CN105948040A - 一种竹材熔盐热解资源化利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种竹材熔盐热解资源化利用方法，属于生物质资源化利用技术领域，其特征在于将竹材置于高温熔盐中在惰性气氛下进行热解，所得固体产物经水洗得到竹炭，生成的气体产物经冷凝得到竹醋液。本发明的有益效果在于：熔盐既提供了无氧的反应环境，又作为活化剂对竹炭进行活化，同时可调整竹醋液组分，去除竹醋液的颜色和刺激性烟熏味；其次，熔盐和竹炭可容易地分离，并且可重复利用，降低成本，实现对竹材的综合资源化利用。

Description

一种竹材熔盐热解资源化利用方法

技术领域

本发明涉及一种竹材熔盐热解资源化利用方法，属于生物质资源化利用技术领域。

背景技术

竹子主要分布于热带、亚热带和暖温带地区，被称为“世界第二大森林”。我国竹资源十分丰富，是中国重要的森林资源。同时竹子是一种速生丰产的植物，生长周期短，产量高，且具有强度高、硬度大、韧性好、可塑性强等优良特性，是优异的木材替代材料，应用十分广泛，包括竹笋、竹编织品、竹材加工、建筑材料、竹浆造纸、竹纤维、竹炭等。

根据LY/T 2221‐2013竹炭生产技术规程，传统的竹炭生产工艺主要有砖砌窑和机械炉两种，基本分为备料、装料、热解、冷却、存放几个阶段，而热解阶段又分为干燥阶段、预碳化阶段、碳化阶段、煅烧阶段。采用砖砌窑和机械炉的工艺可进行竹炭的大规模生产，同时烟气经冷凝收集成为竹醋液，但是这种方式生产的竹炭品质和活性不高，没有经过活化，应用十分有限。为提高竹炭的活性，初步制得的竹炭再进行活化，包括物理活化和化学活化。物理活化是在一定的温度下，用合适的氧化性气体如水蒸气、二氧化碳、空气或者他们的混合物对竹炭进行活化，物理活化工艺简单、成本低，但要消耗掉大量碳分子；化学活化是将竹炭和活化剂混合后在一定的温度下进行活化，常用的活化剂有KOH、NaOH、ZnCl₂、H₃PO₄等，化学活化效果一般比物理活化效果好，但成本较高、污染较大、活化剂不能循环利用。且两步法制备活性竹炭过程较为繁琐、工艺复杂，因此找到一种一步制备高性能活性竹炭的方法是十分必要的。

竹醋液是竹材热解得到的液体产物，是竹炭生产过程中的副产物，有刺激性烟熏味。竹醋液成分十分复杂，含有几十种化合物。国内竹醋液的开发、应用发展十分迅速，正逐步形成一个产业群。竹醋液产量和品种逐年增多，作为绿色产品在工业、农业、食品加工、日化和医药领域有着广泛的应用。但是传统生产工艺收集的竹醋液，因其成分较复杂、颜色较深、刺激性气味较大，给其应用带来了困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种竹材熔盐热解资源化利用方法，可实现活性竹炭的一次性制备，以及竹醋液的一次性精制和去除颜色、刺激性气味。

本发明所采用的技术方案是：一种竹材熔盐热解资源化利用方法，其特征在于将竹材置于高温熔盐中在惰性气氛下进行热解，所得固体产物经水洗得到竹炭，生成的气体产物经冷凝得到竹醋液。

按上述方案，所述的竹材包括不同竹龄的毛竹、楠竹及其加工废弃物之竹条、竹屑或竹粉。

按上述方案，所述的熔盐为碳酸钾、碳酸钠、碳酸锂、氯化钾、氯化钠、氯化锂、氯化钙中的一种或多种混合。

按上述方案，热解温度为400℃到1000℃，反应0.5～2小时。

按上述方案，所述的竹材预先在100～120℃下干燥10～12小时。

本发明的有益效果在于：熔盐既提供了无氧的反应环境，又作为活化剂对竹炭进行活化，同时可调整竹醋液组分，去除竹醋液的颜色和刺激性烟熏味；其次，熔盐和竹炭可容易地分离，并且可重复利用，降低成本，实现对竹材的综合资源化利用。

