CN106946251A - 一种高性能蜂窝活性炭及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料技术领域，公开了一种高性能蜂窝活性炭及其制备方法，称取炭前驱体聚合物和造孔剂，混合，加入溶剂后在溶解；称取植物基生物质，并称取化学活化剂、氮磷化合物均加入到制得的溶液中浸渍，之后在干燥；成碳；然后成碳后，再与化学活化剂浸渍，干燥2后，在微波高温烧结炉中氮气气氛下炭化；从而得到高性能蜂窝活性炭。本发明具有活性炭得率高、制备工艺简单、原料成本低廉、孔隙结构和表面官能团易于控制的特点，制备的活性炭吸附性能优异，可广泛应用于食品工程、化学工程、环境保护，居家使用。

Description

一种高性能蜂窝活性炭及其制备方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，尤其涉及一种高性能蜂窝活性炭及其制备方法。

背景技术

吸附是利用固体介质的多微孔特性，对组分进行选择性吸着的单元操作，是一种比较成熟的分离和净化方法，广泛地应用于化工、环保、医药及军事等领域。在诸多吸附材料中，活性炭因其吸附能力强且成本低而得到广泛地应用。

活性炭是一种多孔碳材料，具有比表面积大、原料来源广泛、机械强度高、易再生及稳定性好等优点。活性炭通常是将原料在一定的条件下经碳化和活化后得到。碳化的主要目的是得到具有适于活化的初始孔隙和一定机械强度的碳化料，碳化的实质是原材料中的有机物进行热解反应，包括热分解反应和缩聚反应。活化的主要目的是制备具有高比表面积的活性炭；活化方法通常分为物理活化法和化学活化法。其中，物理活化法是将碳化后的原材料在水蒸气或二氧化碳中进行热解反应，是一种吸热反应，需要外部不断提供热源。

化学活化法是把化学药品加入原料中，然后在惰性气体介质中加热，进行活化；最具代表性的化学活化法有氯化锌法、磷酸盐法、氯化钙法和碱法；但是由于采用化学用品，其会带来以下问题：对设备的腐蚀性高；污染环境；活性炭中残留有化学药品；需要消耗大量的化学药品，成本较高；需要外部热源并严格控制活化温度。

制备活性炭的原料大致可以分为两大类：植物类原料和矿物类原料。植物类原料主要包括木材、木炭、果壳、纸浆废液等；矿物类原料主要包括煤、石油、塑料等。与矿物类原料相比，植物类原料不仅具有可再生、成本低、环保等优点，而且天然的植物纤维结构适合于制备微孔发达、比表面积高及机械强度高的活性炭。目前，制备活性炭原料主要为木材和优质煤等，生产成本较高；因此，近年来特别重视利用各种工农业废弃物制备高吸附性活性炭。我国是世界上最大粮食生产国，其中谷壳约占稻谷重量的20％，是一种丰富廉价的可再生资源，作为废弃物丢弃或燃烧处理，污染环境又浪费资源。

在公布号为CN102247802A的专利文献中公布了一种以谷壳为原料，利用碱性物质活化制备活性碳的方法，其工艺简单，但是采用的活化剂为NaOH；其利用廉价的谷壳为原料进行制备活性炭，使制备成本低，原料可再生，来源广泛；但是由于采用化学活化法，会带来相应的问题。此外，这种方法需要对谷壳进行破碎，只是利用稻壳是一种廉价并可再生资源的优点，并没有利用谷壳本身结构的优点。

采用物理活化法制取生物质壳类活性炭不仅可以节约成本，还可以充分地利用生物质壳本省特有的半椭球形结构。但是常用的物理活化法是先对原材料进行碳化，再进行活化，并且碳化和活化过程中需要外部热源以控制相应的碳化与活化温度条件。针对物理活化法中将活化与碳化阶段分开并需要不同设备的问题，在公开号为CN1048203A的专利文献中公开了一种利用乌柏籽壳制取活性炭的方法，其将碳化与活化阶段同时进行，并且在同个设备中进行；其利用在活化中制得可燃性气体进行燃烧提供热源的同时还需要外部热源，控制碳化的温度范围为500℃-700℃及活化的温度范围为800℃-900℃；由于在制备过程中利用本身生成的可燃性气体进行燃烧提供热量，需要引进空气，存在一定的安全隐患，并且温度控制方法复杂；整个制备周期达到72-120小时。

