CN103274391A

CN103274391A - 一种碱溶性水热炭的制备方法

Info

Publication number: CN103274391A
Application number: CN2013102590013A
Authority: CN
Inventors: 郭玉鹏; 丁丽丽; 邹博; 赵凯; 顾小雪; 王子忱
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2013-09-04

Abstract

本发明公开了一种碱溶性水热炭的制备方法，本发明以稻壳为原料，经过硫酸的催化水解，通过低温水热反应制备了碱溶性水热炭，本发明的具体步骤：稻壳经过72wt%的硫酸催化水解，获得含有糖类及糖类降解产物的溶液，将此溶液稀释至10%-45%的酸浓度，低温水热碳化获得水热炭，通过加入不同浓度的酸碱控制水热炭的溶解聚合过程，本发明制备的水热炭在碱性条件下溶解，酸性条件下重新聚合，溶解和聚合具有可重复性，本发明所述的方法操作简单，容易实现。

Description

一种碱溶性水热炭的制备方法

技术领域

本发明涉及一种碱溶性水热炭的制备方法，具体涉及一种碱性条件下溶解，酸性条件下聚集的水热炭的制备方法。

背景技术

炭球是一种具有优异的导电导热性的材料，炭球表面含有大量的官能团，可以与其它分子、离子、官能团形成新型的材料，可在能源（包括锂离子电池、超级电容器）、催化剂载体、吸附剂等领域应用。

利用廉价的生物质生产功能性纳米材料具有重要的意义。生物质中含有大量的木质素、纤维素、半纤维素，许多研究者利用生物质生产炭质材料。水热法是制备炭微球的理想方法，它可以在较为温和的条件下进行，制备较纯的炭球。水热法制备的炭球表面具有很多亲水官能团，可以进一步的表面修饰。此外，水热技术还能合成出特种结构，特种凝聚态的新化合物；流程简单；制备的纳米颗粒，具有可重复性，粒径分布窄，形貌可控等特点。

利用酸、碱或其它化学物质可以将生物质中的半纤维素、纤维素、木质素等转变成糖类及其降解产物。用于酸水解的酸可以为：硫酸，磷酸，盐酸。其中硫酸的利用最广泛，在硫酸存在下，可以发生很多反应，包括水解，脱水，水合，异构化等反应。通过硫酸的催化水解作用，可以降低水热反应的温度，在更低的温度下进行。酸水解也具有许多报道，专利CN101161666A中利用浓硫酸水解植物纤维原料制备了含糖的水解液。专利CN101906489A中公开了一种棉杆稀酸水解的方法，包括棉杆的预处理步骤、棉杆的稀酸水解步骤，该专利还提供了一种棉杆稀酸水解制备乙醇的方法。专利CN102719499A公开了一种利用玉米秸秆水解液发酵生产微生物油脂的方法，该发明首先将玉米秸秆通过酸水解获得木质纤维素水解液，然后经过Ca(OH)₂脱毒处理，得到微生物油脂。专利CN103086872A公开了一种马铃薯淀粉渣制备草酸的方法，该方法利用马铃薯粉渣的主要成分淀粉和纤维素，用浓硫酸水解，硝酸氧化，将淀粉转化成草酸。

可控型材料在高分子科学、纳米技术、生物传感器及微电子领域具有巨大的潜在应用价值。它通过外界刺激的改变（包括：酸碱、溶剂、离子、温度、光等的改变）而实现材料性质的改变。

如上所述，若制备一种可以通过外界刺激实现性质改变的水热炭将会具有巨大的实际意义。

发明内容

本发明目的是提供一种碱溶性水热炭的制备方法，通过酸碱性的改变，控制水热炭的溶解和聚集，实现水热炭性质的改变。本发明采用酸催化水解稻壳，低温水热碳化制备出水热炭，通过酸碱性的改变，控制水热炭的溶解和聚合，具体包括以下步骤：

将稻壳与质量分数为72%的硫酸混合，稻壳与硫酸的固液比例为1:10（g/ml）,混合物在50 ℃反应10 min，获得含有糖、糖类降解产物和酸的混合液，通过水的加入，调节酸度至20-45%，在温度60 ℃反应2 h，然后升温至95 ℃反应6 h，过滤，洗涤，获得水热炭球。通过滴加1-4 mol/L的NaOH或KOH溶液实现水热炭的溶解，滴加1-4 mol/L的硫酸，使水热炭重新聚合。碱溶解反应和酸聚合反应可以反复进行。

本发明的特征在于：所述一种碱溶性水热炭的制备方法中水热炭的原料为稻壳。

本发明的特征在于：水热碳化过程中，所述硫酸的浓度低于45wt%。

本发明的特征在于：所述的水热炭在碱性条件下溶解，酸性条件下聚合，此过程是可重复的。

具体实施方式

实施例1：

（1）将稻壳与72 wt% 硫酸（标记为酸Ⅰ）按固液比为1：10（g/ml）混合，在50 ℃水浴中反应10分钟，调节酸浓度（标记为酸Ⅱ）至45 wt%，过滤获得含糖、糖类降解产物与酸的混合溶液；

（2）将含有糖、糖类降解产物和酸的混合溶液在60 ℃反应2 h、95℃反应6 h，过滤、洗至中性，获得直径为190-210 nm水热炭球。

（3）向水热炭球中滴加2 mol/L的NaOH，使其溶解，获得溶解液，溶解液中粒子为20-30 nm。

（4）向溶解液中加入2 mol/L的硫酸，使其重新聚合，获得直径为40-50 nm的水热炭。

（5）重复（3）和（4）的过程。

实施例2：

（1）改变实施例1（1）中酸Ⅱ浓度为30 wt%，其余如实施例1中（1）和（2）所述，获得直径为175-200 nm水热炭球。

（2）改变实施例1（3）中NaOH浓度为3 mol/L,其余如实施例1（3）所述，溶解液中粒子为30-40 nm。

（3）改变实施例1（4）中硫酸浓度为3 mol/L,其余如实施例1（3）所述，溶解液中粒子为50-65 nm。

（4）重复（2）和（3）的过程。

Claims

1.一种碱溶性水热炭的制备方法，其具体步骤如下：

（1）将稻壳与质量分数为72%的硫酸以固液比为1:10（g/ml）混合,混合物在温度50 ℃反应10 min，获得含糖、糖类降解产物与酸的混合液；

（2）向（1）中混合液加入蒸馏水，调节酸度至质量分数20-45%，在温度60 ℃反应2 h，然后升温至95 ℃反应6 h，过滤，洗涤，获得水热炭球；

（3）通过滴加1-4 mol/L的NaOH或KOH溶液，溶解水热炭，获得溶解液，向溶解液中滴加1-4 mol/L的硫酸，使水热炭重新聚合，碱溶解反应和酸聚合反应可以反复进行，通过控制酸碱的浓度，控制水热炭的溶解，聚合。

2.一种如权利要求1所述的一种碱溶性水热炭的制备方法，其特征在于：所述生产水热炭的原料为稻壳。

3.一种如权利要求1所述的一种碱溶性水热炭的制备方法，其特征在于：所述的酸为硫酸。

4.一种如权利要求1（2）所述的一种碱溶性水热炭的制备方法，其特征在于：所述的混合液酸度调到低于45%。

5.一种如权利要求1所述的一种碱溶性水热炭的制备方法，其特征在于：所述的碱溶解和酸聚合过程是可重复进行的。