CN104703689B - 磁性活性碳以及用于制备并且再生此类材料的方法 - Google Patents

磁性活性碳以及用于制备并且再生此类材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于制备磁性活性碳的方法，该方法包括以下步骤：a)在自生压力下，在180℃与250℃之间的温度下，在酸性条件下，在铁离子的存在下，水热处理一种包含生物质的水性溶液，以获得一种前体产物；b)通过在550℃与850℃之间的高温下混合一种活化剂持续最高达9h的时间来活化在步骤a)中获得的前驱体产物。本发明还涉及根据所述方法制备的磁性活性碳以及该磁性活性碳用于分离并且储存气体以及纯化液体的用途。此外，本发明涉及一种用于从液体和/或气体中分离粒子的方法，以及通过使用振荡电磁场加热来再生磁性活性碳的方法。

Description

磁性活性碳以及用于制备并且再生此类材料的方法
发明领域
本发明涉及一种用于制备根据权利要求1所述的磁性活性碳的方法以及磁性活性碳以及所述磁性活性碳的用途。本发明进一步涉及一种用于从液体和/或气体中分离粒子的方法，以及一种用于再生磁性活性碳的方法。
发明背景和现有技术
具有磁性的活性碳具有容易从系统上分离的优势。将磁性组分沉淀或结晶到已被活化的碳的多孔网状结构中的想法简单明了并且已经成功应用。在合成期间将铁组分与前体一起结合是获得功能性和磁性活性碳的优选程序。然而，此类结合降低了活性碳的表面积和孔隙体积，并且该磁性组分仅仅被松散地整合并且可能会浸出。
水热碳化可以提供一种用于将纳米级铁组分引入到碳化材料中的有效方法。水热碳化(HTC)生物质为一种具有多种预期应用的稳定有机材料。它的相关碳化方法具有高碳效率，它放热，并且它具有温室气体的微量相关释放。巴克赛(Baccile)等人通过使富含13C的葡萄糖碳化来测定HTC葡萄糖的分子性质并且用多维固态核磁共振(NMR)光谱法研究产品。9根据此类数据他们得出结论：HTC生物质一般由主要具有呋喃部分的高度交联的聚合物组成。近期他们示出当氮气存在于有机原料中时，它包括在交联的HTC生物质中。10
可以按物理或化学方式进行普通生物质到活性碳的活化。物理活化典型地通过在高温下用空气、二氧化碳或蒸汽处理不同的含碳物质来进行。化学活化通过在高温下添加如KOH、ZnCl以及H3PO4的化合物来进行。塞维利亚(Sevilla)等人在800℃的温度下用KOH以化学方式活化从桉树锯屑产生的HTC生物质。12刘(Liu)等人用二氧化碳活化从松木锯屑和稻糠制备的HTC生物质并且达到569m2/g的比表面积。13
废弃的生物质经常具有环境问题。马粪肥的堆肥释放气候气体并且不会完全破坏可以浸出到环境中的药物残余物和病原体。草割屑将氧化亚氮和甲烷两者释放到大气中，这两者均为温室气体。来自啤酒生产的废弃物具有较低的经济价值并且主要用作动物食物。生物污泥很少可以直接用作肥料并且来自纸浆和造纸厂的那些具有不显著的商业价值。
US 7,429,330和US 7,879,136披露了一种用于制备磁性活性碳的方法，该方法通过将基于固体的氧化铁添加到皮毛/沥青混合物中，并且在碳化之前将其压制，紧接着根据现有活化方法活化成活性碳。
US2010/0155335披露了一种用于制备磁性活性碳的方法，该方法通过将已被活化的碳与一种铁溶液(具有+2或+3形式)混合，并且紧接着提高pH以使氧化铁沉淀于活性碳的孔隙中。
US2004/0147397披露了一种方法，其中在传统的碳化和活化两步方法中制备磁性活性碳。在碳化之前通过使碳前体浸泡到磁性材料前体的溶液中将可溶性铁引入碳中。
US 8,097,185披露了一种用于制备磁性活性碳的方法，其中将软木的碳前体浸泡在三价铁盐的溶液中、干燥、热解并且活化。
仍需求一种用于制备活性碳的更有效且经济的方法。还需求改进的磁性活性碳产品。存在能够使用普遍存在并且低成本的生物废弃物生物质的经济和环境优势。
发明概述
本发明的目标为提供将磁性纳米级铁组分引入活化碳化材料中的有效方法。另一个目标为提供具有高碳效率并且利用常见可获得的类别的软质和湿的生物质作为原料的碳化方法。
该目标通过根据权利要求1所述的用于制备磁性活性碳的方法实现，该方法包含以下步骤：
a)在自生压力下，在180℃与250℃之间的温度下，在酸性条件下，在铁离子存在下，水热处理包含生物质的水性溶液以获得前体产物，并且
b)通过在550℃与850℃之间的高温下混合活化剂持续长达9h的时间来活化在步骤a)中获得的前体产物。
制备根据本发明的活性碳与磁性相整合式纳米粒子的复合物的方法的第一步骤为原料的碳化。这一步骤优选在水中在高温和高压下进行。该过程放热并且具有少量的碳损耗。它开始于原始生物质的脱水和碎裂反应，继而缩合和聚合反应以提供交联的类煤前体产物(HTC生物质)。高压提高水电离常数的值并且从而提高氢和氢氧化物离子的浓度，其反过来促进碳化反应。铁离子被封装在碳结构内。
另一个优势为该方法可以用于从不同类别类型的软质和湿的生物质提供活性碳产物。使用新的加工方法使不环保气体的释放减到最少。这意味着可以使用先前因为环境、经济和/或技术原因不可以使用的生物质。生物质的一些实例为马粪肥、来自啤酒生产的废弃物、草割屑以及生物污泥。
在一个实施例中，该方法包含在活化之前萃取水热碳化生物质的另一个步骤，其中有机溶剂选自烷醇、烷基酯、或酮。在又一个实施例中，该酮为丙酮。
可以使用萃取方法从前体材料中移除液相从而改善后续活化方法。此外，可以回收有机可溶性化合物。
在另一个实施例中，在700℃与800℃之间的高温下混合活化剂持续2h与8h之间的时间。
在另一个实施例中，活化剂为一种选自下组的气体或蒸气，该组包含：CO2、稀释的O2和/或惰性气体。在又一个实施例中，该气体或蒸气为N2或H2O。
在一个实施例中，该气体或蒸气的流速在5dm3/h与75dm3/h之间。
在另一个实施例中，在大气压下每5克前体材料的流速在5dm3/h与75dm3/h之间。
流速尤其取决于该方法中所使用的生物气的量。
在一个实施例中，所使用的铁为铁盐或包含Fe2+和/或Fe3+的合金。
如FeSO4盐的盐的优势为这种盐容易获得且对于使用来说有经济方面的吸引力。