此外，聚合物共混炭化法有望成为一种能够对活性炭孔径进行精细控制的方法。该方法利用两种热稳定性不同、可形成相分离结构的聚合物共混炭化，热稳定性高的聚合物(称为炭前驱体聚合物)经过高温炭化成为炭基体，热稳定性差的聚合物(称为造孔剂)则在热处理过程中分解气化，并在炭化产物中留下大量的孔隙结构。此种方法制备出的活性炭耐磨强度不高。

现有技术中有很多活性炭的产品，它们用在居家吸潮、吸味时使用；这些产品一般是用木材制备的；由于木材原料现在已经收到限制、所以原料取得相对困难；另外现在的活性炭产品是没有香味的，所以功能相对单一，难于保证居家使用的要求；目前的木地板企业每天都要产生大量的锯木面，一般就是废弃物；一些企业将其作为燃料燃烧使用，实际上就是浪费了；也有一些企业将其炭化之后成形、加工成燃料碳棒；但是其附加值不太高；茶叶是我国比较常见的饮品，特别是绿茶，生产量、使用量都特别大。但是问题是：绿茶的保质期一般是18个月、另外绿茶喝过之后茶渣就倒掉了、弃之不用；十分可惜。

综上所述，现有技术存在的问题是：制备过程中，存在一定的安全隐患，并且温度控制方法复杂；智能化程度低，整个制备周期长；

此外，聚合物共混炭化法有望成为一种能够对活性炭孔径进行精细控制的方法。该方法利用两种热稳定性不同、可形成相分离结构的聚合物共混炭化，热稳定性高的聚合物(称为炭前驱体聚合物)经过高温炭化成为炭基体，热稳定性差的聚合物(称为造孔剂)则在热处理过程中分解气化，并在炭化产物中留下大量的孔隙结构；此种方法制备出的活性炭耐磨强度不高；

在实际应用中，必须添加过量的磷酸才能保证有较好的成炭和活化效果，通常，磷酸和原料比例需在2:1以上较好。因此，磷酸作为活化剂的使用效率低，必须过量使用，导致成本较高，同时由于磷酸挥发带来一定的环境污染；磷酸极易吸水，在原料混合和干燥过程中易于成糊状，操作过程困难，工艺复杂；制备的活性炭机械强度较差，易粉化。磷酸作为活化剂在加热过程中易被碳还原生成单质磷，单质磷易自燃，尤其在高温下更为危险，存在生产安全隐患。制备的活性炭表面活性官能团较少，增加其活性官能团须进行后期改性处理。如用含氮的化合物如尿素、铵盐、氨气等在高温下处理活性炭。但这种后续改进参杂的氮元素含量有限，且成本较高。

现有的废弃植物基生物质活性炭制备方法存在复杂低效，成本较高，孔隙结构和表面官能团不易控制，吸附性能较差；不能对废弃物合理利用。

发明内容

为解现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高性能蜂窝活性炭及其制备方法。

本发明是这样实现的，一种高性能蜂窝活性炭及其制备方法，所述高性能蜂窝活性炭及其制备方法包括以下步骤：

步骤一，称取炭前驱体聚合物和造孔剂，混合，加入溶剂后在30℃～120℃并且不超过所使用溶剂的沸点下溶解1～36小时；

步骤二，称取100份～300份木屑、谷壳、废茶叶组成的植物基生物质，并称取0-300份化学活化剂、1份-300份氮磷化合物均加入到步骤一制得的溶液中浸渍1小时～36小时，之后在90℃～150℃下干燥2小时～48小时；成碳；

步骤三，然后成碳后，再与0～300份化学活化剂浸渍1小时～36小时，在90℃～150℃下干燥2小时～48小时后，在微波高温烧结炉中氮气气氛下600℃～1200℃炭化0.5小时～18小时；从而得到高性能蜂窝活性炭。

