，压滤分离，得到粗纸浆和黑液；
(2)粗纸浆用于制备纸浆产品，黑液经浓缩和烘干制取碱木质素干粉；
(3)碱木质素干粉与碱活化剂和助活化剂混合、研磨、陈化，得到混合料；
(4)混合料经碳化-活化，得到碳化料；
(5)碳化料经包括水洗的后处理得电容炭；
(6)从碳化料的水洗液中回收碱活化剂，所述回收的碱活化剂循环用作步骤(1)制浆的碱液和步骤(3)制备电容炭的碱活化剂，补充消耗的部分。


2.如权利要求1所述的一种纸浆-电容炭联合生产的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述碱法制浆包括NaOH和Na2S的硫酸盐制浆法(Kraft法)和NaOH的烧碱制浆法。


3.如权利要求1所述的一种纸浆-电容炭联合生产的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述碱木质素干粉的制取包括如下步骤：将黑液于120℃～140℃下烘干至干胶，继续烘干至恒重后研制成粉末，或喷雾干燥，得碱木质素干粉。


4.如权利要求1所述的一种纸浆-电容炭联合生产的方法，其特征在于：步骤(3)的具体步骤如下：按碱木质素干粉：碱活化剂：助活化剂＝1：1～1.5：0.25～0.5的质量比，在碱...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜奇石，唐培朵，龙思宇，冼学权，
申请(专利权)人：广西科学院，
类型：发明
国别省市：广西;45