CN108516548A - 一种高介孔率活性炭的制备方法及其获得的活性炭 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高介孔率生物质活性炭的制备方法及其获得的活性炭,该方法包括原料破碎、酸水热炭化、低温活化、高温活化、水洗等步骤,采用磷酸作为活化剂,将生物质制备成活性炭。本发明相比现有技术具有以下优点:采用水热炭化及一次空气活化促进磷酸对生物质中的纤维素、半纤维素等高聚糖的水解和脱水反应,减少磷酸之间的缩合反应,促进了磷酸的活化作用;生产工艺简单,设备要求低;无需添加其他催化剂,降低了生产成本;活化所用的磷酸水洗后可回收,无污染;所制备的活性炭具有较大的比表面积和发达的孔隙结构,其中总孔容为2.0447cm3·g‑1,介孔孔容为1.976cm3·g‑1,介孔率达到95%以上,对亚甲基蓝有较好的去处效果,具有极大的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明设计活性炭制备技术领域,尤其涉及的是一种高介孔率活性炭的制备方法及其获得的活性炭。
背景技术
活性炭在工业领域有着广泛的应用,由于其有发达的孔隙结构和较高的比表面积,在气体吸附,液相脱色,环境保护,催化剂载体以及电极材料方面有着广泛的应用。对于普通活性炭,孔隙中绝大部分是直径小于2nm的微孔,分子较大的一些染料分子或气体分子不能够进入孔隙中,导致活性炭的吸附能力下降。因此,普通活性炭在吸附大分子污染物方面的应用非常有限。
相比于普通活性炭,介孔活性炭由于其疏水性好,孔体积大,导电性能好等优势,使得它在有大分子污染物吸附分离及催化领域有广阔的应用前景。
目前主要是通过模板法制备介孔活性炭,采用纳米晶体结构材料或介孔材料作为模板,将碳源物质在孔道中填充,生长,在通过原位转换获得复制结构。例如,中国专利文献CN 105036250 A公开了一种活性炭纤维负载有序介孔炭-石墨烯复合材料的制备方法和应用,以石墨为前驱体,制得氧化石墨烯-活性炭纤维复合材料,再以酚醛树脂作为前驱体,F127为模板,二者按比例高温煅烧得新型有序介孔炭材料;中国专利文献CN 104140090 A公开了一种亲水性有序介孔炭材料TSC-1的制备方法,它采用SBA-15介孔分子筛为母模板,将其内部P123 共聚物模板在高温下炭化生成有序介孔炭材料TSC-1。上述模板法由于原料成本较高、在制备过程中造成大量的水污染及需要在合成过程中去处模板等原因,导致模板法在实际应用中工艺复杂、生产周期长,污染大,不适宜大规模生产。
中国专利CN 103359729 A公开了一种介孔活性炭制备的新方法,它以碳水化合物、木质或竹质为起始原料,以酸性离子液体作为离子热炭化的溶剂和催化剂,再经过CO2活化制备介孔活性炭,活性炭的结构因表面活性剂不同,可以为棒状、球状和膜状,采用离子热炭化工艺反应温度低,无需加压。但是该工艺在离子热炭化后需加入水和乙醇交替洗涤,污染较大,耗时较长;制得的活性炭比表面积较低,仅为289-469m2/g.