在另一个实施例中，生物质选自下组，该组包含：草割屑、来自啤酒生产的生物废弃物、马粪肥、生物污泥、碳水化合物、改性的碳水化合物、藻类、海草、甘蔗渣、鱼废弃物、哺乳动物粪肥或其混合物。在又一个实施例中，生物质选自下组，该组包含：草割屑、来自发酵和堆肥过程的生物废弃物、改性的碳水化合物、城市和工业生物污泥、氨基多糖、来自有蹄动物的排泄物(spilling)、藻类、海草、水葫芦以及甘蔗渣或其混合物。氨基多糖的实例可以是真菌和节肢动物体外甲壳中的甲壳素。来自有蹄动物的排泄物可以是马粪肥。
根据本发明的方法的一个优势为生物质的水热处理具有完全可忽略的碳排放量。当前的碳化技术产生大量CO2释放。新的方法减少从处理的生物质释放的CO2。
又一个目标为提供磁性活性碳，其中生物质粒子的外形基本上保持不受影响。
另一个目标为提供水热碳化(HTC)生物质作为具有多种前瞻性应用的稳定有机材料。另一个目标为提供来自不同废弃物生物质的HTC生物质，其已被活化成磁性活性碳，其比表面积高达约1000m2/g，产率极高。另一个目标为提供具有提高的稳定性的磁性活性碳。
通过根据上文所描述的方法制备磁性活性碳来实现这些目标。
这些目标还通过从生物质获得的磁性活性碳来实现，其特征在于包含在250m2/g与1000m2/g之间的表面积；在0.250cm3/g与1.0cm3/g之间的总孔隙体积；在0.050cm3/g与0.30cm3/g之间的微孔体积以及磁性活性碳重量的2重量％与10重量％之间的铁含量；并且进一步包含直径大于碳化生物质中的孔隙尺寸的结晶氧化铁纳米粒子。
由于良好发展并且纳米尺寸化的氧化铁粒子，通过该方法获得的产物为具有可调谐的表面积和孔隙体积、具有显著的/足够的磁化的磁性活性碳。磁性活性碳复合粒子可以通过外部磁场梯度移动并且可以通过振荡微波频段(例如在30KHz与3MHz之间)中的电磁场加热。
新的活性碳复合物的一个优势为其包含磁化氧化铁纳米粒子。可以通过施加外部磁场来移动碳复合粒子。此类粒子可以因此与液体分离。因此不需要此类过滤、沉降的当前技术来分离纳米粒子。磁性纳米粒子可以通过使用在无线电或微波频域中操作的电磁场加热。此类加热可以减少变温吸附过程中的回转循环时间。当磁性活性碳被嵌入如油、油漆以及不同建筑材料的液体或固体材料中时，可以通过施加振荡电磁场以加热嵌入磁性活性碳中的铁粒子来提供热量。循环时间的这一减少具有增加给定气体分离装置中的物流量的优势。在一个实施例中，氧化铁纳米粒子的直径在10nm与50nm之间。在另一个实施例中，氧化铁纳米粒子的直径在20nm与40nm之间。
本发明提供磁性活性碳的稳定床，其中纳米粒子稳定分散于活性碳材料中。
在另一个实施例中，表面积在600m2/g与1000m2/g之间并且总孔隙体积在0.50cm3/g与1.0cm3/g之间。
本发明提供一种生产较高表面积以及较大孔隙体积的磁性活性碳的方法。
在一个实施例中，生物质选自下组，该组包含：草割屑、来自发酵和堆肥过程的生物废弃物、改性的碳水化合物、城市和工业生物污泥、氨基多糖、来自有蹄动物的排泄物、藻类、海草、水葫芦以及甘蔗渣或其混合物。在另一个实施例中，生物质选自下组，该组包含：草割屑、来自啤酒生产的生物废弃物、马粪肥、生物污泥、碳水化合物、改性的碳水化合物、藻类、海草、甘蔗渣、鱼废弃物、哺乳动物粪肥或其混合物。
根据本发明的更有效并且有效率的方法提供改良产物。此举降低与制备方法以及磁性活性碳产物的使用相关的成本。
本发明还涉及磁性活性碳的用途，其用于分离并且储存气体；纯化液体；从污水残水和饮用水中移除药物残余物；异基因催化剂载体；水族馆和工业鱼场；工业用水；脱咖啡因工艺；化学溢出物清除；油、液体、油漆、管道以及建筑材料中被电磁加热的复合物；脱色；除臭；纯化氮气和甲烷；燃料电池、超级电容器以及电池组中的电极清洁。另一个实施例涉及以下用途：分离气体；纯化气体；纯化液体如水；医疗应用；水族馆泵；工业用水处理；脱咖啡因工艺；污水处理；化学溢出物清除；脱色；除臭；催化剂载体；氮气纯化；氧气纯化；沼气提纯；天然气提纯；燃料电池和/或电池组以及超级电容器中的电极材料。
本发明进一步涉及一种用于从液体和/或气体中分离粒子的方法，其包含以下步骤；
步骤1)在被适配成用于保持液体和/或气体的容器中提供如以上所定义的磁性活性碳，
步骤2)使液体和/或气体与所述磁性活性碳在所述容器中接触以纯化液体和/或气体而不含粒子，
步骤3)向所述容器施加一个电磁场以便从液体和/或气体中分离所述磁性活性碳，
步骤4)从容器中移出液体和/或气体，
步骤5)停止电磁场，并且任选地，
步骤6)用一种新的需纯化的液体和/或气体填充容器并且重复步骤3)到5)，并且进一步任选地
步骤7)提纯或破坏磁性活性碳。
在一个实施例中，该容器为管道。
本发明涉及一种用于再生磁性活性碳的方法，其包含施加振荡电磁场以加热嵌入碳复合物中的铁粒子。这一程序在压力下促进气体的解吸附。
本发明的一个实施例涉及一种用于加热包含磁性活性碳的液体或固体的方法，其中该方法包含施加振荡电磁场以加热嵌入磁性活性碳中的铁粒子。在一个实施例中，该液体为油漆或油。在另一个实施例中，该固体为包含不同复合材料的建筑材料，如混凝土。
在再生方法的另一个实施例中，以30KHz与3MHz之间的频率施加振荡电磁场。
附图简要说明
现借助于实施例并且参考附图更详细地说明本发明，这些实施例以实例形式披露。
图1a、1b示出了一种用于活化水热碳化的(HTC)生物质的反应器，
图2.示出了N2-吸附等温线以及在800℃下用CO2以17dm3/h的流速和2h的活化时间从四种水热碳化的(HTC)生物质制备的活性碳的孔径分布。
图3.示出了来自HTC马粪肥(a)、HTC□马粪肥(b)、HTC□啤酒废弃物(c)以及HTC□生物污泥(d)的活性碳的扫描电子显微法(SEM)图像。
图4.示出了来自HTC草割屑(a)的活性碳的透射电子显微法(TEM)图像，以及从水热碳化的(HTC)马粪肥(b)制备的磁性活性碳中的氧化铁纳米粒子的图像。
图5.示出了从水热碳化的马粪肥制备的磁性活性碳的X射线衍射图案。
图6.示出了从水热碳化的(HTC)马粪肥制备的磁性活性碳的磁化曲线。
图7.示出了通过小磁体分离水性悬浮液中的磁性活性碳的粒子。