附图说明

图1本发明方法的工艺流程图；

图2实施例1中竹屑熔盐热解前后对比图；

图3实施例4中550℃热解温度下制备的活性竹炭的SEM图；

图4实施例7中650℃热解温度下制备的毛竹竹醋液的GC‐MS图；

图5实施例8中楠竹活性竹炭对甲醛气体的吸附量对比图。

具体实施方式

一种竹材熔盐热解资源化利用方法，包括有以下步骤：

1)将竹材切碎、干燥，置于耐高温的网袋或篮筐中，将网袋或篮筐固定在一个可升降的操作杆上；

2)在反应装置中盛放一定量的熔盐，保持反应装置中的惰性气氛，将熔盐加热至400℃至1000℃，使熔盐成为熔融状态；

3)将网袋或篮筐通过操作杆浸入到熔盐中，反应0.5～2小时，将网袋或篮筐提出熔盐并在惰性气氛下冷却，然后将产物取出用水洗去产物中的盐即可得到高活性的竹炭。

4)反应生成的气体产物在惰性气体的带动下，从反应装置的出气孔进入到后续的冷凝装置，凝结为液体产物竹醋液。

本发明方法中，所用的竹材为毛竹、楠竹等竹类或竹条、竹屑、竹粉等竹材加工废弃物；

本发明方法中，装竹材所用的网袋或篮筐主要为泡沫镍或不锈钢网，可升降的操作杆主要为镍棒或不锈钢棒；

本发明方法中，所用的熔盐主要为碳酸钾、碳酸钠、碳酸锂、氯化钾、氯化钠、氯化锂、氯化钙中的一种或多种混合熔盐；

本发明方法中，熔盐温度控制在400～1000℃，竹材浸泡时间为0.5～2小时；

本发明方法中，反应装置中通入氮气或氩气使其保持惰性气氛；

本发明方法中，冷凝装置根据不同反应条件可分为一到三级冷凝，冷凝方式有循环冷却水冷凝和乙二醇‐水混合液冷凝；

本发明方法利用聚焦太阳能或电能加热熔盐。

发明人发现，不同类型和竹龄的竹材在相同工艺条件下制备的竹炭性能不同，竹醋液的组分及含量不同；

发明人发现，可以通过调整熔盐组分、热解温度、浸泡时间，对产物竹炭的性能和竹醋液组分及含量进行调控；

发明人发现，熔盐热解制得的竹炭基本保留了竹材的原貌，孔隙丰富；

发明人发现，热解温度越高，制得的竹醋液组分中酚类化合物含量越高，颜色越浅，烟熏味越淡。800℃以上制得的竹醋液为透明、烟熏味较淡的液体。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，对本发明进一步说明，其在于进一步描述而非限制本发明。

实施例所制得的竹炭的气体吸附性能按如下方法检测：称取0.1g活性竹炭置于直径12cm的培养皿中，培养皿放置于吸附装置中并用有机玻璃板盖住。吸附装置为体积5.89L的有机玻璃箱，通过管道和气体分析仪相连，整个装置构成一个闭合回路。在吸附实验装置完全密闭后，向有机玻璃箱内注入一定量的甲醛溶液，在箱内小风扇的吹动下快速挥发成甲醛气体，气体分析仪实时显示装置内甲醛气体的浓度。将箱内甲醛浓度调整到预定浓度后，掀起培养皿上的有机玻璃盖板，即可进行竹炭的甲醛气体吸附实验。通过吸附前后甲醛浓度的变化，计算竹炭对甲醛的吸附量，以判断其吸附性能好坏。

实施例所制得的竹醋液的组分及其相对含量通过GC‐MS进行测定，具体步骤如下：将竹醋液用0.45μm滤膜进行过滤，按1:3的比例和二氯甲烷进行混合萃取，然后取一定量下层萃取层进行稀释，取1μL稀释液进行GC‐MS分析，采用峰面积归一化法对其组分进行定量分析。

实施例1：不同品种竹材的熔盐热解

如图1所示，以毛竹、楠竹竹粉和竹材加工废料竹屑为原材料，放置于耐高温材质网袋或篮筐中，然后将网袋或篮筐固定在耐高温可升降的操作杆上浸入到熔盐中进行热解，熔盐由碳酸钾、碳酸钠、碳酸锂、氯化钾、氯化钠、氯化锂、氯化钙中的一种或多种组成，温度范围为400～1000℃。浸泡1h后将耐高温材质网袋或篮筐提出熔盐置于反应装置上部，在惰性气氛下冷却，然后将其取出洗去产物中的盐，干燥后即可得到活性竹炭。由附图2可以看到，竹材经熔盐热解后基本保持其原貌不变。

实施例2：不同竹龄毛竹的熔盐热解

分别把一年生、两年生、三年生的毛竹切成小块，打碎成竹粉并干燥，按照实施例1中的方法和步骤制备活性竹炭，反应生成的可凝性气体产物经冷凝装置凝结并收集，即可得到竹材熔盐热解的副产物竹醋液。

实施例3：不同竹龄楠竹的熔盐热解

分别把一年生、两年生、三年生的楠竹切成小块，打碎成竹粉并干燥，按照实施例1中的方法和步骤制备活性竹炭，反应生成的可凝性气体产物经冷凝装置凝结并收集，即可得到竹材熔盐热解的副产物竹醋液。