因此,寻找一种环境友好、高产率、工艺简单、空隙结构发达的介孔活性炭的工艺目前成为人们的研究热点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供了一种高介孔率活性炭的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的:一种高介孔率活性炭的制备方法,其特征在于步骤如下:
步骤一、原料粉碎,以锯末作为原料,并将其进一步粉碎;
步骤二、酸水热炭化,将步骤一粉碎的锯末与磷酸溶液混合,并在密封环境下加热;
步骤三、低温活化,空气气氛下,直接将步骤二获得的固液混合物在200℃下进行加热活化;
步骤四、高温活化,氮气气氛下,将步骤三获得的粉末在300~500℃下进行加热活化;
步骤五、水洗烘干,将步骤四获得的产物进行水洗至残液为中性后干燥,即可获得所述高介孔率活性炭。
作为对上述方案的进一步改进,步骤二中使用的磷酸溶液为质量分数为 41%~62%的磷酸溶液。
作为对上述方案的进一步改进,步骤二中磷酸溶液与锯末的质量比为1:4。
作为对上述方案的进一步改进,步骤二中在密封环境中加热的具体步骤为将盛装有锯末与磷酸溶液混合物反应釜密封后放置烘箱加热至200℃,保温6h。
作为对上述方案的进一步改进,步骤三中活化时间为6h,在管式炉中加热,管式炉中空气流动速率为0.5mL·min-1。
作为对上述方案的进一步改进,步骤四中活化时间为60min,在管式炉中加热,管式炉内通氮气为保护气体,氮气流动速率为0.5mL·min-1。
作为对上述方案的进一步改进,步骤五中水洗过程中先将步骤四的产物在去离子水中加热至沸腾状态并保持30s,再用去离子水冲洗至残液为中性后干燥获得所述高介孔率活性炭。
作为对上述方案的进一步改进,锯末粉碎至40-80目。
本发明还提供了一种高介孔率活性炭,其特征在于:所述高介孔率活性炭是使用上述任一种高介孔率活性炭的制备方法获得的。
本发明相比现有技术具有以下优点:本方案采用三步活化法,先用酸水热处理生物质,接着采用空气低温活化,最后在惰性气体下活化,生产工艺简单,设备要求低;无需添加其他催化剂,降低了生产成本;活化所用的磷酸水洗后可回收,无污染;克服了模板法工艺复杂,生产周期长,污染大的缺陷;制备出的高介孔率活性炭BET比表面积可以达到2400m2·g-1,总孔容为2.0447cm3·g-1,其中介孔孔容为1.976cm3·g-1,介孔率达到95%以上,其亚甲基蓝吸附值为 611.26mg·g-1,具备发达的空隙结构和优秀的吸附能力;具有极大的市场应用前景。
附图说明
图1是本发明获得的高介孔率生物质活性炭的10000倍扫描电镜图。
图2是本发明获得的高介孔率生物质活性炭的60000倍扫描电镜图。
图3是本发明获得的高介孔率生物质活性炭的120000倍扫描电镜图。
图4是本发明获得的高介孔率生物质活性炭的氮气吸脱附曲线图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种高介孔率活性炭的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤一、原料粉碎,将回收的木质锯末粉碎至40-80目,以保证原料颗粒大小的一致性。
步骤二、酸水热炭化,取步骤一所获得的生物质颗粒4g放置于50mL特氟龙内胆的反应釜中,加入30mL质量分数为41%的磷酸溶液,充分搅拌,此时磷酸与锯末的质量比为1:4,将反应釜密封后放置烘箱加热至200℃,保温6h。磷酸是中等强度质子酸,可以显著促进纤维素等高聚糖的水解,形成低聚糖或单糖产物,随后渗透到生物质结构内部,才能产生活化作用,且磷酸能催化高聚糖及其产物的脱水。水热反应时,反应釜内部水蒸气的压力达到15Mpa,可以促进生物质的高聚糖的水解和脱水反应,使磷酸能够进入生物质内部,提高了活性炭的性能和产量,且反应釜中的水蒸气能使更多的磷酸以质子酸的形式存在,减少了磷酸分子之间的缩合反应,降低了活化所需磷酸的量。