图8a和8b示出了水热碳化的(HTC)生物质的13C核磁共振(NMR)光谱。(a)HTC草、(b)HTC马粪肥。
图S1.示出了水热碳化的(HTC)啤酒废弃物的13C核磁共振(NMR)光谱。
图S2.示出了水热碳化的(HTC)生物污泥的13C核磁共振(NMR)光谱。
图S3.示出了在丙酮中萃取之后水热碳化的(HTC)马粪肥的13C核磁共振(NMR)光谱。
图S4.示出了a)N2-吸附等温线和b)在不同温度、活化时间以及气流速率下制备的、从水热碳化的(HTC)草割屑制备的活性碳的孔径分布。“▲”600℃-2h-17dm3/h；“▼”700℃-2h-17dm3/h；“●”800℃-2h-17dm3/h；“■”800℃-2h-48dm3/h。
图S5.示出了a)N2-吸附等温线和b)在不同温度、活化时间以及气流速率下制备的、从水热碳化的(HTC)啤酒废弃物制备的活性碳的孔径分布。“■”600℃-2h-17dm3/h；“◆”700℃-2h-17dm3/h；“◇”800℃-0h-17dm3/h；“Δ”800℃-0h-48dm3/h；“▽”800℃-1h-17dm3/h；“▲”800℃-2h-17dm3/h；“●”800℃-2h-48dm3/h；“▼”800℃-8h-17dm3/h。
图S6.示出了a)N2-吸附等温线和b)在不同温度、活化时间以及气流速率下制备的、从水热碳化的(HTC)生物污泥制备的活性碳的孔径分布。“■”600℃-2h-17dm3/h；“●”700℃-2h-17dm3/h；“◆”800℃-0h-17dm3/h；“Δ”800℃-0h-48dm3/h；“▲”800℃-2h-17dm3/h；“▼”800℃-2h-48dm3/h。
图S7.示出了a)N2-吸附等温线和b)在不同温度、活化时间以及气流速率下制备的、从水热碳化的(HTC)马粪肥制备的活性碳的孔径分布。“■”600℃-2h-17dm3/h；“◆”700℃-2h-17dm3/h；“◇”800℃-0h-17dm3/h；“Δ”800℃-0h-48dm3/h；“▼”800℃-1h-17dm3/h；“●”800℃-2h-17dm3/h；“▲”800℃-2h-48dm3/h.
图S8.示出了根据完全因子设计，三种因素对a)BET表面积、b)微孔表面积、c)总孔隙体积、d)微孔体积以及e)重量损失的影响。符号“+”表示每种因素的高水平，“-”表示低水平；O/C比率被编码为“A”，流速为“B”并且活化时间为“C”。
图S9.示出了显示水热碳化的(HTC)生物质的形态的扫描电子显微照片；a)草割屑、b)啤酒废弃物、c)生物污泥、d)马粪肥。
图S10.示出了显示水热碳化的(HTC)啤酒废弃物(a、c)和CO2活化的HTC啤酒废弃物(b、d)的形态的不同放大率的扫描电子显微照片。
图S11.示出了显示在700℃下CO2活化期间水热碳化的(HTC)马粪肥(a)、草割屑(b)的生长介孔的扫描电子显微照片。
图S12.示出了在800℃下用CO2以17dm3/h的流速和2h的活化时间从水热碳化的(HTC)草割屑制备的磁性活性碳的XRD图案。
图S13.示出了在800℃下用CO2以17dm3/h的流速和2h的活化时间从水热碳化的(HTC)啤酒废弃物制备的磁性活性碳的XRD图案。
图S14.示出了在800℃下用CO2以17dm3/h的流速和2h的活化时间从水热碳化的(HTC)生物污泥制备的磁性活性碳的XRD图案。
本发明的不同实施例的详细说明
根据本发明的方法中所使用的生物质或生物废弃物具有不同来源。生物质的来源对于本发明来说并不重要。生物质材料的实例为草割屑；来自发酵和堆肥过程的生物废弃物；改性的碳水化合物，如糖类；城市和工业生物污泥；氨基多糖，如真菌和节肢动物体外甲壳中的甲壳素；来自有蹄动物的排泄物，如马粪肥；藻类；海草；水葫芦以及甘蔗渣。优选的生物质为草割屑和马粪肥。其他优选的生物质为来自啤酒生产的生物废弃物和生物污泥。同样可以使用生物质的混合物。
通常，该方法中所使用的生物质首先被切成较小片段，其尺寸取决于生产规模和所使用的反应器类型。
在该方法的步骤a)中，水或另一种水性液体、有机酸连同少量铁盐被添加到生物质中并且混合。
有机酸的实例可以是柠檬酸、乙酸、乳酸、甲酸、草酸以及尿酸或其混合物。
在添加有机酸之后的混合物的pH值可以在3与6之间，或在4与5之间。
所使用的铁为Fe2+和/或Fe3+并且可以来源于任何铁盐或合金。一个实例可以是FeSO4。
步骤a)中的温度可以在180℃与300℃之间。在一个实施例中，该温度在180℃与230℃之间。
反应器中的压力可以在1.5MPa与2.5MPa之间。
在1小时至3小时后，可以将生物质和水泵吸到大容器中。所获得的产物可以随后在25℃与80℃之间的温度下平衡几小时(例如4小时至7小时，或5小时至6小时)。在平衡之后，前体产物可以被冷却和过滤。
前体中的铁量可以在混合物总重量的1重量％与3重量％之间，或在0.5重量％与5重量％之间。
萃取步骤可以任选地在步骤a)中的水热碳化之后进行。
萃取可以使用有机溶剂或有机溶剂的混合物进行。有机溶剂的实例可以是烷醇、酮、酯以及其类似物。优选地，使用低碳(C1至C4)烷基链。特定实例为丙酮、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、丁酮、丁基醇、四氯化碳、氯苯、三氯甲烷、环己烷、1,2-二氯乙烷、乙醚、二乙二醇、二乙二醇二甲醚(二乙二醇二甲醚)、1,2-二甲氧基-乙烷、二甲醚、二甲基-甲酰胺、二甲亚砜、二噁烷、乙酸乙酯、乙二醇、丙三醇、庚烷、己烷、甲基叔丁基醚、二氯甲烷、N-甲基-2-吡咯烷酮、戊烷、石油醚、吡啶四氢呋喃、甲苯、乙腈、苯等等。优选的有机溶剂可以是丙酮。另一种优选的溶剂可以是乙醇或甲醇。
在步骤b)中，在步骤a)中获得的前体产物可以与活化剂混合。
活化剂可以是一种选自下组的气体或蒸气，该组包含：CO2、稀释的O2和/或惰性气体。气体或蒸气可以是N2或H2O。
气体或蒸气的流速可以在5dm3/h与75dm3/h之间，或在10dm3/h与60dm3/h之间。在一个实施例中，流速在15dm3/h与50dm3/h之间。
O2气体量可以保持最小值以防止燃烧。O2量优选地小于100ppm。