实施例4：热解温度对竹炭性能的影响

以竹屑为原材料，碳酸锂-碳酸钠-碳酸钾混合熔盐(摩尔比为43.5:31.5:25)为反应介质，按实施例1中的方法和步骤，分别在450℃、550℃、650℃、750℃、850℃的热解温度下浸泡1h，制备不同热解温度下的活性竹炭。由附图3可以看到，竹炭不仅保持了竹材原有的孔洞结构，而且在熔盐的侵蚀作用下进一步产生了很多新的孔洞，这将有利于对气体的吸附。将制得的竹炭进行甲醛气体吸附实验，甲醛气体初始浓度为200mg/m³，吸附平衡时间为1h。实验发现：850℃时制备的竹炭吸附性能较好，对甲醛气体的去除率可以达到92.59％，吸附量达到10.74mg/g。

实施例5：浸泡时间对竹炭性能的影响

以竹屑为原材料，碳酸锂-碳酸钠-碳酸钾混合熔盐(摩尔比为43.5:31.5:25)为反应介质，按实例1中的方法和步骤，在850℃的热解温度下分别浸泡10、30、60、90、120min，制备不同浸泡时间的活性竹炭，然后进行甲醛气体吸附实验，甲醛气体初始浓度为200mg/m³，吸附平衡时间为1h。实验发现：浸泡1h时制备的竹炭吸附性能较好，对甲醛气体的去除率可以达到100％，吸附量达到11.78mg/g。

实施例6：毛竹竹炭对甲醛的吸附

将实施例2中制取的毛竹活性竹炭进行甲醛吸附实验，竹炭投加量为0.1g，甲醛气体初始浓度为200mg/m³，1小时内可达到吸附平衡，去除率在65.25％到94.133％之间，吸附量最高可达到10.93mg/g。

实施例7：毛竹竹醋液成分分析

毛竹熔盐热解竹醋液随热解温度的升高颜色逐渐变浅，刺激性烟熏味逐渐变淡。通过GC‐MS分析，可知毛竹竹醋液成分主要为酚类、酮类和烷类，在650℃时，酚类相对含量可达58.6％。由附图4可以看出，酚类的相对含量最多，包括苯酚、邻甲基苯酚、间甲基苯酚和邻乙基苯酚，其中苯酚相对含量最高。

实施例8：楠竹竹炭对甲醛的吸附

将实施例3中制取的楠竹活性竹炭进行甲醛吸附实验，竹炭投加量为0.1g，甲醛气体初始浓度为200mg/m³，1小时内可达到吸附平衡，去除率在58.53％到99.27％之间。由附图5可以看出，随着热解温度的升高，制得的竹炭对甲醛的吸附性能逐渐增强，吸附量由450℃时的6.9mg/g上升至850℃时的11.71mg/g。

实施例9：楠竹竹醋液成分分析

楠竹熔盐热解竹醋液随热解温度的升高颜色逐渐变浅，刺激性烟熏味逐渐变淡。通过GC‐MS分析，可知楠竹竹醋液成分同样主要为酚类、酮类和烷类，在750℃时，酚类相对含量可达48.26％。

实施例10：将实施例2和3中制得的竹醋液按1:100的比例和水进行混合，喷洒在房间内可去除异味，并对植物生长有一定的促进作用。

实施例11：将实施例1中制得的竹炭制作成碳膜，组装成双电层电容器，6M KOH作为电解质溶液，用CHI 660D电化学工作站测试其电容性能，发现750℃热解温度下浸泡1h制得的竹炭在电流密度为0.2A/g时电容值达到71.28F/g。

Claims (5)

1.一种竹材熔盐热解资源化利用方法，其特征在于将竹材置于高温熔盐中在惰性气氛下进行热解，所得固体产物经水洗得到竹炭，生成的气体产物经冷凝得到竹醋液。

2.根据权利要求1所述的竹材熔盐热解资源化利用方法，其特征在于所述的竹材包括不同竹龄的毛竹、楠竹及其加工废弃物之竹条、竹屑或竹粉。

3.根据权利要求1所述的竹材熔盐热解资源化利用方法，其特征在于所述的熔盐为碳酸钾、碳酸钠、碳酸锂、氯化钾、氯化钠、氯化锂、氯化钙中的一种或多种混合。

4.根据权利要求1所述的竹材熔盐热解资源化利用方法，其特征在于热解温度为400℃到1000℃，反应0.5～2小时。

5.根据权利要求1所述的竹材熔盐热解资源化利用方法，其特征在于所述的竹材预先在100～120℃下干燥10～12小时。