CN108584913A - 一种木质素微波辅助加热制备中空微纳米碳球的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种木质素微波辅助加热制备中空微纳米碳球的方法，首先将木质素置于微波反应器中，然后通入载气以排除其中的空气；然后开启微波反应器并保持载气流量不变，以升温速率50‑150℃/min升温至350‑550℃，其中，微波功率为800‑2000W；接着调节微波功率为300‑800W，升温速率为10‑50℃/min，升温至600‑800℃，保温10‑60分钟；最后关闭微波反应器，保持载气流量不变，降温至150℃以下后，关闭载气，得到的固体产物为中空微纳米碳球。本发明将为废弃资源木质素的高值化利用提供了新的途径，同时也有望为炭材料领域提供新型的基础材料。

Description

一种木质素微波辅助加热制备中空微纳米碳球的方法
技术领域
本发明属于废弃物资源化利用领域，具体涉及一种木质素微波辅助加热制备中空微纳米碳球的方法。
背景技术
木质素是制浆造纸和林木生物质精炼过程中的主要副产物，其产量巨大，每年全国制浆造纸工业及生物质精炼工业产生的木质素超过5000万吨，如烧碱法制浆产生的碱木质素、亚硫酸盐法制浆产生的木质素磺酸盐、硫酸盐法制浆产生的硫酸盐木质素及生物炼制乙醇法产生的酶解木质素等，这些木质素通常作直接燃烧或作为废弃物处理，利用附加值较低。
木质素是一种三维天然高分子化合物，结构中既有碳链又有芳香环，碳含量高，是制备炭材料的优良原料。中空微纳米碳球由于具有大的比表面积、良好的导电性以及高的化学稳定性等优异性能，且质量轻、抗压性能好，因此被广泛的应用于电极材料、储能储氢材料、吸附材料、润滑剂及催化剂载体等领域，受到了国内外科学工作者的广泛重视。但是，目前利用木质素生产中空微纳米碳球的技术与方法还鲜有报道，这是由于木质素结构复杂，制备炭材料过程可控性差且形貌难以调控。
发明内容
本发明的目的在于提供一种木质素微波辅助加热制备中空微纳米碳球的方法，用于解决目前资源丰富的木质素利用附加值不高等问题，本发明采用微波辅助加热方法，利用微波独特的加热方式及其精确可调的优势，通过控制微波条件使木质素直接生成中空微纳米碳球，为木质素的高值化利用提供一条新途径。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种木质素微波辅助加热制备中空微纳米碳球的方法，包括以下步骤：
步骤一：将木质素置于微波反应器中，然后通入载气以排除其中的空气；
步骤二：开启微波反应器并保持载气流量不变，以升温速率50-150℃/min升温至350-550℃，其中，微波功率为800-2000W；
步骤三：调节微波功率为300-800W，升温速率为10-50℃/min，升温至600-800℃，保温10-60分钟；
步骤四：关闭微波反应器，保持载气流量不变，降温至150℃以下后，关闭载气，得到的固体产物为中空微纳米碳球。
进一步地，步骤一中木质素为碱木质素、木质素磺酸盐、硫酸盐木质素、脱碱木质素和酶解木质素中的一种或多种任意比例混合物。
进一步地，步骤一中木质素粒径小于200μm。
进一步地，步骤一中每克木质素对应的载气流量为40-100mL/min，且载气通入时间为10-20分钟。
进一步地，步骤一中载气为氮气或氩气。
进一步地，所述微波反应器的微波频率为2.45GHz。
进一步地，步骤四中将中空微纳米碳球通过12500目过滤网筛分，通过过滤网的固体产物为中空碳纳米球，未通过过滤网的固体产物为中空碳微米球。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明利用微波辅助加热手段实现了将资源丰富的工业生产副产物-工业木质素一步法转化为了高价值的中空微纳米碳球，很好的利用了微波辅助加热相比于常规加热独特的优势。微波辅助加热借助微波介电加热，能够整体穿透有机物碳键结构，使能量迅速传至反应物的各个官能团上发生“非致热效应”，从而通过控制微波功率使得木质素均匀受热，并从内而外进行热解；这种独特的加热方式使得升温过程中木质素大分子自动熔融为圆球状，同时由于圆球状内部温度较高，导致内部组分发生热解生成小分子气体逸出从而产生了中空结构，小分子气体穿透圆球表面挥发出的过程中促使中空微纳米碳球产生孔隙结构，从而形成了具有发达比表面积的中空微纳米碳球，并通过简单的筛分即可分离出中空碳微球和中空碳纳米球。制备出的中空微纳米碳球具有强重比高、比表面积大、热稳定性好、化学稳定性高、导电性优良和生物相容性好等优点，在电化学储能、催化，吸附分离、离子交换和电化学传感等领域具有重要的应用价值和应用前景。本方法可为废弃资源木质素的高值化利用提供新的途径，同时也有望为炭材料领域提供新型的基础材料。
附图说明
图1木质素微波辅助加热制备的碳球电镜图；
图2木质素微波辅助加热制备的碳球中空结构图；
图3木质素微波辅助加热制备的碳球表面形貌图。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：
一种木质素微波辅助加热制备中空微纳米碳球的方法，包括以下步骤：
步骤一：将木质素置于微波反应器中，然后通入载气10-20分钟载气以排除微波反应体系中的空气，每克木质素对应的载气流量为40-100mL/min；所述的木质素为工业木质素，为碱木质素、木质素磺酸盐、硫酸盐木质素、脱碱木质素、酶解木质素中的一种或多种以任何比例混合；所述的木质素粒径小于200μm；所述的载气为氮气或氩气。
步骤二：开启微波反应器并保持载气流量不变，升温速率50-150℃/min，升温至350-550℃；其中，微波频率为2.45GHz，微波功率为800-2000W；
步骤三：调节微波功率为300-800W，升温速率为10-50℃/min，升温至600-800℃，保温10-60分钟。
步骤四：关闭微波反应器，保持载气流量不变，降温至150℃下后，关闭载气，得到的固体产物为中空微纳米碳球；将中空微纳米碳球通过12500目过滤网筛分，通过过滤网的固体产物为中空碳纳米球，未通过过滤网的固体产物为中空碳微米球。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1
以碱木质素为例介绍本发明的实施过程如下：
将10克粒径为10-150μm木质素置于微波反应器中，然后通入400mL/min氮气20分钟以排除微波反应体系中的空气，然后开启微波反应器进行微波辅助加热，微波频率为2.45GHz，微波功率为800W，对应的升温速率为50℃/min，升温至350℃后，调节微波功率为300W，对应的升温速率为10℃/min，升温至600℃，保温60分钟，然后关闭微波反应器，待体系中温度降至150℃以下，关闭氮气，将得到的固体产物通过12500目过滤网筛分，通过过滤网的固体产物为中空碳纳米球，未通过过滤网的固体产物为中空碳微球。经称重测量，获得的中空碳纳米球与中空碳微球的质量比为1：11.4，中空碳纳米球直径分布800-950nm，比表面积2132m2/g；中空碳微球直径分布1-80μm，比表面积760m2/g。
此实施例中碱木质素还可以为硫酸盐木质素、脱碱木质素或酶解木质素。
实施例2
以木质素磺酸盐为例介绍本发明的实施过程如下：
将10克粒径小于90μm木质素置于微波反应器中，然后通入1000mL/min氩气10分钟以排除微波反应体系中的空气，然后开启微波反应器进行微波辅助加热，微波频率为2.45GHz，微波功率为2000W，对应的升温速率为150℃/min，升温至550℃后，调节微波功率为800W，对应的升温速率为50℃/min，升温至800℃，保温10分钟，然后关闭微波反应器，待体系中温度降至150℃以下，关闭氩气，将得到的固体产物通过12500目过滤网筛分，通过过滤网的固体产物为中空碳纳米球，未通过过滤网的固体产物为中空碳微球。经称重测量，获得的中空碳纳米球与中空碳微球的质量比为1：4.5，中空碳纳米球直径分布500-980nm，比表面积1650m2/g；中空碳微球直径分布1-40μm，比表面积810m2/g。
实施例3
以硫酸盐木质素、脱碱木质素、酶解木质素混合后的木质素(三者混合质量比1:3:2)为例介绍本发明的实施过程如下：
将10克粒径小于50μm混合木质素置于微波反应器中，然后通入800mL/min氮气15分钟以排除微波反应体系中的空气，然后开启微波反应器进行微波辅助加热，微波频率为2.45GHz，微波功率为1400W，对应的升温速率为100℃/min，升温至450℃后，调节微波功率为550W，对应的升温速率为30℃/min，升温至700℃，保温20分钟，然后关闭微波反应器，待体系中温度降至150℃以下，关闭氮气，将得到的固体产物通过12500目过滤网筛分，通过过滤网的固体产物为中空碳纳米球，未通过过滤网的固体产物为中空碳微球。经称重测量，获得的中空碳纳米球与中空碳微球的质量比为1：3.3，中空碳纳米球直径分布450-950nm，比表面积1946m2/g；中空碳微球直径分布1-20μm，比表面积1140m2/g。