所述微波高温烧结炉基于互联网技术，通过控制系统对炉内的温度进行实时控制，进行碳化；所述控制系统通过内置的单片机设定一临界值；

根据温度临界值判断一最大可处理负载量；

根据汇集平台电源管理技术将多个第一工作任务结合为一第一连续工作任务；

判断第一连续工作任务的一负载量是否大于最大可处理负载量；

当第一连续工作任务的负载量大于最大可处理负载量时，将第一连续工作任务中之一超载部分的第一工作任务移出第一连续工作任务；

当接收到第一连续工作任务时，将单片机由一休眠模式切换至一操作模式，以及处理第一连续工作任务；以及当第一连续工作任务处理完成后，将单片机设为休眠模式；

根据第一连续工作任务的负载量以及温度临界值决定一第一操作频率；

当单片机切换至操作模式时，将单片机的操作频率由正常操作频率提升至第一操作频率，并通过第一操作频率处理第一连续工作任务；

其中第一操作频率的工作频率高于正常操作频率的工作频率；

当第一连续工作任务处理完成并且单片机进入休眠模式后，根据汇集平台电源管理技术将多个第二工作任务以及超载部分的第一工作任务结合为一第二连续工作任务；

当接收到第二连续工作任务时，将单片机由休眠模式切换至操作模式；

将单片机的操作频率由正常操作频率提升至一第二操作频率，通过第二操作频率处理第二连续工作任务；以及当第二连续工作任务处理完成后，将单片机设为休眠模式；

单片机使用第一操作频率将第一连续工作任务处理完成的时间点与开始接收到第二连续工作任务的时间点之间具有一第一间隔时间，而使用正常频率将第一连续工作任务处理完成与接收到第二连续工作任务之间具有一第二间隔时间，其中第一间隔时间小于第二间隔时间；

所述单片机与控制系统内置的数字滤波器子模块连接，接收来自经数字滤波器子模块滤波后的温度信号，并将滤波后的温度信号经过智能PID算法，计算得到相应的控制输出信号，并把输出信号经控制系统内置的控制信号输出子模块控制调节温度；

智能PID算法包括：首先创建模糊控制规则表，根据检测到得微波炉温度设定值的变化，自动调整控制输出值的基本论域，利用偏差e和偏差的变化(de/d t)来对控制输出值的基本论域进行调整；

偏差e和偏差变化(de/d t)的论域选为：e，de/d t＝{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，相应的模糊子集为：de/d t＝{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，再根据模糊控制规则表计算出PID的Ki、Kp、Kd的模糊值，再利用解模糊算法得到PID参数的在线模糊自整定值；

智能PID算法选择位置式不完全微分形式：

在控制过程中，PID控制器的参数需根据当前的状态进行调整：

式中α_P，α_I和α_D分别为通过模糊推理计算出的修正系数，K_P，K_I和K_D分别为基本的比例、积分和微分系数；

所述控制系统通过内置的光电感应器在独立的采样周期内对信号进行采集；利用控制系统内置的A/D数字转换子模块进行电信号的转换；数字滤波器字模块接收A/D数字转换子模块的转换信号，通过滤波算法进行数字信号的滤波处理为稳定的温度信号，并将处理后的信号传给单片机；所述滤波算法中，对输入数据的进行预处理，光电感应器输入的信号包括各种干扰和杂波信号，通过四阶的巴特沃斯IIR数字滤波器将对超出范围的温度分量信号过滤出来；四阶滤波器的差分方程和系统函数分别为：

所述单片机通过GPS无线网络无线连接用于进行数据传输与交换的云服务器；所述云服务器的离散函数模型：

式中：u(0)为初始信号，μ为混沌参数，ν为分数阶阶数，n为信号长度，j表示第j步迭代，α(μ,ν,j,n)为离散积分核，u(n)为第n步信号，n和N设置为800，m为1,L,N的整数。

