CN107445161A - 一种瓜子壳水热活性炭的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种瓜子壳水热活性炭的制备方法，属于生物炭吸附材料技术领域。本发明取瓜子壳，球磨过筛得球磨瓜子壳粉末；将球磨瓜子壳粉末烘干得干燥球磨粉末；将干燥球磨粉末和双氧水置于烧杯中，超声后过滤，得改性球磨粉末；将改性球磨粉末倒入高压反应釜中，并加入高锰酸钾溶液，搅拌，静置冷却至室温，得改性混合液；将改性混合液过滤，滤渣倒入丙酮溶液中，浸泡后取出，用去离子水洗涤，得改性滤渣；取大孔吸附树脂，球磨得大孔吸附树脂粉末，将大孔吸附树脂粉末与改性滤渣置于搅拌机中搅拌过后，填充至块状模具中，置于冷冻箱中，随后置于冷冻干燥机中，冷冻干燥，得固化料；将固化料置于烧结炉中，烧结，即得一种瓜子壳水热活性炭。
Description
技术领域
本发明涉及一种瓜子壳水热活性炭的制备方法，属于生物炭吸附材料技术领域。
背景技术
随着人类大量使用石油、天然气、煤等传统非再生能源，导致活性炭原料储量锐减，同时产生严重的环境的污染问题。因此必须寻求一种绿色环保、低成本高功效和可持续发展的新能源来满足对炭材料日益增长的需求。生物质均含有大量的碳素，是制备各种炭功能材料的首选原料。生物质作为一种可再生能源，不仅可以减少对传统型能源的消耗和依赖，而且能够有效的降低环境的污染，尤其是CO2的排放，从而对保障充沛的能源利用和维护环境可持续发展战略有重要的意义。
生物质通过光合作用利用无机物合成的一种可再生、对环境友好的、种类丰富的优良炭原材料，其主要包括农林废弃物、工业废弃物以及城市废弃物等，我国每年可产生大量的生物质废弃物，大多数情况是直接被排放到环境中或是焚烧，其转换率为15%左右，严重的资源浪费并且造成环境污染。因此，针对生物质优良的特性，将废弃的生物质进行适当的处理后可以广泛地应用于环保、医药和建筑等多个领域。
世界各国都非常重视生物质能的利用，都在积极探索生物质能源的转化技术和产品形式、方法的开发，并通过法律手段、政府政策、科技创新、国际合作等措施来不断发展和建设可再生能源。生物质能成为一种高效的、有潜为的可再生能源被广泛关注。美国是能源消耗较大的国家，且有非常丰富的生物质能源，在2012年11月，美国农业部计划在2022年力争对生物质能源作为交通工具燃料的利用上实现每年360亿加仑(1加仑约=3.785L)。有科学家预言，在未来的50年期间，世界未来的可持续发展新能源体系中主要的能源将是生物质能，生物质能源的不断开发和利用使得全球CO2的排放量大幅度减少，并将提供世界50%的电力和液体燃料。因此，重视生物质能源的利用与技术开发，从能源再利用角度出发，可减少对传统型能源的依赖，提高能源利用率;从环境友好方面考虑，可降低温室气体(如CO2、SO2等)的排放。充分利用现有生物质转化技术，不断扩大生物质资源回收渠道和应用领域，使其能够高效地转换为固、液、气燃料，有助于改进能源的多样化利用，成为预防能源危机的有效手段，对保障能源与环境可持续发展有着重要的意义。
从1953年的碳材料国际会议至今，对碳材料的研究从原始含碳材料的制备拓展到了碳材料吸附、表面作用机理、热处理以及炭化学反应在储能、环境保护等不同的方面的应用。目前，我国制备优质性能的活性炭材料距离工业化尚有一定的而距离，因此必须加大对活性炭材料的研巧和发展力度。结合炭材料的各种突出的功能和开发环境友好的制备工艺，不断地开发新型碳功能材料。综合考虑将原材料使用范围不断扩大，提高原材料的附加值并降低制备炭材料的原始成本。