步骤三、一次活化,将步骤二获得的产物放置于管式炉内,采用加热活化的方式,活化温度为200℃,活化时间为6h。管式炉内通空气,控制空气速率为 0.5mL·min-1。空气活化可提高活性炭的含氧官能团。
步骤四、二次活化,将步骤三获得的产物放置于管式炉内,采用加热活化的的方式,活化温度为450℃,活化时间为60min。管式炉内通氮气为保护气体,控制氮气速率为0.5mL·min-1。在二次活化期间,磷酸分子的羟基与高聚糖及其降解产物中的羧基发生交联反应,缩合成为磷酸酯键,反应式如下:
Cell-OH+H3PO4fCell-O-H2PO3+H2O
步骤五、水洗烘干,将步骤四所得的活性炭放置在去离子水中,加热至沸腾状态并保持30s,再用去离子水冲洗至残液为中性后干燥获得所述高介孔率活性炭。磷酸与生物质高分子生成的复合体碳化物洗掉后,留下的空隙就成为活性炭的孔隙。
在酸水热过程中,磷酸能够进入生物质内部,促进了磷酸对生物质中高聚糖的水解作用,同时降低磷酸分子之间的缩合反应,此时,磷酸与生物质高分子发生较轻微的缩合反应,生成的主要是微孔,磷酸在空气活化时,空气中的氧气会缓慢氧化生物质中未与磷酸分子结合的纤维素和半纤维素,使得孔径进一步增大,在惰性气体中活化时,磷酸与生物质分子的交联作用增强,生成了大量的磷酸酯键,阻止了细胞壁的热收缩。在水洗步骤中,磷酸与生物质高分子生成的复合体碳化物被洗掉,其所占的空间就形成了丰富的介孔。
磷酸生产成本较低,且产品本身无毒,活化所需的温度相比于传统碱性活化剂和碱金属盐活化剂要低,能耗低,也更安全,因此使用磷酸制备生物质基活性炭的范围更加广泛。
实施例2
一种高介孔率活性炭的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤一、原料粉碎,将回收的木质锯末粉碎至40-80目,以保证原料颗粒大小的一致性。
步骤二、酸水热炭化,取步骤一所获得的生物质颗粒4g放置于50mL特氟龙内胆的反应釜中,加入30mL质量分数为49%的磷酸溶液,充分搅拌,此时磷酸与锯末的质量比为1:5,将反应釜密封后放置烘箱加热至200℃,保温9h。磷酸是中等强度质子酸,可以显著促进纤维素等高聚糖的水解,形成低聚糖或单糖产物,随后渗透到生物质结构内部,才能产生活化作用,且磷酸能催化高聚糖及其产物的脱水。水热反应时,反应釜内部水蒸气的压力达到15Mpa,可以促进生物质的高聚糖的水解和脱水反应,使磷酸能够进入生物质内部,提高了活性炭的性能和产量,且反应釜中的水蒸气能使更多的磷酸以质子酸的形式存在,减少了磷酸分子之间的缩合反应,降低了活化所需磷酸的量。
步骤三、一次活化,将步骤二获得的产物放置于管式炉内,采用加热活化的方式,活化温度为200℃,活化时间为3h。管式炉内通空气,控制空气速率为 0.5mL·min-1。空气活化可提高活性炭的含氧官能团。
步骤四、二次活化,将步骤三获得的产物放置于管式炉内,采用加热活化的的方式,活化温度为450℃,活化时间为90min。管式炉内通氮气为保护气体,控制氮气速率为0.5mL·min-1。在二次活化期间,磷酸分子的羟基与高聚糖及其讲解产物中的羧基发生交联反应,缩合成为磷酸酯键,反应式如下:
Cell-OH+H3PO4fCell-O-H2PO3+H2O
步骤五、水洗烘干,将步骤四所得的活性炭放置在去离子水中,加热至沸腾状态并保持30s,再用去离子水冲洗至残液为中性后干燥获得所述高介孔率生物质活性炭。步骤四中磷酸与生物质高分子生成的复合体碳化物洗掉后,留下的空隙就成为活性炭的孔隙。