进一步，所述氮磷化合物包括三聚氰胺磷酸盐、三聚氰胺聚磷酸盐、磷酸铵、聚磷酸铵其中的一种或多种。

进一步，所述化学活化剂包括氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸、碳酸钾、氯化锌。

进一步，所述的炭前驱体聚合物为可溶性酚醛树脂、糠醇树脂、聚丙烯腈、可溶性淀粉中的一种。

进一步，所述的造孔剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛中的一种。

进一步，所述的溶剂为甲醇、乙醇、去离子水中的一种。

进一步，炭前驱体聚合物∶植物基生物质＝(0.5～0.8)∶1质量比。

进一步，造孔剂∶植物基生物质＝(0.5～0.7)∶1质量比。

进一步，溶剂∶植物基生物质活性炭原料＝(1～6)∶1质量比。

本发明另一目的在于提供一种高性能蜂窝活性炭，组分按质量计由前驱体聚合物50份～240份、造孔剂50份～210份、植物基生物质100份～300份、化学活化剂0-300份、氮磷化合物1份～300份组成；其中植物基生物木屑、谷壳、废茶叶的质量比为10：3：2。

本发明根据植物基生物质的主要组成如纤维素、半纤维素及木质素等多羟基、大分子的特点，在其降解环化成炭过程中引入与之降解温度相匹配、且具有成炭、活化和官能团引入功能的氮磷化合物；本发明利用氮磷化合物在升温过程中分解生成的磷酸高效催化植物基生物质中主要组成如纤维素、半纤维素及木质素等多羟基化合物环化、脱水、成炭，从而抑制了含碳挥发物质的形成，使更多的炭保留在固相产物中，大幅度提高活性炭的得率；通过氮磷化合物在升温过程中分解生成的含氮气体进行造孔、活化；同时，生成的含氮气体也可在高温下与活性炭表面的碳反应，形成结构易于控制的含氮官能团；

相对于传统的活性炭制备方法，本方法具有如下优点：

1)使用的氮磷化合物降解温度与植物基生物质的降解温度匹配，因此，生物质在降解的过程中可以有效地利用氮磷化合物所产生的磷酸和含氮气体，大幅度减少成炭剂/活化剂的用量，原料成本低廉。

2)使用的氮磷化合物不仅可以大幅提高活性炭的得率，还具有造孔、活化的功能；同时，还可在活性炭表面生成胺类或含氮杂环的活性官能团，拓宽制备活性炭的应用领域。

3)使用的植物基生物质与氮磷化合物为固-固相混合，可以无需溶液浸渍、干燥等方式处理，工艺简单，加工成本低廉。

4)本发明具有活性炭得率高、制备工艺简单、原料成本低廉、孔隙结构和表面官能团易于控制的特点，制备的活性炭吸附性能优异，可广泛应用于食品工程、化学工程、环境保护等领域。

本发明构成比较简单、产品适应性好；废物利用、变废为宝；节约了原材料、保护了环境生态。同时提供的方法简单易行；得到产品同时适于居家使用。

本发明的信号处理方法，可获得准确的数据信息，经现场模拟实验可知，对信号转换后的准确率比现有的转换提高了进5个百分点(现有技术为91.23％)。

本发明单片机控制微波高温烧结炉的温度具有很高的准确性，通过内置的程序完成智能自动控制。本发明云服务器的离散函数模型保证了信息数据准确的传输。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高性能蜂窝活性炭及其制备方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供的高性能蜂窝活性炭及其制备方法，包括以下步骤：

S101:称取炭前驱体聚合物和造孔剂，混合，加入溶剂后在30℃～120℃并且不超过所使用溶剂的沸点下溶解1～36小时；

S102:称取100份～300份木屑、谷壳、废茶叶组成的植物基生物质，并称取0-300份化学活化剂、1份-300份氮磷化合物均加入到S101制得的溶液中浸渍1小时～36小时，之后在90℃～150℃下干燥2小时～48小时；成碳；

S103:然后成碳后，再与0～300份化学活化剂浸渍1小时～36小时，在90℃～150℃下干燥2小时～48小时后，在微波高温烧结炉中氮气气氛下600℃～1200℃炭化0.5小时～18小时；从而得到高性能蜂窝活性炭。