反应器中的温度优选地在步骤b)中逐步提高，例如速率为每分钟5℃至15℃或10℃。活化可以在550℃与850℃之间的温度下进行。在一个实施例中，活化温度在650℃与825℃之间。
步骤b)中的活化时间取决于不同加工因素，如生产规模、所使用的反应器类型以及生物质材料类型。该时间段可以长达10小时，或在1小时与9小时之间，或在2小时与8小时之间。
使用本发明的方法制备的磁性活性碳的新颖和独特之处在于其包含特定性质和/或性质的组合，如
在250m2/g与1500m2/g，或500m2/g与1000m2/g之间的表面积(SBET或SL)，
在0.050cm3/g与2.0cm3/g，或0.250cm3/g与1.0cm3/g之间的总孔隙体积，
在0.005cm3/g与0.5cm3/g，或0.050cm3/g与0.30cm3/g之间的微孔体积，和/或
在磁性活性碳的重量的1重量％与20重量％，或2重量％与10重量％之间的铁含量。
此外，氧化铁纳米粒子的直径大于碳化生物质中的孔隙尺寸。直径可以在5nm与75nm，或10nm与50nm之间。
纳米粒子优选地是结晶的。优选地，大于50％、或大于70％、或大于80％、或大于90％、或大于95％、或大于99％的纳米粒子是结晶的。在另一个实施例中，至少99.9％，或98％，或95％，或90％，或80％，或70％，或50％的纳米粒子是结晶的。
根据本发明的磁性活性碳的性质可以上文所提及的性质和范围的任何组合的形式存在。
一种用于从液体和/或气体中分离污染物的方法
磁性活性碳可以用于从液体和/或气体中分离粒子。举例来说，磁性活性碳可以用于纯化水。粒子可以是需要从液体和/或气体中移出的任何元素、物质、分子或原子。
该方法可以包含下文所概述的步骤。
在步骤1)中，在容器中提供磁性活性碳，该容器可以是盆槽或管道或可以保持磁性活性碳并且允许液体和/或气体与碳接触的任何其他装置。
在步骤2)中，磁性活性碳与液体和/或气体接触。将磁性活性碳与液体和/或气体混合，其中存在于液体中的粒子(如分子、离子以及小污染物)被吸附。由此，液体和/或气体将被纯化而不含此类粒子。
在步骤3)中，在所述容器中或遍及所述容器施加电磁场。活化磁性碳被集中到所述容器内部较小区域中并且与液体和/或气体分离。
在步骤4)中，从容器中移出液体和/或气体。在步骤5)中，停止电磁场。
任选地，在步骤6)中用一批新的液体和/或气体填充包含碳的容器。
方法步骤3)至6)可以重复若干次直到吸附剂(亦即，磁性碳材料)饱和并且需要用新鲜材料置换。
进一步任选地，所使用的磁性活性碳可以在后续步骤7)中提纯或破坏。
一种用于分离气体的方法。
磁性活性碳吸附气体，比如二氧化碳、氮气以及甲烷。材料可以被调整成用于选择性摄入给定气体。
通过降低总压力(所谓的变压吸附(Pressure Swing Adsorption，PSA))或通过提高吸附剂的温度(所谓的变温吸附(Temperature Swing Adsorption，TSA))或通过PSA和TSA两者的组合来使气体与吸附剂解吸附。磁性活性碳可以优选地用于TSA过程中。通过振荡电磁场来加热磁性活性碳中的铁粒子并且热量传递到环境碳结构中。当加热活性碳复合物时，气体分子解吸附。当所有气体被释放时，吸附剂冷却并且准备新摄入气体。可以在不降解的情况下多次循环再使用磁性活性碳。
可以施加高频振荡电磁场以加热活化磁性碳。
实验部分
材料
使用不同生物质和/或生物废弃物：草割屑、来自啤酒生产的有机废弃物(啤酒废弃物)、马粪肥以及生物污泥。生物质被分成约一厘米的片段并且放置于高压釜式反应器中。水、有机酸以及少量Fe2+。将温度升高到180℃到230℃，并且使压力平衡到10巴到20巴。数小时后，HTC生物质浆料和水被泵吸到大容器中并且在稍微升高温度(在25℃与80℃之间)下平衡5h至6h，其后将其冷却并且过滤。使用标准化方法进行HTC生物质的水分分析、灰分分析以及元素分析。
反应器
在图1中示出了用于HTC生物质的活化的不锈钢反应器。反应器包含反应器腔室7和加热器8、热电偶2以及热交换器4。还示出了气体出口1、气体入口5、气体分配器6以及金属过滤器3。它是垂直设计，馈入从下部进入的气体，确保HTC生物质粒子与CO2的良好接触。反应器被包围在垂直管状炉中。在接触HTC生物质之前，从下部馈入CO2并且在炉内交换热量以达到高温。热交换在填充有钢螺母的不锈钢圆筒中进行。这一热交换器被安置在HTC生物质床正下方。HTC生物质被两个床体积约50ml的交叉金属网束缚。可以任选地使用石英过滤器。通过安置在床正上方的热电偶测量温度。反应器的大部分通过重力放好。圆锥形接头使反应器容易安装和拆卸。
活化
在每一批中，在CO2流中活化约5g HTC生物质。温度以10℃/min的速率从室温逐渐上升到设定温度。在设定温度下，样本活化持续指定时间。然后，被活化的HTC生物质冷却到室温。当指定活化时间为0h时，当达到设定温度时立即停止加热。在所有活化的所有步骤期间，使CO2流经反应器床。
特征化
在151MHz下操作的布鲁克(Bruker)AVANCE III波谱仪(双共振模式，4mm探头)上记录13C NMR波谱。幻角旋转(MAS)为14KHz。使用金刚烷样本外部校准13C NMR化学位移标尺。使用45脉冲的直接极化3C NMR以及5s的循环时间避免了波谱的部分饱和。典型地总计8-16k扫描。相比于谱线宽度，使用少量指数过滤。在上旋(Topspin)软件中处理波谱。使用微粒学ASAP2020装置(Micromeritics ASAP2020device)在77K下测量氮吸附等温线。在进行吸附实验之前，在动态真空条件下在300℃的温度下使样本脱气5h。使用标准表达式布鲁诺尔-埃米特-泰勒(Brunauer-Emmet-Teller，BET)和朗缪尔(Langmuir)等温线计算比表面积区域(SBET和SL)。对于两种分析，在p/p0＝0.06-0.29的相对压力下氮气的摄入使用BET和朗缪尔。从在p/p0＝0.99下的摄入估算总孔隙体积(Vt)。t-曲线方法用于估算微孔体积、Vmic以及外表面积Sext。(微孔小于2nm并且间隙孔在2nm至50nm范围内。)比微孔表面积Smic近似为SBET或SL与Sext之间的差值。借助原始密度泛函理论(DFT)，使用微粒学常式测定样本中的孔径分布。
