富氮水解液强化水热掺氮制备活性炭及其室温脱硫应用制造技术

本发明专利技术属于活性炭制备领域，公开了一种富氮水解液强化水热掺氮制备活性炭及其室温脱硫应用，制备方法包括以下步骤：

【技术实现步骤摘要】
富氮水解液强化水热掺氮制备活性炭及其室温脱硫应用


[0001]本专利技术属于活性炭制备领域，更具体地，涉及一种富氮水解液强化水热掺氮制备活性炭及其室温脱硫应用，基于富氮水解液及活化制备得到的氮掺杂活性炭尤其可作为室温硫化氢脱除催化剂应用
。

技术介绍

[0002]硫化氢是一种嗅阈值极低
(0.41ppbv)
的常见的有毒有害酸性气体，普遍存在于许多工业过程中，如污水处理厂
、
垃圾填埋场
、
石油或天然气生产过程以及石化加工厂等其他碳氢化合物过程
。
硫化氢会对一些设备和管道产生腐蚀，而且可转化为二氧化硫造成酸雨，造成严重的大气污染
。
美国和丹麦的管道天然气要求硫化氢含量低于
4ppmv
，而重整炉和燃料电池应用必须保持在
1ppmv
以下
。
因此，工业生产中深度脱硫对污染控制和安全运行具有重要意义
。
脱硫的方法有很多，包括化学洗涤
、
生物过滤和吸附
。
吸附法由于脱硫精度高，操作条件适中，无二次污染，是最有潜能的一种室温脱硫的方法
。
活性炭因其丰富的孔隙结构
、
高比表面积和可调的表面性能，被广泛用于室温脱硫
。
[0003]目前限制活性炭大规模应用的关键是成本，尤其是碳前驱体，碳前驱体包括金属有机物
、
聚合物和生物质等，而城市生活垃圾来源多
、/>体量丰富，在大规模制备活性炭方面具有潜在应用价值
。
城市生活垃圾中高含水率固废
(
含水率一般为5％～
65
％；含水率是指固废中所含水分质量占固废总质量的百分比，国外发达国家厨余平均含水率为
25
％
)
所占比例最大
。
然而，传统活性炭制备方法
—
热解原料再活化的方法并不适用于高含水率原料
。
[0004]近些年来，利用水热炭化法将高含水率固废直接转化为水热焦引起了广泛关注，一定程度上实现了节能环保的理念
。
水热炭化是一个在中等温度
(180
～
250℃)
和中等压力
(1.0
～
2.5MPa)
的亚临界水中发生热化学过程，水热焦含有丰富的官能团，这使其具有非常大的活化潜力，可用于生产高活性的多孔碳
。
例如，
CN111841495A
公开了一种多孔高比表面积茶渣生物炭的制备方法，将茶渣进行水热处理，之后将干燥的茶渣水热炭和碳酸氢钾浸渍混合均匀，进行热解获得发达孔隙结构的生物炭，比表面积高达
1405m2/g。
利用高含水率有机固废水热加活化制备活性炭不仅具有成本优势，而且还可以获得高孔隙率的活性炭
。
但目前利用水热焦制备的活性炭仍存在活性位点不足，性能差，难以应用于实际工业脱硫
。
[0005]活性炭的表面化学性质是影响脱硫性能的关键因素
。
杂原子的掺杂可改变多孔碳表面的化学特性，以提升多孔碳对特定吸附对象的吸附能力
。
其中氮的掺杂可以增加碱性官能团的含量和缺陷，从而促进硫化氢的吸附
、
解离或氧的化学吸附
。
在有氧条件和一定湿度时，活性炭还可以直接作为催化剂，催化硫化氢与氧气反应生成单质硫
。
例如，在室温预湿润条件下，
N
掺杂可以将突破硫容从
54.0mg/g
提高到
90.5mg/g(
也就是说，在相同条件下，每
g
未掺杂的活性炭能够吸附硫化氢
54.0mg
；
N
掺杂后，每
g
氮掺杂的活性炭能够吸附硫化氢
90.5mg)
，
N
的引入可以通过增加微孔的尺寸和体积来增加硫化氢的吸附量和氧化程度
。
富氮活性炭大规模应用不仅受限于碳前驱体还有氮前驱体的成本
。
目前氮掺杂多孔碳通常是通过热处理氮掺杂剂和碳前驱体的物理混合物而产生的，而
Xiao
已证明，与物理混合法相
比，氮掺杂辅助水热工艺可以实现氮掺杂剂与原料的充分接触和相互作用
。CN110342512A
通过有机固废水热掺氮方法制备出掺氮水热炭，再将水热炭和碳酸钾
、
碳酸氢钾或氢氧化钾活化剂混合后进行活化处理，制备出多孔含氮多孔碳
。
该方法运用了三聚氰胺
、
尿素
、
双氰胺中的任意一种作为掺氮剂
。
这种方法操作步骤繁琐，且掺氮剂成本高
。CN112456488A