所述微波高温烧结炉基于互联网技术，通过控制系统对炉内的温度进行实时控制，进行碳化；所述控制系统通过内置的单片机设定一临界值；

根据温度临界值判断一最大可处理负载量；

根据汇集平台电源管理技术将多个第一工作任务结合为一第一连续工作任务；

判断第一连续工作任务的一负载量是否大于最大可处理负载量；

当第一连续工作任务的负载量大于最大可处理负载量时，将第一连续工作任务中之一超载部分的第一工作任务移出第一连续工作任务；

当接收到第一连续工作任务时，将单片机由一休眠模式切换至一操作模式，以及处理第一连续工作任务；以及当第一连续工作任务处理完成后，将单片机设为休眠模式；

根据第一连续工作任务的负载量以及温度临界值决定一第一操作频率；

当单片机切换至操作模式时，将单片机的操作频率由正常操作频率提升至第一操作频率，并通过第一操作频率处理第一连续工作任务；

其中第一操作频率的工作频率高于正常操作频率的工作频率；

当第一连续工作任务处理完成并且单片机进入休眠模式后，根据汇集平台电源管理技术将多个第二工作任务以及超载部分的第一工作任务结合为一第二连续工作任务；

当接收到第二连续工作任务时，将单片机由休眠模式切换至操作模式；

将单片机的操作频率由正常操作频率提升至一第二操作频率，通过第二操作频率处理第二连续工作任务；以及当第二连续工作任务处理完成后，将单片机设为休眠模式；

单片机使用第一操作频率将第一连续工作任务处理完成的时间点与开始接收到第二连续工作任务的时间点之间具有一第一间隔时间，而使用正常频率将第一连续工作任务处理完成与接收到第二连续工作任务之间具有一第二间隔时间，其中第一间隔时间小于第二间隔时间；

所述单片机与控制系统内置的数字滤波器子模块连接，接收来自经数字滤波器子模块滤波后的温度信号，并将滤波后的温度信号经过智能PID算法，计算得到相应的控制输出信号，并把输出信号经控制系统内置的控制信号输出子模块控制调节温度；

智能PID算法包括：首先创建模糊控制规则表，根据检测到得微波炉温度设定值的变化，自动调整控制输出值的基本论域，利用偏差e和偏差的变化(de/d t)来对控制输出值的基本论域进行调整；

偏差e和偏差变化(de/d t)的论域选为：e，de/d t＝{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，相应的模糊子集为：de/d t＝{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，再根据模糊控制规则表计算出PID的Ki、Kp、Kd的模糊值，再利用解模糊算法得到PID参数的在线模糊自整定值；

智能PID算法选择位置式不完全微分形式：

在控制过程中，PID控制器的参数需根据当前的状态进行调整：

式中α_P，α_I和α_D分别为通过模糊推理计算出的修正系数，K_P，K_I和K_D分别为基本的比例、积分和微分系数；

所述控制系统通过内置的光电感应器在独立的采样周期内对信号进行采集；利用控制系统内置的A/D数字转换子模块进行电信号的转换；数字滤波器字模块接收A/D数字转换子模块的转换信号，通过滤波算法进行数字信号的滤波处理为稳定的温度信号，并将处理后的信号传给单片机；所述滤波算法中，对输入数据的进行预处理，光电感应器输入的信号包括各种干扰和杂波信号，通过四阶的巴特沃斯IIR数字滤波器将对超出范围的温度分量信号过滤出来；四阶滤波器的差分方程和系统函数分别为：

所述单片机通过GPS无线网络无线连接用于进行数据传输与交换的云服务器；所述云服务器的离散函数模型：

式中：u(0)为初始信号，μ为混沌参数，ν为分数阶阶数，n为信号长度，j表示第j步迭代，α(μ,ν,j,n)为离散积分核，u(n)为第n步信号，n和N设置为800，m为1,L,N的整数。