在酸水热过程中,磷酸能够进入生物质内部,促进了磷酸对生物质中高聚糖的水解作用,同时降低磷酸分子之间的缩合反应,此时,磷酸与生物质高分子发生较轻微的缩合反应,生成的主要是微孔,磷酸在空气活化时,空气中的氧气会缓慢氧化生物质中未与磷酸分子结合的纤维素和半纤维素,使得孔径进一步增大,在惰性气体中活化时,磷酸与生物质分子的交联作用增强,生成了大量的磷酸酯键,阻止了细胞壁的热收缩。在水洗步骤中,磷酸与生物质高分子生成的复合体碳化物被洗掉,其所占的空间就形成了丰富的介孔。
磷酸生产成本较低,且产品本身无毒,活化所需的温度相比于传统碱性活化剂和碱金属盐活化剂要低,能耗低,也更安全,因此使用磷酸制备生物质基活性炭的范围更加广泛。
实施例3
一种高介孔率生物质活性炭的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤一、原料粉碎,将回收的木质锯末粉碎至40-80目,以保证原料颗粒大小的一致性。
步骤二、酸水热炭化,取步骤一所获得的生物质颗粒4g放置于50mL特氟龙内胆的反应釜中,加入30mL质量分数为62%的磷酸溶液,充分搅拌,此时磷酸与生物质的质量比为1:7,将反应釜密封后放置烘箱加热至200℃,保温12h。磷酸是中等强度质子酸,可以显著促进纤维素等高聚糖的水解,形成低聚糖或单糖产物,随后渗透到生物质结构内部,才能产生活化作用,且磷酸能催化高聚糖及其产物的脱水。水热反应时,反应釜内部水蒸气的压力达到15Mpa,可以促进生物质的高聚糖的水解和脱水反应,使磷酸能够进入生物质内部,提高了活性炭的性能和产量,且反应釜中的水蒸气能使更多的磷酸以质子酸的形式存在,减少了磷酸分子之间的缩合反应,降低了活化所需磷酸的量。
步骤三、一次活化,将步骤二获得的产物放置于管式炉内,采用加热活化的方式,活化温度为200℃,活化时间为3h。管式炉内通空气,控制空气速率为0.5mL·min-1。空气活化可提高活性炭的含氧官能团。
步骤四、二次活化,将步骤三获得的产物放置于管式炉内,采用加热活化的的方式,活化温度为400℃,活化时间为60min。管式炉内通氮气为保护气体,控制氮气速率为0.5mL·min-1。在二次活化期间,磷酸分子的羟基与高聚糖及其讲解产物中的羧基发生交联反应,缩合成为磷酸酯键,反应式如下:
Cell-OH+H3PO4fCell-O-H2PO3+H2O
步骤五、水洗烘干,将步骤四所得的活性炭放置在去离子水中,加热至沸腾状态并保持30s,再用去离子水冲洗至残液为中性后干燥获得所述高介孔率生物质活性炭。步骤四中磷酸与生物质高分子生成的复合体碳化物洗掉后,留下的空隙就成为活性炭的孔隙。
在酸水热过程中,磷酸能够进入生物质内部,促进了磷酸对生物质中高聚糖的水解作用,同时降低磷酸分子之间的缩合反应,此时,磷酸与生物质高分子发生较轻微的缩合反应,生成的主要是微孔,磷酸在空气活化时,空气中的氧气会缓慢氧化生物质中未与磷酸分子结合的纤维素和半纤维素,使得孔径进一步增大,在惰性气体中活化时,磷酸与生物质分子的交联作用增强,生成了大量的磷酸酯键,阻止了细胞壁的热收缩。在水洗步骤中,磷酸与生物质高分子生成的复合体碳化物被洗掉,其所占的空间就形成了丰富的介孔。
磷酸生产成本较低,且产品本身无毒,活化所需的温度相比于传统碱性活化剂和碱金属盐活化剂要低,能耗低,也更安全,因此使用磷酸制备生物质基活性炭的范围更加广泛。
实施例4
一种高介孔率生物质活性炭的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤一、原料粉碎,将回收的木质锯末粉碎至40-80目,以保证原料颗粒大小的一致性。
