CN103585956A - 一种磁性木质素基活性炭的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁性木质素基活性炭的制备方法。具体是将木质素与化学活化剂、磁性添加剂用水调成糊状，混合均匀；烘干后于650～850℃进行炭化活化，活化时间为0.5～3h，之后淬火冷却。再用稀酸和水依次洗涤，至pH值为6～8，烘干，磨细，即得磁性木质素基活性炭。本发明经过简便的一步法制备过程即能实现活性炭的定向制备技术与磁功能化技术耦合，所用活化剂对环境友好，得到的磁性活性炭比表面积高、吸附性能好且具有足够磁强度和磁稳定性。

Description

一种磁性木质素基活性炭的制备方法

技术领域

本发明涉及一种磁性活性炭的制备方法，尤其涉及由木质素制备磁性活性炭的方法。

背景技术

活性炭是一种具有丰富孔隙结构和巨大比表面积的碳质吸附材料，其吸附性能优异、化学性质稳定，已被广泛应用于工业、国防、交通、医药卫生、环境保护等领域。但活性炭在应用中分离回收困难，传统的过滤法容易引起筛网堵塞或活性炭流失。与之相比，磁分离技术具有方便、快捷、质高、价廉等优点，因此磁性活性炭的研制已成为当今活性炭领域的研究热点之一。

综观国内外研究，给活性炭赋磁的方法可分为一步法和两步法。报道较多的两步法是以成品活性炭为基料，采用碾磨、吸附、浸渍、共沉淀或黏合等方法将磁性材料(或前体)与活性炭进行“物理-机械”式的结合，制成碳／磁复合材料。虽然这些材料在一定程度上满足了活性炭赋磁的要求，但存在二次加工、工艺复杂；处理条件苛刻、成本高；活性炭孔隙易被添加剂填堵，吸附能力降低；磁性体易脱落、磁性能不稳定等问题。一步法制备磁性活性炭是将磁性添加剂掺入到制备活性炭的基料中，再经炭化活化获得。这样有利于磁性添加剂参与到制备活性炭的整个过程，获得磁性稳定、孔隙结构发达的活性炭产品。此外，炭质原料中掺入的磁性添加剂，不仅能给活性炭赋磁，而且具有化学活化剂的功能，能单独或协同其他活化剂实现对活性炭孔隙形成和发育的调控。

目前，有关一步法制备磁性活性炭的报道主要集中在煤基磁性活性炭。申请号为200910077154.X，名称为“一种磁性活性炭的制备方法和该磁性活性炭”以煤为基料，以磁性金属单质／化合物为磁性添加剂，通过物理活化制备了孔结构可控、磁性能稳定的煤基磁性活性炭。但由于赋磁过程使用了粘结剂，因而易造成孔隙堵塞。“一种煤基磁性活性炭的制备方法及其煤基磁性活性炭”(专利号CN201010525821.9)和“一种煤基锰磁性活性炭的制备方法”(申请号201210103528.2)分别以Fe(OH)₃和电解锰渣为磁性添加剂，以脱灰煤粉为基料，采用强碱KOH／NaOH进行化学活化处理，获得了易于分离回收的煤基磁性活性炭。

以含碳丰富的废弃生物质为原料制备用途广泛的磁性活性炭，不仅可以降低活性炭的生产成本，而且可为大量废弃生物质的处置提供有效的方法。申请号为200910080168.7，名称为“废弃生物质制备C-Fe壳核磁性活性炭的新工艺”将废弃生物质与ZnCl₂和FeCl₃的混合液混合，经高温裂解可获得了高比表面积、孔容和高磁强度并具有C-Fe壳核结构的磁性活性炭。名称为“一种活性炭颗粒及其制备方法”(专利号CN201010183314.1)将秸秆碎片经FeCl₃浸泡、烘干，碳化，CO₂物理活化，获得了比表面积高、具有磁性的活性炭。木质素具有较高的碳含量和与烟煤相似的分子结构，是生产活性炭较理想的前驱体。目前以植物纤维为原料的产业，如纺织、制浆造纸、木材水解、生物质材料、生物质能源等，木质素基本上都作为废弃物排出。因此，以木质素为原料生产磁性活性炭，既可促进木质素的高值化利用，又可减轻废液排放对环境的污染。

K₂CO₃和KHCO₃的碱性较弱，对设备腐蚀性小，又可避免ZnCl₂所带来的潜在的环境污染，是化学活化法制备活性炭过程中较优良的活化剂[DAdinata,WMAWDaud,M K Aroua.Preparation and characterization of activated carbon from palm shell.bychemical activation with K₂CO₃,Bioresource Technology,2007,98：145-149.I I Gurten,MOzmak，E Yagmur,et al. Preparation and characterisation of activated carbon from wastetea using K₂CO₃.Biomass and Bioenergy,2012，37：73-81.]，但在一步法制备磁性活性炭的研究中尚未见报道。