所述氮磷化合物包括三聚氰胺磷酸盐、三聚氰胺聚磷酸盐、磷酸铵、聚磷酸铵其中的一种或多种。

所述化学活化剂包括氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸、碳酸钾、氯化锌。

所述的炭前驱体聚合物为可溶性酚醛树脂、糠醇树脂、聚丙烯腈、可溶性淀粉中的一种。

所述的造孔剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛中的一种。

所述的溶剂为甲醇、乙醇、去离子水中的一种。

炭前驱体聚合物∶植物基生物质＝(0.5～0.8)∶1质量比。

造孔剂∶植物基生物质＝(0.5～0.7)∶1质量比。

溶剂∶植物基生物质活性炭原料＝(1～6)∶1质量比。

本发明实施例提供的高性能蜂窝活性炭，组分按质量计由前驱体聚合物50份～240份、造孔剂50份～210份、植物基生物质100份～300份、化学活化剂0-300份、氮磷化合物1份～300份组成；其中植物基生物木屑、谷壳、废茶叶的质量比为10：3：2。

本发明根据植物基生物质的主要组成如纤维素、半纤维素及木质素等多羟基、大分子的特点，在其降解环化成炭过程中引入与之降解温度相匹配、且具有成炭、活化和官能团引入功能的氮磷化合物；本发明利用氮磷化合物在升温过程中分解生成的磷酸高效催化植物基生物质中主要组成如纤维素、半纤维素及木质素等多羟基化合物环化、脱水、成炭，从而抑制了含碳挥发物质的形成，使更多的炭保留在固相产物中，大幅度提高活性炭的得率；通过氮磷化合物在升温过程中分解生成的含氮气体进行造孔、活化；同时，生成的含氮气体也可在高温下与活性炭表面的碳反应，形成结构易于控制的含氮官能团；

相对于传统的活性炭制备方法，本方法具有如下优点：

1)使用的氮磷化合物降解温度与植物基生物质的降解温度匹配，因此，生物质在降解的过程中可以有效地利用氮磷化合物所产生的磷酸和含氮气体，大幅度减少成炭剂/活化剂的用量，原料成本低廉。

2)使用的氮磷化合物不仅可以大幅提高活性炭的得率，还具有造孔、活化的功能；同时，还可在活性炭表面生成胺类或含氮杂环的活性官能团，拓宽制备活性炭的应用领域。

3)使用的植物基生物质与氮磷化合物为固-固相混合，可以无需溶液浸渍、干燥等方式处理，工艺简单，加工成本低廉。

4)本发明具有活性炭得率高、制备工艺简单、原料成本低廉、孔隙结构和表面官能团易于控制的特点，制备的活性炭吸附性能优异，可广泛应用于食品工程、化学工程、环境保护等领域。

本发明构成比较简单、产品适应性好；废物利用、变废为宝；节约了原材料、保护了环境生态。同时提供的方法简单易行；得到产品同时适于居家使用。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

实施例1

本发明实施例提供的高性能蜂窝活性炭及其制备方法，包括以下步骤：

称取炭前驱体聚合物和造孔剂，混合，加入溶剂后在30℃并且不超过所使用溶剂的沸点下溶解1小时；

称取100份木屑、谷壳、废茶叶组成的植物基生物质，并称取1份氮磷化合物均加入到上述制得的溶液中浸渍1小时，之后在90℃下干燥2小时小时；成碳；

然后成碳后，在90℃下干燥2小时后，在微波高温烧结炉中氮气气氛下600℃炭化0.5小时；从而得到高性能蜂窝活性炭。

实施例2

本发明实施例提供的高性能蜂窝活性炭及其制备方法，包括以下步骤：

称取炭前驱体聚合物和造孔剂，混合，加入溶剂后在120℃并且不超过所使用溶剂的沸点下溶解36小时；

称取300份木屑、谷壳、废茶叶组成的植物基生物质，并称取300份化学活化剂、300份氮磷化合物均加入到上制得的溶液中浸渍36小时，之后在150℃下干燥48小时；成碳；

然后成碳后，再与0～300份化学活化剂浸渍36小时，在150℃下干燥48小时后，在微波高温烧结炉中氮气气氛下1200℃炭化18小时；从而得到高性能蜂窝活性炭。

实施例3

本发明实施例提供的高性能蜂窝活性炭及其制备方法，包括以下步骤：

称取炭前驱体聚合物和造孔剂，混合，加入溶剂后在80℃并且不超过所使用溶剂的沸点下溶解18小时；

称取200份木屑、谷壳、废茶叶组成的植物基生物质，并称取150份化学活化剂、150份氮磷化合物均加入到上制得的溶液中浸渍18小时，之后在120℃下干燥30小时；成碳；