目前，大量环境问题不断的出现，己然成为了全球关注的热点。环境不断被污染和破坏，正在影响着人们的正常生活和经济的发展。环境问题的不断加剧和恶化，将对人类的生存环境造成了严重的不可逆转的危害。大量污染物如重金属、有机污染物的排放，成为了近年来热切关注的环境问题之一。对于如此严峻的环境条件下，有必要制备出一种结构稳定、性能突出、吸附选择性小且经济可回收的炭材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对水热炭材料结构不稳定且基本没有孔结构的生成，从而影响了其比表面积增大的问题，提供了一种瓜子壳水热活性炭的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
（1）取100~120g瓜子壳洗净，自然干燥后球磨，过筛得球磨瓜子壳粉末；
（2）将球磨瓜子壳粉末置于烘箱中烘干，得干燥球磨粉末；
（3）将干燥球磨粉末置于和200mL的质量分数为20%的双氧水中置于烧杯中，超声震荡过滤，得改性球磨粉末；
（4）将改性球磨粉末和600~720g去离子水倒入高压釜中，并添加高锰酸钾溶液，搅拌，得改性混合液；
（5）将改性混合液过滤，滤渣置于丙酮溶液中浸泡，用去去离子水洗涤，得改性滤渣；
（6）取7~8g大孔吸附树脂，球磨后与改性滤渣搅拌，填充至块状模具中冷冻后置于冷冻干燥机中冷冻干燥，得固化料；
（7）固化料置于烧炉中烧结，得一种瓜子壳水热活性炭。
步骤（1）所述的瓜子壳所述的过筛的目数为80。
步骤（3）所述的双氧水的质量分数为20%。
步骤（4）所述的高锰酸钾的质量分数为5%。
步骤（4）所述的高压釜的压力为40~50MPa，其温度为220~240℃。
步骤（5）所述的丙酮溶液的质量分数为20%。
步骤（6）所述的冷冻干燥温度为-40~-50℃。
步骤（7）所述的烧结温度为600~800℃。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明在以瓜子壳制备水热活性炭的过程中，用双氧水与高锰酸钾溶液对瓜子壳进行改性，提高了水热炭的灰分含量，在其结构和孔道内部形成了分散性的碳酸锰，有效增加其表面积，改善其吸附能力；
（2）本发明在以瓜子壳制备水热活性炭的过程中，使用冷冻干燥技术，增多了孔结构的形成，有利于水热活性炭表面积增强。
具体实施方式
取100~120g瓜子壳，用去离子水洗净，自然干燥后置于球磨罐中，以300~320r/min的转速球磨40~50min，过80目筛得球磨瓜子壳粉末；将球磨瓜子壳粉末置于烘箱中，将温度调节至85~95℃，2~3h后取出，得干燥球磨粉末；将100g干燥球磨粉末和200mL的质量分数为20%的双氧水混合置于烧杯中，随后将烧杯置于180～220W超声振荡仪中，超声振荡10~12h后过滤，得改性球磨粉末；将改性球磨粉末倒入至盛有600~720g去离子水的高压反应釜中，并加入30~40g质量分数为5%的高锰酸钾溶液，在40~50MPa的压力下，将温度调节至220~240℃，以200~250r/min的转速搅拌1.5~2h，静置冷却至室温，得改性混合液；将改性混合液过滤，得滤渣与500mL质量分数为20%的丙酮溶液搅拌混合，浸泡1.0~1.5h后取出，用去离子水洗涤4~5次，得改性滤渣；取7~8g大孔吸附树脂，置于球磨罐中以120~150r/min的转速球磨20~30min，得大孔吸附树脂粉末，将大孔吸附树脂粉末与改性滤渣置于搅拌机中搅拌过后，以30~40MPa的压强填充至块状模具中，置于-10~-5℃的冷冻箱中20~24h，随后置于冷冻干燥机中，在-40~-50℃的温度下冷冻干燥，得固化料；将固化料置于烧结炉中，600~800℃烧结2~3h，即得一种瓜子壳水热活性炭。所述的大孔树脂的型号为LSA-7。