公开了一种含氮多级孔生物炭及其制备方法及应用，将生物质和双氧水溶液进行水热反应，得到水热炭，再将水热炭进行热解，得到具有发达的微孔和介孔的多级孔生物炭，含有丰富的氮官能团，具有优异的酸性气体脱除性能
。
该方法运用的掺氮剂为尿素
、
三聚氰胺或双氰胺中的至少一种
。
这种方法也存在掺氮剂成本高的问题
。CN108483442A
公开了一种高介孔率氮掺杂炭的合成方法，将竹笋壳进行水热反应得到水热炭前驱物，接着将水热炭前驱物与氮源物进行低温碳化处理，得到碳化物；最后将碳化物与活化剂进行活化处理，得到一种高介孔率氮掺杂炭
。
该方法运用的掺氮剂为尿素
、
乙二胺
、
三聚氰胺
、
聚苯氨
、
吡啶以及吡咯中的至少一种
。
这些公开的专利中，掺氮化学试剂的使用会显著增加活性炭的成本
。
因此，开发一种制备成本低廉
、
工艺温和
、
生态环保的多孔生物炭成为当前研究的重点
。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种富氮水解液强化水热掺氮制备活性炭及其室温脱硫应用，其中通过对工艺流程的整体设计进行改进，使用高含水率富氮有机固废为原料，先通过热水解反应得到富氮水解液，再利用富氮水解液与其他高含水率有机固废进行水热反应得到含氮水热焦，最后活化处理最终得到氮掺杂活性炭，不仅可实现固体废弃物无害化
、
减量化和资源化，还解决了目前碳基催化剂制备成本高的问题，该方法可制备高比表面积的碳基催化剂，在碳基催化剂的制备和应用领域具有很高的实用价值
。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种富氮水解液强化水热掺氮制备活性炭的方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008](1)
将高含水率富氮有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种富氮水解液强化水热掺氮制备活性炭的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)
将高含水率富氮有机固废与液态水混合，进行热水解反应；反应结束后，冷却至室温，固液分离，保留上清液，得到富氮水解液；其中，所述高含水率富氮有机固废的含水率为
5wt.
％～
88wt.
％，干基状态下的氮含量不低于
4wt.
％；
(2)
将所述富氮水解液与高含水率有机固废混合后进行水热反应；反应结束后，收集固体产物，清洗
、
干燥后得到含氮水热焦；其中，所述高含水率有机固废的含水率为
5wt.
％～
88wt.
％；
(3)
将所述含氮水热焦与固态活化剂混合，然后在保护性气氛的条件下加热进行活化反应，反应结束后，洗涤
、
干燥即可得到氮掺杂活性炭；其中，所述固态活化剂为固态含钾活化剂
。2.
如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤
(1)
中，所述高含水率富氮有机固废选自市政污泥
、
小球藻
、
猪肉类厨余中的任一种或任意两种的组合；所述高含水率富氮有机固废与液态水混合满足：
(
高含水率富氮有机固废的干基质量
)
：
(
高含水率富氮有机固废中含有的水的质量
+
液态水的质量
)
为
1:3
～
1:10。3.
如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤
(1)
中，所述热水解反应的反应温度为
120
～
200℃
，反应时间为
0.5
～
1.5h
；优选的，所述步骤
(1)
中，所述富氮水解液还经过了浓缩处理，使得其总氮浓度为
2000
～
10000ppm。4.
如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤
(2)
中，所述高含水率有机固废为大米厨余
、
瓜皮厨余
、
废纸浆中的一种或几种；所述富氮水解液与高含水率有机固废混合满足：
(
高含水率有机固废的干基质量
)
：
(
高含水率有机固废中含有...

【专利技术属性】
技术研发人员：张茂龙，李新琴，乔瑜，黄经春，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：