在具有长矩形10cm炉头的菲利普斯(PHILIPS)PU 9100原子吸收分光光度计上进行原子吸收分光光度法。所使用的光源为在10mA的工作电流下工作的37mm Fe-空心阴极灯。在将Fe离子溶解于HCl与HNO3混合酸中之前，在炉中在600℃下燃烧碳样本以获得灰分。在稀释之后，将溶液喷射到空气/乙炔火焰中。空气/乙炔流速分别为5l/min和1.3l/min的固定常数。记录不同样本在248.3nm处的吸光度并且计算Fe的浓度。
使用奎托斯轴线超DLD x射线光电子光谱仪(Kratos AXIS UltraDLD x-rayphotoelectron spectrometer)(奎托斯分析型，曼彻斯特(Manchester)，英国)记录XPS光谱。使用单色Al x射线源分析样本。分析面积小于约1mm2(大多数信号来自700×300μm的区域)。
X射线衍射(XRD)用于鉴别嵌入样本中的纳米级晶体。使用具有超能探测器(X’Celerator)检测器(CuKa1射线，)的X’PERT-PRO PANalyical粉末衍射仪，在2θ＝20.0°至70.0°之间，在反射模式下，收集磁性活化HTC生物质的XRD图案。
在200kV下操作的JEOL TEM(JEM-2100)上进行TEM。记录涵盖126°范围的倾斜系列的TEM图像，其中倾斜突变为2°(总计63幅图像)。使用ImageJ来预处理倾斜系列图像并且采用TomoJ进行层析重建。样品被分散在绝对乙醇中并且通过超声处理10分钟。将一滴悬浮液转移到铜载网中。为了促进层析重建中的图像对准，随后将含有良好分散的尺寸为10nm的Au纳米粒子的一滴悬浮液施加到铜载网上。根据Au标志物对准图像。在TomoJ中以0.1的弛豫系数进行ART算法的15次迭代。
用JEOL JSM-7000F和JEOL JSM-7401F扫描电子显微镜，分别以2.0kV和1.0kV的加速电压，记录SEM显微照片。样本在牛津(Oxford)铝短柱上稀薄地扩散并且通过干燥的胶态碳涂布。
使用量子设计(Quantum Design)PPMS仪器测量材料的磁滞回线。将几毫克粉末松散地填充在聚丙烯杯中并且在300K下在从-20kOe变化到+20kOe的磁场中测量。在图6中示出了结果。
结果和讨论
活化HTC生物质的特征化
活性碳的性质取决于HTC生物质的化学性质和所应用的加工条件两者。活化HTC草割屑和HTC马粪肥具有类似于商业来源的活性碳的比表面积，参见表1。来自HTC啤酒废弃物的活性碳和HTC生物污泥与其他物质相比具有较低的比表面积。活化HTC生物污泥更显著减少的表面积可以归因于它的较大量的惰性灰分。与HTC马粪肥和HTC生物污泥相比，HTC啤酒废弃物和HTC草割屑活化成活性碳的产率更高。较高产率与较高程度的碳化相关。表1呈现在固定的处理条件下活化活性碳的数据。
朗缪尔模型描述微孔碳孔所记录的吸附数据，并且BET模型描述间隙孔碳孔所记录的吸附数据。在后者中可以进行多层吸附。图2呈现N2吸附等温线，a)马粪肥、b)草割屑、c)啤酒废弃物以及d)生物污泥、e)商业活性碳、以及f)商业活性碳和从四种水热碳化(HTC)生物质制备的活性碳的孔径分布；马粪肥(■)；草割屑(▲)；啤酒废弃物(●)；生物污泥(▼)；商业活性碳(◆)。
对于活化HTC草割屑和HTC啤酒废弃物摄入N2的等温线揭示与少量较大孔隙组合的微孔材料的特征。在低相对压力下，可见根据IUPAC分类的I型行为，而较小滞回线指示间隙孔隙。对于活化HTC马粪肥、HTC生物污泥以及商业活性碳来说，N2等温线示出较大的吸附和解吸附的滞回线，其对于毛细管凝聚和间隙孔隙来说是典型的。图2f呈现使用DFT根据吸附分支估计的孔径的相关分布。裂缝模型用于针对孔隙的DFT模型中(参见图4a中的TEM图像)。来自HTC马粪肥的活性碳中的间隙孔示出平均裂缝尺寸约14nm的宽分布。微孔隙示出了裂缝在0.7nm和1.3nm处达到峰值的明显的双峰式分布。
表1.在800℃下用CO2以17dm3/h的流速和2h的活化时间活化的水热碳化(HTC)生物质的活性碳的产率、灰分含量以及纹理性质。通过氮吸附测定纹理性质。
图3示出了a)来自HTC马粪肥的活性碳，其中生物质的潜在形状在HTC和CO2中活化后保持；b)来自HTC马粪肥的活性碳示出间隙孔；c)活化的HTC啤酒废弃物示出碳球形；d)活化的HTC生物污泥示出间隙孔。图3a中的SEM显微照片显现HTC马粪肥的外部形状在高温下在CO2流中的水热碳化和后续活化之后基本上保持不变。潜在目标(泡孔等)所保存的形状可以允许通过适当选择生物质来产生复合形式的活性碳。此类保存的形状可以推测性阻止使用活性碳合成后结构的需求。在图3b的来自HTC马粪肥的活性碳的SEM显微照片中，可见大量间隙孔(约15nm)。相比于图2b中的分布，这一平均尺寸与通过分析N2吸附数据所建立的范围相符。来自HTC草割屑的活性碳表面并未显示出多个间隙孔(图S11b)。额外的SEM显微照片呈现在补充信息中(图S9至S11)。在图S11a的SEM显微照片中，粒子内的挥发性化合物似乎在活化期间排出并且在粒子表面上产生气泡。一个大气泡破裂并且明确显示出间隙孔。
图4显示来自HTC生物质的活性碳的透射电子显微镜(TEM)图像。在图4a中，尺寸约1nm的裂缝形孔隙在HTC草割屑的活性碳中随机扩散。图4b显示从水热碳化(HTC)马粪肥制备的活性碳中的八面体形纳米粒子。为了进一步使具有活性碳的纳米粒子的分布成像，进行电子断层摄影术，其允许凭借重建的断层照片通过切片来重建样品的三维结构。氧化铁的八面体形纳米粒子被嵌入活性碳内。从断层照片的片层，明确可见不同尺寸的孔隙，并且他们随机分布于整个磁性活性碳中。
活性碳的复合粒子和氧化铁纳米粒子的磁性
通过粉末X射线衍射(XRD)测定铁粒子的原子格。图5示出了从水热碳化(HTC)马粪肥制备的活性碳中，在800℃下用CO2，在17dm3/h的流速和2h的活化时间下，结晶氧化铁(Fe3O4)的XRD图案。如果氧化铁纳米粒子已经沉淀在已被活化的碳中，那么氧化铁纳米粒子的尺寸为约20nm到40nm，其明显大于预期尺寸。整合并且大氧化铁纳米粒子对于磁性分离目的来说至关重要。氧化铁纳米粒子大于孔隙尺寸的原因涉及水热碳化方法中的铁的催化性质以及以下事实：在HTC生物质活化前，铁包括在HTC生物质中。对有铁截留的生物质进行催化驱动水热碳化，继而在CO2中活化的这一双重方法允许将大氧化铁纳米粒子整合到活性碳中。相比于采用在活性碳多孔结构内沉淀小氧化铁纳米粒子的在先技术技术，这些较大的纳米粒子容易溶解。