实例1
取100g瓜子壳，用去离子水洗净，自然干燥后置于球磨罐中，以300r/min的转速球磨40min，过80目筛得球磨瓜子壳粉末；将球磨瓜子壳粉末置于烘箱中，将温度调节至85℃，2h后取出，得干燥球磨粉末；将100g干燥球磨粉末和200mL的质量分数为20%的双氧水混合置于烧杯中，随后将烧杯置于180W超声振荡仪中，超声振荡10h后过滤，得改性球磨粉末；将改性球磨粉末倒入至盛有600g去离子水的高压反应釜中，并加入30g质量分数为5%的高锰酸钾溶液，在40MPa的压力下，将温度调节至220℃，以200r/min的转速搅拌1.5h，静置冷却至室温，得改性混合液；将改性混合液过滤，得滤渣与500mL质量分数为20%的丙酮溶液搅拌混合，浸泡1.0h后取出，用去离子水洗涤4次，得改性滤渣；取7g型号为LSA-7的大孔吸附树脂，置于球磨罐中以120r/min的转速球磨20min，得大孔吸附树脂粉末，将大孔吸附树脂粉末与改性滤渣置于搅拌机中搅拌过后，以30MPa的压强填充至块状模具中，置于-5℃的冷冻箱中20h，随后置于冷冻干燥机中，在-40℃的温度下冷冻干燥，得固化料；将固化料置于烧结炉中，600℃烧结2h，即得一种瓜子壳水热活性炭。
实例2
取110g瓜子壳，用去离子水洗净，自然干燥后置于球磨罐中，以310r/min的转速球磨45min，过80目筛得球磨瓜子壳粉末；将球磨瓜子壳粉末置于烘箱中，将温度调节至90℃，2h后取出，得干燥球磨粉末；将100g干燥球磨粉末和200mL的质量分数为20%的双氧水混合置于烧杯中，随后将烧杯置于200W超声振荡仪中，超声振荡11h后过滤，得改性球磨粉末；将改性球磨粉末倒入至盛有660g去离子水的高压反应釜中，并加入35g质量分数为5%的高锰酸钾溶液，在45MPa的压力下，将温度调节至230℃，以220r/min的转速搅拌1.5h，静置冷却至室温，得改性混合液；将改性混合液过滤，得滤渣与500mL质量分数为20%的丙酮溶液搅拌混合，浸泡1.0h后取出，用去离子水洗涤4次，得改性滤渣；取7g型号为LSA-7的大孔吸附树脂，置于球磨罐中以130r/min的转速球磨25min，得大孔吸附树脂粉末，将大孔吸附树脂粉末与改性滤渣置于搅拌机中搅拌过后，以35MPa的压强填充至块状模具中，置于-8℃的冷冻箱中22h，随后置于冷冻干燥机中，在-45℃的温度下冷冻干燥，得固化料；将固化料置于烧结炉中，700℃烧结2h，即得一种瓜子壳水热活性炭。
实例3
取120g瓜子壳，用去离子水洗净，自然干燥后置于球磨罐中，以320r/min的转速球磨50min，过80目筛得球磨瓜子壳粉末；将球磨瓜子壳粉末置于烘箱中，将温度调节至95℃，3h后取出，得干燥球磨粉末；将100g干燥球磨粉末和200mL的质量分数为20%的双氧水混合置于烧杯中，随后将烧杯置于220W超声振荡仪中，超声振荡12h后过滤，得改性球磨粉末；将改性球磨粉末倒入至盛有720g去离子水的高压反应釜中，并加入40g质量分数为5%的高锰酸钾溶液，在50MPa的压力下，将温度调节至240℃，以250r/min的转速搅拌2h，静置冷却至室温，得改性混合液；将改性混合液过滤，得滤渣与500mL质量分数为20%的丙酮溶液搅拌混合，浸泡1.5h后取出，用去离子水洗涤5次，得改性滤渣；取8g型号为LSA-7的大孔吸附树脂，置于球磨罐中以150r/min的转速球磨30min，得大孔吸附树脂粉末，将大孔吸附树脂粉末与改性滤渣置于搅拌机中搅拌过后，以40MPa的压强填充至块状模具中，置于-10℃的冷冻箱中24h，随后置于冷冻干燥机中，在-50℃的温度下冷冻干燥，得固化料；将固化料置于烧结炉中，800℃烧结3h，即得一种瓜子壳水热活性炭。