然后成碳后，再与150份化学活化剂浸渍18小时，在120℃下干燥36小时小时后，在微波高温烧结炉中氮气气氛下900℃炭化9小时；从而得到高性能蜂窝活性炭。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高性能蜂窝活性炭及其制备方法，其特征在于，所述高性能蜂窝活性炭及其制备方法包括以下步骤：

步骤一，称取炭前驱体聚合物和造孔剂，混合，加入溶剂后在30℃～120℃并且不超过所使用溶剂的沸点下溶解1～36小时；

步骤二，称取100份～300份木屑、谷壳、废茶叶组成的植物基生物质，并称取0-300份化学活化剂、1份-300份氮磷化合物均加入到步骤一制得的溶液中浸渍1小时～36小时，之后在90℃～150℃下干燥2小时～48小时；成碳；

步骤三，然后成碳后，再与0～300份化学活化剂浸渍1小时～36小时，在90℃～150℃下干燥2小时～48小时后，在微波高温烧结炉中氮气气氛下600℃～1200℃炭化0.5小时～18小时；从而得到高性能蜂窝活性炭；

所述微波高温烧结炉基于互联网技术，通过控制系统对炉内的温度进行实时控制，进行碳化；所述控制系统通过内置的单片机设定一临界值；

根据温度临界值判断一最大可处理负载量；

根据汇集平台电源管理技术将多个第一工作任务结合为一第一连续工作任务；

判断第一连续工作任务的一负载量是否大于最大可处理负载量；

当第一连续工作任务的负载量大于最大可处理负载量时，将第一连续工作任务中之一超载部分的第一工作任务移出第一连续工作任务；

当接收到第一连续工作任务时，将单片机由一休眠模式切换至一操作模式，以及处理第一连续工作任务；以及当第一连续工作任务处理完成后，将单片机设为休眠模式；

根据第一连续工作任务的负载量以及温度临界值决定一第一操作频率；

当单片机切换至操作模式时，将单片机的操作频率由正常操作频率提升至第一操作频率，并通过第一操作频率处理第一连续工作任务；

其中第一操作频率的工作频率高于正常操作频率的工作频率；

当第一连续工作任务处理完成并且单片机进入休眠模式后，根据汇集平台电源管理技术将多个第二工作任务以及超载部分的第一工作任务结合为一第二连续工作任务；

当接收到第二连续工作任务时，将单片机由休眠模式切换至操作模式；

将单片机的操作频率由正常操作频率提升至一第二操作频率，通过第二操作频率处理第二连续工作任务；以及当第二连续工作任务处理完成后，将单片机设为休眠模式；

单片机使用第一操作频率将第一连续工作任务处理完成的时间点与开始接收到第二连续工作任务的时间点之间具有一第一间隔时间，而使用正常频率将第一连续工作任务处理完成与接收到第二连续工作任务之间具有一第二间隔时间，其中第一间隔时间小于第二间隔时间；

所述单片机与控制系统内置的数字滤波器子模块连接，接收来自经数字滤波器子模块滤波后的温度信号，并将滤波后的温度信号经过智能PID算法，计算得到相应的控制输出信号，并把输出信号经控制系统内置的控制信号输出子模块控制调节温度；

智能PID算法包括：首先创建模糊控制规则表，根据检测到得微波炉温度设定值的变化，自动调整控制输出值的基本论域，利用偏差e和偏差的变化(de/d t)来对控制输出值的基本论域进行调整；

偏差e和偏差变化(de/d t)的论域选为：e，de/d t＝{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，相应的模糊子集为：de/d t＝{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，再根据模糊控制规则表计算出PID的Ki、Kp、Kd的模糊值，再利用解模糊算法得到PID参数的在线模糊自整定值；

