一种生物质低温水热与低温碳化制备多孔碳材料的方法技术

一种生物质低温碳化制备多孔材料的方法，涉及一种多孔材料的制备方法，属于多孔材料制备及生物质高质化利用技术领域。目的是解决现有制备多孔碳材料成本高、能耗大等问题。其制备方法：将生物质原料通过膨化机挤压膨化后粉碎，得膨化的生物质粉末。按一定比例称取膨化后生物质粉末和水热催化剂的水溶液，加入到高压水热釜进行水热反应后，过滤后得到的固体物料在氮气保护下进行低温碳化，再冷却，即得到生物质多孔碳材料。其比表面积为945.5～1067.4m2/g，产率为72.0%～85.0%，同该材料对尿素具有优异的吸附性能，吸附量为278.9～289.6mg/g。本发明专利技术的制备方法，具有原料来源广、制备工艺简单、反应条件温和、产物的吸附性能优良等特点，在缓释尿素、催化应用、有机污水处理、重金属吸附及储能材料等领域具有广阔的应用前景。应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种生物质低温水热与低温碳化制备多孔碳材料的方法


[0001]本专利技术涉及一种生物质多孔碳材料的绿色高效的制备方法，属于多孔材料合成及生物质高质化应用领域。具体说的是一种生物质低温碳化制备多孔碳材料的方法。

技术介绍

[0002]随着社会经济的发展，全球能源需求快速增长，化石燃料日渐枯竭，环境和气候不断恶化，生物质作为可再生能源在全球能源体系中扮演的角色越来越重要。生物质具有便宜易得、储量巨大、可再生、CO2中性（生物质在利用过程中产生的CO2和植物生长过程中吸收的CO2近乎达到平衡）等优点。以生物质为原料制备的多孔材料由于其高比表面积，孔隙结构发达、化学稳定性良好、耐酸碱等特性以及优异的导电导热性和生物相容性而被广泛应用在电化学电容器、锂（钠）离子电池电极材料、气体吸附、催化剂载体、离子吸附、荧光标记、细胞生物学等学科和领域。
[0003]生物质基多孔材料是指生物质经高温碳化形成的多孔材料，主要是以碳素为骨架，具备高比表面积、发达孔隙结构、化学稳定性、优良的物理机械强性能，已广泛用于污水处理、储能等领域。生物质基多孔碳材料是指以天然生物质（树木、竹子、果壳、果皮、动物骨骼、羽毛等以及生物衍生物（动物明胶、氨基酸、葡萄糖、淀粉、纤维素、生物橡胶等）为碳源经过以上一种或几种制备方法相结合，制备出多孔碳材料。属非晶态石墨，因此其具有相对较大比表面积（1000m2/g以上）以及发达的孔隙结构，并且生物质中含有一定量 C以外的其它元素（N、P、S 等），经过合理的改性方法，可以制备出杂原子掺杂多孔碳材料。生物质多孔碳材料中蕴含稳定的碳元素，还田后可作为土壤有机质的结构组分，起到稳定土壤有机碳库的效果，进而减少温室气体排放。同时对土壤有机污染物具有吸附和降解作用，可以削减农药残留从而起到抑制污染物富集的作用；还可以降低土壤中重金属的有效性，减少农作物对重金属的吸收。因此具有改良和修复土壤的多重效果，如提高土壤比表面积、减少土壤容重、增加持水率、提高pＨ值和土地肥力同时可以提高土壤中微生物数量、增加酶活性，进而提高土地肥力等。
[0004]中国专利申请（CN 109052362A）报道了一种生物质多孔碳吸附材料的制备方法，利用酒糟、淀粉、甘油为原料球磨混合的均浆，在加入改性填料，冰晶石、卡波姆、阿拉伯胶进行发酵，发酵后加入氯化铝混合均匀，用氢氧化钠溶液调PH至碱性，再在进行干燥、粉碎、筛分得到料坯，然后在1000℃下进行碳化得到多孔碳，其比表面积为1023～1564 m2/g。
[0005]中国专利申请（CN 112265991A）报道了一种生物质多孔碳的制备方法，此方法利用蛋白胨和牛骨粉末为原料，在400℃碳化成前驱体，在加入钾盐与前驱体充分混合后在700～900℃下进行热裂解，保温1.5～2h得到的碳,再用强酸溶液进行洗涤、干燥，得到的生物质多孔碳的比表面积为1415～2110 m2/g，对苯蒸汽的吸附量为90.6～440.7mg/g。
[0006]生物质碳材料的另外一种制备方法是水热碳化法，中国专利申请（CN108033447A）报道了以玉米秸秆为原料，与氯化钙溶液混合静止12～24h后在300℃～350℃进行水热碳化2～3h，再将预碳化物加热至500℃～700℃进行高温活化处理1～3h得到活化产物；进一
步将所述活化产物，用无机强酸浸泡12～24小时,再用70～80℃的水洗涤至中性得到生物质碳材料，其比表面积为237.2～370.6m2/g。
[0007]中国专利（CN112194132 A）报道了一种基于毛竹水热碳化制备多孔碳材料制备方法，将原料毛竹与硫酸铁按一定比例在160～200℃水热碳化12～36 h，再加入碳酸氢钾，氩气氛围下650～850℃高温活化1h，所得材料经盐酸洗后再水洗，得到的多孔碳材料比表面积为1510m2/g。
[0008]现有的多孔碳材料制备方法，大多需要高温活化、酸碱水洗、工艺复杂、能耗大，对设备的耐腐蚀性要求高，并需要进行强酸和强碱废液处理问题。因此急需一种制备过程简单环保、能耗低、生产成本低的制备方法。