对照例：平顶山某有限公司生产的活性炭。
将实例及对照例的活性炭材料进行检测，具体检测如下：
活性炭比表面积：样品的比表面积的分析是采用美国麦克仪器公司生产的比表面积分析仪中N2物理吸附-脱附法对实验样品进行测定,调节相对压力P/P0=0.01~0.99之间,测样前需在200°C下脱气2h,然后N2为吸附质,在液氮温度为-196°C下进行吸附,最后通过BET理论分析比表面积。
热值：称量0.1g待测样品,通过采用ZDHW-6型微机全自动量热仪测定。
具体检测结果如表1。
表1性能表征对比表
| 检测项目 | 实例1 | 实例2 | 实例3 | 对照例 |
| 比表面积m2/g | 19.136 | 19.201 | 19.145 | 10.361 |
| 热值℃ | 240 | 240 | 240 | 180 |
由表1可知，本发明制备的水热活性炭是作为改性制备高性能炭材料的前驱体及合理利用废弃生物质能源的有效途径,更是低成本、可再生、环境友好型的高比表面积炭材料。
Claims (8)
1.一种瓜子壳水热活性炭的制备方法，其特征在与具体制备步骤为：
取100~120g瓜子壳洗净，自然干燥后球磨，过筛得球磨瓜子壳粉末；
将球磨瓜子壳粉末置于烘箱中烘干，得干燥球磨粉末；
将干燥球磨粉末置于和200mL的质量分数为20%的双氧水中置于烧杯中，超声震荡过滤，得改性球磨粉末；
将改性球磨粉末和600~720g去离子水倒入高压釜中，并添加高锰酸钾溶液，搅拌，得改性混合液；
将改性混合液过滤，滤渣置于丙酮溶液中浸泡，用去离子水洗涤，得改性滤渣；
取7~8g大孔吸附树脂，球磨后与改性滤渣搅拌，填充至块状模具中，冷冻后置于冷冻干燥机中冷冻干燥，得固化料；
固化料置于烧炉中烧结，得一种瓜子壳水热活性炭。
2.根据权利要求1所述的一种瓜子壳水热活性炭的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的瓜子壳所述的过筛的目数为80。
3.根据权利要求1所述的一种瓜子壳水热活性炭的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的双氧水的质量分数为20%。
4.根据权利要求1所述的一种瓜子壳水热活性炭的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的高锰酸钾的质量分数为5%。
5.根据权利要求1所述的一种瓜子壳水热活性炭的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的高压釜的压力为40~50MPa，其温度为220~240℃。
6.根据权利要求1所述的一种瓜子壳水热活性炭的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述的丙酮溶液的质量分数为20%。
7.根据权利要求1所述的一种瓜子壳水热活性炭的制备方法，其特征在于：步骤（6）所述的冷冻干燥温度为-40~-50℃。
8.根据权利要求1所述的一种瓜子壳水热活性炭的制备方法，其特征在于：步骤（7）所述的烧结温度为600~800℃。
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