智能PID算法选择位置式不完全微分形式：

$u_k=K_p{e}_k+K_I\underset{i=0}{\overset{k}{\Σ}}{e}_i+u_k^D$

$u_k^D=\frac{t_f}{t_f+T_0}{u}_{k-1}^D+\frac{K_D}{t_f+T_0}(e_k-e_{k-1})$

在控制过程中，PID控制器的参数需根据当前的状态进行调整：

$\begin{array}{cc}{K}_j={\mathrm{\α}}_j{K}_j^0& j=P,I,D\end{array}$

式中α_P，α_I和α_D分别为通过模糊推理计算出的修正系数，K_P，K_I和K_D分别为基本的比例、积分和微分系数；

所述控制系统通过内置的光电感应器在独立的采样周期内对信号进行采集；利用控制系统内置的A/D数字转换子模块进行电信号的转换；数字滤波器字模块接收A/D数字转换子模块的转换信号，通过滤波算法进行数字信号的滤波处理为稳定的温度信号，并将处理后的信号传给单片机；所述滤波算法中，对输入数据的进行预处理，光电感应器输入的信号包括各种干扰和杂波信号，通过四阶的巴特沃斯IIR数字滤波器将对超出范围的温度分量信号过滤出来；四阶滤波器的差分方程和系统函数分别为：

$y\left(n\right)=\underset{l=0}{\overset{3}{\Σ}}{b}_{l}x(n-l)-\underset{m=1}{\overset{4}{\Σ}}{a}_{m}y(n-m),$

$H\left(z\right)=\frac{\underset{l=0}{\overset{3}{\Σ}}{b}_l{z}^{-l}}{1+\underset{m=1}{\overset{4}{\Σ}}{a}_m{z}^{-m}};$

所述单片机通过GPS无线网络无线连接用于进行数据传输与交换的云服务器；所述云服务器的离散函数模型：

$u\left(n\right)=u\left(0\right)+\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}\mathrm{\α}(\mathrm{\μ},v,j,n)u(j-1)(1-u(j-1\left)\right);$

式中：u(0)为初始信号，μ为混沌参数，ν为分数阶阶数，n为信号长度，j表示第j步迭代，α(μ,ν,j,n)为离散积分核，u(n)为第n步信号，n和N设置为800，m为1,L,N的整数。

2.如权利要求1所述的高性能蜂窝活性炭及其制备方法，其特征在于，所述氮磷化合物包括三聚氰胺磷酸盐、三聚氰胺聚磷酸盐、磷酸铵、聚磷酸铵其中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的高性能蜂窝活性炭及其制备方法，其特征在于，所述化学活化剂包括氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸、碳酸钾、氯化锌。

4.如权利要求1所述的高性能蜂窝活性炭及其制备方法，其特征在于，所述的炭前驱体聚合物为可溶性酚醛树脂、糠醇树脂、聚丙烯腈、可溶性淀粉中的一种。

5.如权利要求1所述的高性能蜂窝活性炭及其制备方法，其特征在于，所述的造孔剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛中的一种。

6.如权利要求1所述的高性能蜂窝活性炭及其制备方法，其特征在于，所述的溶剂为甲醇、乙醇、去离子水中的一种。

7.如权利要求1所述的高性能蜂窝活性炭及其制备方法，其特征在于，炭前驱体聚合物∶植物基生物质＝(0.5～0.8)∶1质量比。

8.如权利要求1所述的高性能蜂窝活性炭及其制备方法，其特征在于，造孔剂∶植物基生物质＝(0.5～0.7)∶1质量比。

9.如权利要求1所述的高性能蜂窝活性炭及其制备方法，其特征在于，溶剂∶植物基生物质活性炭原料＝(1～6)∶1质量比。

10.一种如权利要求1所述高性能蜂窝活性炭及其制备方法的高性能蜂窝活性炭，其特征在于，所述高性能蜂窝活性炭组分按质量计由前驱体聚合物50份～240份、造孔剂50份～210份、植物基生物质100份～300份、化学活化剂0-300份、氮磷化合物1份～300份组成；其中植物基生物木屑、谷壳、废茶叶的质量比为10：3：2。