Claims (7)

1.一种木质素微波辅助加热制备中空微纳米碳球的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将木质素置于微波反应器中，然后通入载气以排除其中的空气；
步骤二：开启微波反应器并保持载气流量不变，以升温速率50-150℃/min升温至350-550℃，其中，微波功率为800-2000W；
步骤三：调节微波功率为300-800W，升温速率为10-50℃/min，升温至600-800℃，保温10-60分钟；
步骤四：关闭微波反应器，保持载气流量不变，降温至150℃以下后，关闭载气，得到的固体产物为中空微纳米碳球。
2.根据权利要求1所述的一种木质素微波辅助加热制备中空微纳米碳球的方法，其特征在于，步骤一中木质素为碱木质素、木质素磺酸盐、硫酸盐木质素、脱碱木质素和酶解木质素中的一种或多种任意比例混合物。
3.根据权利要求1所述的一种木质素微波辅助加热制备中空微纳米碳球的方法，其特征在于，步骤一中木质素粒径小于200μm。
4.根据权利要求1所述的一种木质素微波辅助加热制备中空微纳米碳球的方法，其特征在于，步骤一中每克木质素对应的载气流量为40-100mL/min，且载气通入时间为10-20分钟。
5.根据权利要求1所述的一种木质素微波辅助加热制备中空微纳米碳球的方法，其特征在于，步骤一中载气为氮气或氩气。
6.根据权利要求1所述的一种木质素微波辅助加热制备中空微纳米碳球的方法，其特征在于，所述微波反应器的微波频率为2.45GHz。
7.根据权利要求1所述的一种木质素微波辅助加热制备中空微纳米碳球的方法，其特征在于，步骤四中将中空微纳米碳球通过12500目过滤网筛分，通过过滤网的固体产物为中空碳纳米球，未通过过滤网的固体产物为中空碳微米球。
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