技术实现思路

[0009]针对目前多孔碳材料制备过程中存在成本高、碳化温度高、能耗大的问题，本专利技术提供了一种低温水热与低温碳化相结合制备生物质多孔碳材料的方法。
[0010]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种低温水热与低温碳化制备生物质多孔碳材料的方法，将生物质原料通过膨化机挤压膨化后粉碎，得膨化的生物质粉末。按一定比例称取膨化后生物质粉末和水热催化剂的水溶液，加入到高压水热釜在80℃～100℃条件下进行水热反应1～3h，过滤后得到的固体物料在氮气保护下程序升温到300℃～500℃低温碳化1～3h，冷却到室温，即得到生物质多孔碳材料。
[0011]所述的生物质原料为玉米芯、玉米秸秆、稻草、果壳、麦秆、稻壳等。
[0012]所述的膨化生物质粉末为80目～200目。
[0013]所述的生物质粉末质量与催化剂水溶液的质量比为1:1～10。
[0014]所述的水热催化剂为氯化铵、氯化锌、氯化钠、醋酸铵、醋酸锌、EDTA钠等，催化剂的用量为生物质原料质量的0.01～0.9wt%，优化为0.02～0.2 wt%所述的水热温度为80
‑
140℃，优选90
‑
130℃所述的制备方法中，低温碳化温度为300
‑
500℃.升温速度为5℃
‑
8℃/min。优选350
‑
450℃。
[0015]与现有多孔碳材料制备技术方法相比，本专利技术具有以下有益效果：1）、本专利技术采用了低温（80～140℃）水热与低温（300～500℃）碳化结合的方法来制备多孔碳材料，不需要酸、碱水洗工序，产品性能与目前的制备方法相当。与目前的高温碳化或水热后碳化的方法相比，有效解决了目前工艺中存在的能耗高、过程复杂等技术难题;2）、本专利技术的方法不采用强碱等介导的高温碳化过程，在制备材料过程中，不使用强酸强碱溶液（传统工艺中使用KOH、盐酸等）冲洗，因此过程对设备的要求低，过程能耗低，生产成本低，过程清洁友好，更具工业化实施应用的潜力;3）、采用膨化技术对原料进行预处理，膨化后原料呈现出更多的片层结构，结构更加疏松，有利于后续的水热和低温碳化过程，为温和条件下制备优良的多孔碳材料提供了前提条件;4）、本专利技术制备的生物质多孔碳材料，与目前方法制备的材料性能相当，产率高，
72%～85%，因此综合成本低。因此在实际应用中，比目前的同类材料更具有市场竞争性。另外对尿素具有优异的吸附性能，有望成为新型可降解缓释尿素制备的理想载体。
[0016]具体实施案例通过具体实施例对本专利技术的方法进行说明，但本专利技术实施所述技术方案仅用于进一步说明技术方案，但并不局限于此。
[0017]实施例1：称取1.0 g 100目处理后的玉米秸秆粉、0.02g氯化铵和10ml去离子水加入到200ml高压水热反应釜中,在温度120℃下反应3 h。冷却到室温，后用去离子水对产物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物质低温水热与低温碳化制备多孔材料的方法，其特征在于：将生物质原料通过膨化机挤压膨化后粉碎，得膨化的生物质粉末；按一定比例称取膨化后生物质粉末和水热催化剂的水溶液，加入到高压水热釜在80℃～140℃条件下进行水热反应1～3h，过滤后得到的固体物料在氮气保护下，经程序升温到300℃～500℃下碳化1～3h，冷却到室温，即得生物质多孔碳材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的生物质原料为玉米芯、玉米秸秆、稻草、果壳、麦秆、稻壳等。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的生物质粉末颗粒为80目～200目。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的生物质粉末质量与催化剂水溶液的质...

【专利技术属性】
技术研发人员：张龙，王杏，王成仟，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：