如断层摄影术可见，嵌入粒子中的Fe3O4纳米粒子赋予活化复合碳磁性。图6显示在800℃下用CO2以17dm3/h的流速和2h的活化时间从水热碳化(HTC)马粪肥制备的磁性活化复合碳的磁化曲线。插图示出了磁滞的低场区域。该曲线示出嵌入的氧化铁粒子显示出超顺磁性和次铁磁性特征两者。超顺磁性质来源于<10nm至30nm(低于约30nm的所谓超顺磁限值)的较小氧化铁粒子(参考：康奈尔(Cornell)和斯维卡蒂(Schw.)第166页)并且次铁磁性质来源于较大氧化铁粒子(>30nm)。关于Fe3O4相的计算重量的饱和磁化强度较高(90emu/g，300K)并且接近于针对块体Fe3O4所报道的值(93emu/g，290k)。(参考79)如图7中可见，通过使用小磁体容易分离活化复合碳的磁性粉末与分散液。当移除磁场时，活化的复合粒子的主要部分由于它的(超)顺磁性而失去其磁性，而复合物中的一些粒子由于其较大尺寸而保留其磁化。复合物的抗磁度在300K下为Hc＝40Oe。活性碳的高饱和磁化和高比表面积以及小孔隙的组合将使涉及从水和其他液体中分离分子的应用的新可能性成为可能。还可以通过非常快速的温度升高的可能性，经由氧化铁纳米粒子与电磁辐射的相互作用来促进气体混合物中的气体组分的分离。当嵌入的纳米晶体开始解吸附时，它可以通过施加射频来强化热量和能量吸收。
HTC生物质的研究
记录固态13C NMR波谱来研究活化之前的HTC生物质的分子结构。在图8a中示出了HTC草割屑的直接极化固态13C NMR波谱。HTC草割屑的颜色为黑色，并且原子组成和它的13CNMR波谱指示其化学组成和结构类似于褐煤。约170ppm的13C NMR化学位移指示酸基的存在，约210ppm指示酮的存在，约100ppm和约150ppm指示sp2杂化碳(具有和不具有氧)的存在，约130ppm指示芳族基团的存在，并且约30ppm指示sp3杂化脂族碳的存在。
在HTC马粪肥的固态13C NMR波谱(图8b)中，在65ppm、72ppm、75ppm、84ppm、89ppm以及105ppm处的峰值由未反应的纤维素引起。在图8b中，来自HTC马粪肥的固态13C NMR波谱示出相比于褐煤，这一固体与泥炭具有更多相似性。这些相似性与固体的棕色颜色和元素组成相符。在这些较低缩合的固体中，酸基和酮基缺失。此外，通过其约60ppm到80ppm的特征性化学位移，指示O-CHx类型的剩余基团。sp2杂化碳的部分小于HTC草割屑，指示这些棕色固体较低程度的碳化。HTC马粪肥中的大量O-CHx基团可以解释同等低产率以及其活化之前较大量的间隙孔，参见表1。HTC啤酒废弃物和生物污泥的固态13C NMR波谱呈现在图S1和图S2中。在图S1中，在175ppm和210ppm处的信号指示酸基和酮基，并且在图S2中，在60ppm到80ppm处的独特信号指示O-CHx部分。在丙酮中萃取(索氏提取器(Soxlet))之后，对HTC马粪肥所记录的波谱呈现在图S3中。在图8b中，所萃取的固体的波谱在其脂族区域不具有显著信号，但其他方面非常类似于未萃取的HTC马粪肥的波谱。所萃取的部分含有具有大量亚甲基的化合物，可能涉及脂质或其降解产物。在丙酮中的萃取程度比在戊烷中的萃取程度高。液体部分还可能含有一些极性基团。
对四种HTC生物质样本进行XPS。XPS方法提供2nm到10nm最外表面的定量化学信息。分析元素组成和碳的不同化学状态。表4示出了元素组成并且表2示出了碳的不同化学状态。表面上的C和O组成与每一样本的平均C和O值不同。相比于相对应的C和O平均值，HTC马粪肥在表面上具有更多的C组成以及更少的O组成。表面上的O/C原子比与四种样本中的每一种的平均值不同。HTC马粪肥和生物污泥表面上的O/C原子比低于平均数，这意味着其表面在水热碳化期间被更好地碳化。而HTC啤酒废弃物具有相反的倾向，这还意味着其与其他部分相比表面没有被很好地碳化。在表2中，测定碳的不同化学状态。碳根据不同官能基分成四种类型：未氧化碳(C1-碳：C-C、C-H、C＝C基团，如烃链/芳族基团中可见)；连接至氧的一个键(C2-碳：C-O、C-O-C官能基)；更多氧化的碳C3-碳以及C4-碳(例如酯和羧酸官能基)。对于四种样本来说，大多数全碳(60％到73％)以未氧化碳(C1-碳)形式存在，其中HTC马粪肥具有C1最高值。
根据本发明的磁性活性碳适合用于分离和/或纯化气体和液体。其他用途可以是分离和/或纯化水；医疗应用；水族馆泵；工业用水处理；脱咖啡因工艺；污水处理；化学溢出物清除；脱色；除臭；催化剂载体；氮气纯化；氧气纯化；沼气提纯；天然气提纯；燃料电池；超级电容器；以及其类似物。
表2.通过化学表面组成测定高分辨率碳波谱(其中在将C1-碳调整至285.0eV作为参考值之后每一碳的结合能位置达到峰值)中的水热碳化HTC生物质的化学位移(XPS)。
化学位移归因于主要具有氧的不同官能基中的碳。给定值来自不同碳峰值的曲线拟合，其中碳总量＝100％。
C1：C-C、C＝C、C-H；C2：C-O、C-O-C；C3：O-C-O、C＝O、(N-C-O、N-C＝O)；C4：O-C＝O、C(＝O)OH、(N-C(＝O)-N)
在表3中呈现了HTC生物质的元素组成、水分以及灰分含量。归因于来自纸厂和所使用的相关化学品的生物污泥的异质性质，HTC生物污泥具有比其他HTC生物质多得多的灰分。对于HTC生物质来说水分含量为约4重量％至7重量％，并且这一水平与涉及极性官能基的HTC生物质的略亲水性性质相符。
将Fe2+离子以金属盐形式添加到水热碳化方法中。通过原子吸收分光光度法测定的活化之前和之后的碳的Fe含量呈现在表5中。Fe在活化过程期间浓集。比较XPS的Fe含量(表4)与原子吸收分光光度法的Fe含量(表5)很有趣。在XPS数据中，Fe浓度比原子吸收分光光度法中的Fe浓度高出许多。XPS检测样本表面上的元素，同时原子吸收分光光度法测定样本中的平均元素含量。由此看来，在活化之前，HTC生物质中的Fe主要位于粒子表面。水热碳化方法无法使Fe进入碳粒子中。