鉴于两步法制备磁性活性炭存在的缺陷及目前常用化学活化剂的不足，本发明以木质素为原料，采用K₂CO₃、KHCO₃中的一种或两种的混合物为活化剂，铁粉、Fe₃O₄中的一种或两种的混合物为磁性添加剂，进行炭化活化处理。经过简便的一步法制备工艺过程，能有效实现活性炭的定向制备技术与磁功能化技术耦合，获得比表面积高、吸附性能好且具有足够磁强度和磁稳定性的磁性多孔材料。

发明内容

本发明的目的在于一步法实现活性炭的定向制备技术与磁功能化技术耦合，提供一种用木质素制备高吸附性磁性活性炭的方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

(1)预处理：将木质素、磁性添加剂与活化剂的水溶液调成糊状，混合均匀，烘干后得预处理混合料。活化剂为K₂CO₃、KHCO₃中的一种或两种的混合物，木质素：活化剂：磁性添加剂=4：2-8：0.2-0.6(质量比)。

(2)炭化活化处理：将步骤(1)所述的混合料放入炭化炉，升温至650～850℃进行炭化活化，活化时间为0.5～3h，之后淬火得炭化活化样。

(3)后处理：将步骤(2)所制的炭化活化样用稀酸和蒸馏水依次洗涤至pH值为6～8，烘干，磨细，即得磁性木质素基活性炭。

验证表明，本发明所制磁性木质素基活性炭孔隙发达，对1000mg/L亚甲蓝的吸附值均在250mg/g以上，最大为348mg／g，远高于木质净水用活性炭一级品质量指标(GB／T13803.2-1999)。验证同时表明，磁性木质素基活性炭中的磁性体主要为Fe₃O₄，具有较好的磁性，在使用中易于通过磁选法分离回收。

本发明具有的积极效果：本发明制备的磁性木质素基活性炭不仅孔隙发达、吸附性能高、具有足够的磁强度和磁稳定性，而且炭化活化过程排放污染物较少，具有显著的环境效益、经济效益和社会效益。

附图说明

图1：本发明实施例3方法制备的磁性木质素基活性炭的SEM图。

图2：本发明实施例6方法制备的磁性木质素基活性炭的SEM图。

图3：本发明实施例3方法制备的磁性木质素基活性炭的XRD图。

图4：本发明实施例6方法制备的磁性木质素基活性炭的XRD图。

图5：本发明实施例3方法制备的磁性木质素基活性炭的磁滞回线。

图6：本发明实施例6方法制备的磁性木质素基活性炭的磁滞回线。

图7：本发明实施例6方法制备的磁性木质素基活性炭的磁分离效果图。

具体实施方式

实施例

为了更好理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明要求保护的范围不局限于实施例所表示的范围。

实施例1～14以木质素制备磁性活性炭的一般工艺过程如下：

按木质素：活化剂：磁性添加剂＝4：2-8：0.2-0.6(质量比)称取木质素、活化剂和磁性添加剂。将木质素和磁性添加剂与活化剂的水溶液调成糊状，混合均匀，烘干。然后，放入炭化炉中升温至650～850℃进行炭化活化，活化时间0.5～3h，之后淬火冷却。用稀酸和蒸馏水依次洗涤至pH值为6～8，烘干，磨细，即得磁性木质素基活性炭。

比较例

为了对比本发明的效果：

(1)在与本发明实施例相同的工艺和条件下，采用不加活化剂也不加磁性添加剂制备木质素基活性炭；

(2)在与本发明实施例相同的工艺和条件下，采用不加活化剂制备磁性木质素基活性炭；

表1工艺条件与所得样品的亚甲基蓝吸附值

注：1#为脱碱木质素，购自日本东京化成工业公司。

2#为秸秆木质素，来源于课题组环保化提取秸秆纤维素的副产品(专利号：ZL201010141040.X)。

Claims (4)

1.一种制备磁性木质素基活性炭的方法，包括以下步骤：

(1)预处理：将木质素与活化剂、磁性添加剂用水调成糊状，混合均匀，烘干后得预处理混合料；

(2)炭化活化处理：将步骤(1)所述的混合料置于炭化炉，于炉温650～850℃进行炭化活化，活化时间为0.5～3h，之后淬火得炭化活化样；

(3)后处理：将步骤(2)得到的炭化活化样用稀酸和蒸馏水依次洗涤至pH=6～8，烘干，磨细，即得磁性木质素基活性炭。

2.根据权利要求1所述的一种制备磁性木质素基活性炭的方法，其特征在于：步骤(1)所述的活化剂为K₂CO₃、KHCO₃中的一种或两种的混合物。

3.根据权利要求1所述的一种制备磁性木质素基活性炭的方法，其特征在于：步骤(1)所述的磁性添加剂为铁粉、Fe₃O₄中的一种或两种的混合物。

4.根据权利要求1所述的一种制备磁性木质素基活性炭的方法，其特征在于：步骤(1)所述的木质素：活化剂：磁性添加剂=4：2-8：0.2-0.6(质量比)。

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