步骤二、酸水热炭化,取步骤一所获得的生物质颗粒4g放置于50mL特氟龙内胆的反应釜中,加入30mL质量分数为62%的磷酸溶液,充分搅拌,此时磷酸与生物质的质量比为1:7,将反应釜密封后放置烘箱加热至200℃,保温12h。磷酸是中等强度质子酸,可以显著促进纤维素等高聚糖的水解,形成低聚糖或单糖产物,随后渗透到生物质结构内部,才能产生活化作用,且磷酸能催化高聚糖及其产物的脱水。水热反应时,反应釜内部水蒸气的压力达到15Mpa,可以促进生物质的高聚糖的水解和脱水反应,使磷酸能够进入生物质内部,提高了活性炭的性能和产量,且反应釜中的水蒸气能使更多的磷酸以质子酸的形式存在,减少了磷酸分子之间的缩合反应,降低了活化所需磷酸的量。
步骤三、一次活化,将步骤二获得的产物放置于管式炉内,采用加热活化的方式,活化温度为200℃,活化时间为3h。管式炉内通空气,控制空气速率为 0.5mL·min-1。空气活化可提高活性炭的含氧官能团。
步骤四、二次活化,将步骤三获得的产物放置于管式炉内,采用加热活化的的方式,活化温度为500℃,活化时间为60min。管式炉内通氮气为保护气体,控制氮气速率为0.5mL·min-1。在二次活化期间,磷酸分子的羟基与高聚糖及其讲解产物中的羧基发生交联反应,缩合成为磷酸酯键,反应式如下:
Cell-OH+H3PO4fCell-O-H2PO3+H2O
步骤五、水洗烘干,将步骤四所得的活性炭放置在去离子水中,加热至沸腾状态并保持30s,再用去离子水冲洗至残液为中性后干燥获得所述高介孔率生物质活性炭。步骤四中磷酸与生物质高分子生成的复合体碳化物洗掉后,留下的空隙就成为活性炭的孔隙。
在酸水热过程中,磷酸能够进入生物质内部,促进了磷酸对生物质中高聚糖的水解作用,同时降低磷酸分子之间的缩合反应,此时,磷酸与生物质高分子发生较轻微的缩合反应,生成的主要是微孔,磷酸在空气活化时,空气中的氧气会缓慢氧化生物质中未与磷酸分子结合的纤维素和半纤维素,使得孔径进一步增大,在惰性气体中活化时,磷酸与生物质分子的交联作用增强,生成了大量的磷酸酯键,阻止了细胞壁的热收缩。在水洗步骤中,磷酸与生物质高分子生成的复合体碳化物被洗掉,其所占的空间就形成了丰富的介孔。
磷酸生产成本较低,且产品本身无毒,活化所需的温度相比于传统碱性活化剂和碱金属盐活化剂要低,能耗低,也更安全,因此使用磷酸制备生物质基活性炭的范围更加广泛。
实施例4
一种高介孔率生物质活性炭的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤一、原料粉碎,将回收的木质锯末粉碎至40-80目,以保证原料颗粒大小的一致性。
步骤二、酸水热炭化,取步骤一所获得的生物质颗粒4g放置于50mL特氟龙内胆的反应釜中,加入30mL质量分数为62%的磷酸溶液,充分搅拌,此时磷酸与生物质的质量比为1:7,将反应釜密封后放置烘箱加热至200℃,保温12h。磷酸是中等强度质子酸,可以显著促进纤维素等高聚糖的水解,形成低聚糖或单糖产物,随后渗透到生物质结构内部,才能产生活化作用,且磷酸能催化高聚糖及其产物的脱水。水热反应时,反应釜内部水蒸气的压力达到15Mpa,可以促进生物质的高聚糖的水解和脱水反应,使磷酸能够进入生物质内部,提高了活性炭的性能和产量,且反应釜中的水蒸气能使更多的磷酸以质子酸的形式存在,减少了磷酸分子之间的缩合反应,降低了活化所需磷酸的量。
步骤三、一次活化,将步骤二获得的产物放置于管式炉内,采用加热活化的方式,活化温度为200℃,活化时间为3h。管式炉内通空气,控制空气速率为0.5mL·min-1。空气活化可提高活性炭的含氧官能团。
步骤四、二次活化,将步骤三获得的产物放置于管式炉内,采用加热活化的的方式,活化温度为300℃,活化时间为60min。管式炉内通氮气为保护气体,控制氮气速率为0.5mL·min-1。在二次活化期间,磷酸分子的羟基与高聚糖及其讲解产物中的羧基发生交联反应,缩合成为磷酸酯键,反应式如下:
Cell-OH+H3PO4fCell-O-H2PO3+H2O
步骤五、水洗烘干,将步骤四所得的活性炭放置在去离子水中,加热至沸腾状态并保持30s,再用去离子水冲洗至残液为中性后干燥获得所述高介孔率生物质活性炭。步骤四中磷酸与生物质高分子生成的复合体碳化物洗掉后,留下的空隙就成为活性炭的孔隙。
在酸水热过程中,磷酸能够进入生物质内部,促进了磷酸对生物质中高聚糖的水解作用,同时降低磷酸分子之间的缩合反应,此时,磷酸与生物质高分子发生较轻微的缩合反应,生成的主要是微孔,磷酸在空气活化时,空气中的氧气会缓慢氧化生物质中未与磷酸分子结合的纤维素和半纤维素,使得孔径进一步增大,在惰性气体中活化时,磷酸与生物质分子的交联作用增强,生成了大量的磷酸酯键,阻止了细胞壁的热收缩。在水洗步骤中,磷酸与生物质高分子生成的复合体碳化物被洗掉,其所占的空间就形成了丰富的介孔。
磷酸生产成本较低,且产品本身无毒,活化所需的温度相比于传统碱性活化剂和碱金属盐活化剂要低,能耗低,也更安全,因此使用磷酸制备生物质基活性炭的范围更加广泛。
实施例6
一种高介孔率生物质活性炭,所述高介孔率生物质活性炭是通过实施例1、2、 3、4和5中所述高介孔率生物质活性炭的制备方法制备获得的。
经测试,实施例1所得活性炭的BET比表面积为2433.82m2·g-1,总孔容为2.0447cm3·g-1,其中介孔孔容为1.976cm3·g-1,介孔率为96.64%,平均孔径为 3.0237nm;其亚甲基蓝吸附值为611.26mg/g,是GB/T 13803.2-1999《木质净水用活性炭》中的国家一级品标准:130mg.g-1的4.7倍,证明活性炭对亚甲基蓝有优秀的去处能力。
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 (9)
1.一种高介孔率活性炭的制备方法,其特征在于步骤如下:
步骤一、原料粉碎,以锯末作为原料,并将其进一步粉碎;
步骤二、酸水热炭化,将步骤一粉碎的锯末与磷酸溶液混合,并在密封环境下加热;
步骤三、低温活化,空气气氛下,直接将步骤二获得的固液混合物在200℃下进行加热活化;
步骤四、高温活化,氮气气氛下,将步骤三获得的粉末在300~500℃下进行加热活化;
步骤五、水洗烘干,将步骤四获得的产物进行水洗至残液为中性后干燥,即可获得所述高介孔率活性炭。
2.如权利要求1所述一种高介孔率活性炭的制备方法,其特征在于:步骤二中使用的磷酸溶液为质量分数为41%~62%的磷酸溶液。
3.如权利要求1所述一种高介孔率活性炭的制备方法,其特征在于:步骤二中磷酸溶液与锯末的质量比为1:4~1:7。
4.如权利要求1所述一种高介孔率活性炭的制备方法,其特征在于:步骤二中在密封环境中加热的具体步骤为将盛装有锯末与磷酸溶液混合物反应釜密封后放置烘箱加热至200℃,保温6h。
5.如权利要求1所述一种高介孔率活性炭的制备方法,其特征在于:步骤三中活化时间为6h,在管式炉中加热,管式炉中空气流动速率为0.5mL·min-1。
6.如权利要求1所述一种高介孔率活性炭的制备方法,其特征在于:步骤四中活化时间为60min,在管式炉中加热,管式炉内通氮气为保护气体,氮气流动速率为0.5mL·min-1。
7.如权利要求1所述一种高介孔率活性炭的制备方法,其特征在于:步骤五中水洗过程中先将步骤四的产物在去离子水中加热至沸腾状态并保持30s,再用去离子水冲洗至残液为中性后干燥获得所述高介孔率活性炭。
8.如权利要求1所述一种高介孔率活性炭的制备方法,其特征在于:锯末粉碎至40-80目。
9.一种高介孔率活性炭,其特征在于:所述高介孔率活性炭是使用权利要求1至8中任一种高介孔率活性炭的制备方法获得的。
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