表4.通过X射线光电子光谱分析(XPS)测定的水热碳化(HTC)生物质的以重量％计的相对表面组成和原子比O/C。
表5.通过原子吸收分光光度法测定的水热碳化(HTC)生物废弃物和活化HTC生物废弃物中的Fe含量
因子设计研究
为了使HTC生物质的活化最佳化，改变温度、CO2流速以及图1中所呈现的垂直反应器中的活化时间。这些参数对于CO2流中的不同原材料的正规活化来说似乎至关重要。所有活性碳示出随着活化温度增加而增加的表面积。正如预期，所有HTC生物质的产率随着温度增加而降低。与其他物质相比，HTC草割屑和HTC啤酒废弃物的活化产率较高，这与其较低的O/C比率相符。这一高产率与如从13C NMR波谱所推断的高缩合度充分相关。HTC生物质中的少量氧原子似乎具有有限的脱氧作用(脱羰和脱羧反应)，并且因此导致高产率。分析每种样本的产率、比表面积以及孔隙体积并且呈现在表7中。
记录从不同HTC生物质制备的活性碳的诸多N2吸附和解吸附等温线。在补充图S4到7中呈现这些等温线和孔隙分布的估算。从那些数据可见在600℃下活化的HTC生物质具有单模态分布的孔隙。高水平的间隙孔隙和微孔隙通过在800℃下的非常快速的处理在来自HTC生物污泥的活性碳中发展，参见补充信息图S6中的N2吸附等温线。来自HTC马粪肥的活性碳中的间隙孔隙程度以不同方式发展。与其他活化条件相同但处理1h的样本相比，处理2h的样本具有更多的间隙孔，参见图S7中的补充N2吸附等温线。温度的影响直接如上文所描述，但应用完全因子设计以进一步分析活化。此类设计用于评估HTC生物质活化中的流速、活化时间以及O/C比率的作用。通过比较来自HTC啤酒废弃物和HTC马粪肥的结果改变O/C比率。17dm3/h和48dm3/h的流动以及0h或2h的活化时间用于800℃的设定温度下的活化。通过因子分析评估对重量减轻、比表面积(BET)、微孔面积、微孔体积以及总孔隙体积的作用。详细的因子分析和其相关性呈现在补充信息中。(参见表6和图S8)
表6.三种不同因素的完全因子设计
符号“+”表示每种因素的高水平，“-”表示低水平；O/C比率被编码为“A”，流速为“B”并且活化时间为“C”。
微孔面积和体积负性取决于O/C比率，并且良好碳化的来自HTC啤酒废弃物的活性碳主要示出此类微孔。另一方面，总孔隙体积受高O/C比率或长活化时间正性影响。这些相关性与在活化期间生长的孔隙以及HTC马粪肥活化(其具有高O/C比率)所出现的快速生长相符。比表面积(BET)和孔隙体积负性取决于流速。这些降低指示在更快的CO2流下活性碳开始“烧尽”，其进一步受这些活化的小产率支持。
表7.在77K下如从氮吸附数据所确定的活化水热碳化(HTC)生物质的产率和纹理特征
因子分析允许评估相互作用效果。通过高O/C比率与短活化时间的组合或低O/C比率与长活化时间的组合来促进微孔。这些协同作用指示与低O/C比率相比，高O/C比率在活化期间的反应更加快速。在活化期间的CO2流速与活化时间之间还观测到显著并且负性的相互作用。
流速和时间一同受比表面积(BET)和总孔隙体积影响。快速流动和短活化时间的组合或慢流动和长活化时间的组合是有利的。这一协同作用指示所需CO2体积最佳值，单位(流动时间)＝dm3。还观测到比表面积和总孔隙体积的显著负性三线相互作用。正如预期，长活化时间产生与短活化时间相比更大的重量损失。
一同合成不同类型的HTC生物质并且在CO2流中活化成磁性活性碳。氧化铁磁性纳米粒子的前体被引入水热碳化过程中，其允许在尺寸比纳米粒子小的孔隙结构的活性碳内产生大纳米粒子。这一生物质到活性碳的两步活化允许将显著磁性性质引入活性碳中。这些性质使得其对于水处理过程和某些气体分离过程来说非常适当。纳米粒子对外部磁场和电磁辐射反应强烈。活性碳的质地性质取决于生物质类型以及活化所使用的过程参数。当在某些条件下活化时，活化的HTC马粪肥示出大量间隙孔。活化的HTC草割屑和活化的HTC啤酒废弃物为微孔性的。潜在HTC生物质的缩合度使孔径的这一差异合理化。HTC草割屑和HTC啤酒废弃物高度缩合并且其分子结构类似于褐煤，并且HTC马粪肥稍微较低缩合并且其分子结构类似于泥炭。看起来，不仅有可能利用活化的过程参数，而且有可能利用生物废弃物的水热碳化程度来调节微孔隙和间隙孔隙程度。这些活性碳可以潜在地替换从传统的前体产生的此类活性碳。活化的HTC生物质中的固体目标的整体形状在HTC和CO2中活化之后基本上保存。形状的保留打开通过选择所考虑应用的适当生物废弃物关联的活性碳粒子的控制。
图S9中的潜在形状示出生物质基本上保持不受水热处理影响，图S10中示出当比较(a)与(b)以及(c)与(d)时形状基本上保持不受活化影响，但球形尺寸缩小。图S11示出了似乎在表面下存在“气泡”，其在表面上浮现。在表面上似乎并没有许多间隙孔。
定义
当用于本说明书时，利用术语“包含(comprises)/包含(comprising”来指明所陈述的特征、整数、步骤或组分的存在。然而，该术语并不排除存在或添加一或多种额外特征、整数、步骤或组分或其群组。
值被定义为在端值之间并且包括端值的范围。因此，术语“在15与50之间”包括从15到50并且包括50的任何值，如15.5、20.456以及50。
当用于本说明书时，利用术语“自生压力”来指明在封闭系统中温度上升时提高的压力。
当用于本说明书时，利用术语“间隙孔”来指明2nm与50nm之间的孔径。
当用于本说明书时，利用术语“室温”来指明15℃与30℃之间的温度。
当用于本说明书时，利用术语“生物污泥”来指明来自纸和纸浆加工厂的水工厂中的废水悬浮液的沉降物。
当用于本说明书时，利用术语“碳水化合物”来指明仅仅由碳、氢以及氧组成的有机化合物。
当用于本说明书时，利用术语“烷基”、“烷醇”、“酮”以及“烷基酯”来指明C1到C6或C1到C4直链或分支链烷基链，其可以包含官能基，如羟基、羧基、羰基、醚、卤基、腈、甲酰胺、亚砜和/或氨基。
当用于本说明书时，利用术语“粒子”来指明任何较小局部目标，其可以归属于若干物理或化学性质，如体积或质量。
当用于本说明书时，利用术语“容器”来指明用于含有、存储以及运输固体、液体或气体的任何物品。实例可以是管道或盆槽。
当用于本说明书时，利用术语超顺磁性来指明一种形式的磁性，其在小于约30nm的Fe3O4(铁(II，III)氧化物)纳米粒子中出现。在磁场存在下这些粒子被强有力地磁化，但在磁场不存在下，其平均磁化似乎为零。
当用于本说明书时，利用术语亚铁磁性来指明一种形式的磁性，其可以在具有铁(II，III)氧化物作为其主组分的化学化合物中发现。当用于本说明书时，利用术语矫顽磁性来指明将磁化减至零所需的施加磁场强度。
参考文献
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本发明不限于所披露的实施例，但可以在以下权利要求的范围内变化并且修正。

Claims (21)

1.一种用于制备磁性活性碳的方法，该方法包括以下步骤：
a)在自生压力下，在180℃与250℃之间的温度下，在酸性条件下，在铁离子的存在下，水热处理一种包含生物质的水性溶液，以获得一种前体产物，其中铁离子被封装在所述前体产物中的碳结构内，并且其中该生物质选自下组，该组包含草割屑、来自发酵和堆肥过程的生物废弃物、碳水化合物、城市和工业生物污泥、氨基多糖、来自有蹄动物的排泄物、藻类、水葫芦以及甘蔗渣、或它们的混合物，其中所使用的该铁离子为Fe2+和/或Fe3+，该铁离子来源于铁盐或合金，和
b)通过在550℃与850℃之间的高温下混合一种活化剂，持续最高达9h的时间来活化在步骤a)中获得的前体产物,从而获得磁性活性碳，其中该活化剂为一种选自下组的气体，该组包含：CO2、稀释的O2和/或惰性气体，或者该活化剂为一种选自下组的气体，该组包含：N2或H2O蒸气，
其中铁含量在所获得的磁性活性碳的重量的2wt.％与10wt.％之间，并且所述磁性活性碳具有600m2/g与1000m2/g之间的比表面积。
2.根据权利要求1所述的方法，该方法包括在活化之前用有机溶剂萃取水热碳化的生物质的另一个步骤，其中所述有机溶剂选自烷醇、烷基酯、或酮。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在700℃与800℃之间的高温下混合该活化剂，持续在2h与8h之间的时间。
4.根据权利要求1所述的方法，其中该气体的流速为在5dm3/h与75dm3/h之间。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在大气压下每5克前体产物的流速为在5dm3/h与75dm3/h之间。
6.根据权利要求1所述的方法，其中该铁盐包含FeSO4。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中在该前体产物中的铁的量为在所述前体产物的总重量的0.5wt％与5wt％之间。
8.根据权利要求3所述的方法，其中在该前体产物中的铁的量为在所述前体产物的总重量的0.5wt％与5wt％之间。
9.根据权利要求4-6中任一项所述的方法，其中在该前体产物中的铁的量为在所述前体产物的总重量的0.5wt％与5wt％之间。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述藻类为海草。
11.一种根据权利要求1到10中任一项所述的方法制备的磁性活性碳，其特征在于包含在600m2/g与1000m2/g之间的比表面积、在0.50cm3/g与1.0cm3/g之间的总孔隙体积、在0.050cm3/g与0.30cm3/g之间的微孔体积以及在该磁性活性碳重量的2wt.％与10wt.％之间的铁含量，并且进一步包含结晶氧化铁纳米粒子，所述结晶氧化铁纳米粒子具有大于水热碳化的生物质的孔隙尺寸的直径，其中该结晶氧化铁纳米粒子的直径为在10nm与50nm之间。
12.根据权利要求11所述的磁性活性碳，在氧化铁纳米粒子中大于70％的纳米粒子是结晶的。
13.根据权利要求11或12所述的磁性活性碳，其中这些结晶氧化铁纳米粒子的直径为在20nm与40nm之间。
14.根据权利要求11到13中任一项所述的磁性活性碳的用途，用于分离并且储存气体；用于纯化液体；用于从污水残水和饮用水中移除药物残余物；用作异基因催化剂载体；用于水族馆和工业鱼场中；用于处理工业用水；用于脱咖啡因工艺中；用于化学溢出物清除；用作液体、管道以及建筑材料中被电磁加热的复合物；用于脱色；用于除臭；用于纯化氮气和甲烷；用作燃料电池、超级电容器以及电池组中的清洗电极。
15.根据权利要求14所述的用途，其中所述液体是油或油漆。
16.根据权利要求11到13中任一项所述的磁性活性碳的用途，用于分离气体；用于纯化气体；用于纯化水；用于医疗应用中；用于水族馆泵中；用于污水处理；用作催化剂载体。
17.根据权利要求16所述的用途，其中所述纯化气体是氮气纯化；氧气纯化；沼气提纯；或天然气提纯。
18.一种用于从液体和/或气体中分离粒子的方法，该方法包括以下步骤；
步骤1)在被适配成用于保持液体和/或气体的容器中提供根据权利要求11到13中任一项所述的磁性活性碳，
步骤2)使该液体和/或气体与所述磁性活性碳在所述容器中接触以纯化液体和/或气体而不含粒子，
步骤3)向所述容器施加一个电磁场以便从该液体和/或气体中分离所述磁性活性碳，
步骤4)从该容器中移出该液体和/或气体，
步骤5)停止该电磁场，并且任选地，
步骤6)用一种新的需纯化的液体和/或气体填充该容器并且重复步骤3)到5)，并且进一步任选地
步骤7)提纯或破坏该磁性活性碳。
19.一种用于再生磁性活性碳的方法，该方法包括施加一个振荡电磁场用于加热嵌入根据权利要求1到10中任一项所述的方法制备的该磁性活性碳或根据权利要求11到13中任一项所述的磁性活性碳中的这些铁粒子。
20.一种用于加热包含磁性活性碳的液体或固体的方法，其中该方法包括施加一个振荡电磁场用于加热嵌入根据权利要求1到10中任一项所述的方法制备的该磁性活性碳或根据权利要求11到13中任一项所述的磁性活性碳中的这些铁粒子。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其中施加一个处于在30KHz与3MHz之间的频率的振荡电磁场。
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