CN109081339A

CN109081339A - 一种用于温室气体捕集的新型氮掺杂活性炭

Info

Publication number: CN109081339A
Application number: CN201811090828.5A
Authority: CN
Inventors: 张永奎; 李盼禹; 谢艺; 胡梦宁; 锁姣
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2018-09-19
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2018-12-25

Abstract

本发明公开了一种用于温室气体捕集的新型氮掺杂活性炭的制备方法。所述的新型氮掺杂活性炭是由以餐厨垃圾微生物处理过程残留的水解残渣为前驱体、氢氧化钾为活化剂合成的，其特征为包括以下步骤：（1）原料预处理：将餐厨垃圾水解残渣干燥、粉碎、过筛；（2）初步碳化：将餐厨垃圾水解残渣至于管式炉中高温碳化；（3）浸渍：将炭化物用氢氧化钾溶液浸渍；（4）高温活化：将浸渍物烘干后至于管式炉高温热解；（5）将粗产物洗涤并干燥得到活性炭。本发明首次实现了将餐厨垃圾生物处理过程产生的水解残渣转化为氮掺杂活性炭，并将其用于二氧化碳捕集，不仅提高了资源利用率和餐厨垃圾的处理效率，还为用于温室气体捕集的活性炭的制备提供了一种可持续性的廉价原料。

Description

一种用于温室气体捕集的新型氮掺杂活性炭

技术领域

本发明属于温室气体治理和材料技术领域，具体而言，涉及餐厨垃圾水解残渣资源化利用和二氧化碳的捕集，一种将餐厨垃圾水解残渣转化为氮掺杂活性炭的方法。

背景技术

随着工业化的快速发展和生活水平的不断提高，化石燃料的消耗量日益增大，以二氧化碳为代表的温室气体的排放量也越来越大，造成严重的环境问题，加剧了温室效应和海洋酸化进程。现在降低大气中二氧化碳含量的方法有膜分离、化学吸收、储存和捕集、冷冻处理等。其中，二氧化碳捕集和分离技术因其工艺简单、原料适应性广、能耗低、设备简单等优点，被认为是最理想的技术。二氧化碳捕集和分离技术的关键是采用高效的吸附剂对二氧化碳进行捕集。在众多的吸附材料中，具有发达孔道结构的活性炭材料具有完全可逆、快速率、高循环使用率等特点被广泛用于二氧化碳捕集。为了进一步降低活性炭的生产成本，现在多尝试以自然界广泛存在的生物质（包括海藻、明胶、淀粉等）为原料来制备活性炭。

餐厨垃圾是城市固体垃圾的主要组成部分之一，具有高有机含量、高油脂含量、高水分含量和高盐分含量等特性，容易腐烂变质污染水资源和散发恶臭，进而严重影响人们的身体健康和生活质量。随着人们生活水平的不断提高、城市化进程的不断加快和餐饮业的快速发展，餐厨垃圾的产生量越来越大。中国发明专利《用于废水处理的餐饮垃圾废渣活性炭及其制备方法》（申请公开号CN 103332690 A）是直接将餐厨垃圾作为原料合成活性炭，用于废水处理；此方法虽然可以得到低成本的活性炭材料，但是并未充分利用餐厨垃圾淀粉、蛋白质含量高的特性。以餐厨垃圾作为底物培养微生物，得到高附加值的功能性产品，能够高效利用餐厨垃圾的资源性。本发明人前期已经成功通过微生物将餐厨垃圾有效成分转化为微生物多糖和油脂。相比于传统的处理方法，生物法同时兼具废弃物资源化处理和化学品的廉价原料生产两大优点，目前已经受到人们的广泛重视。在餐厨垃圾资源化利用过程当中，经常需要将其进行水解预处理，回收其中的营养成分。本发明人前期对餐厨垃圾的水解方法进行了系统研究，发现在考虑成本和环境的前提下，无论使用何种方法对餐厨垃圾进行处理，碳源物质和氮源物质都很难完全转移到液相中，导致了大量固体残渣的产生。包括餐厨垃圾在内的生物质的水解残渣也是一类有机质废弃物，如果不加以处理，也会对环境带来威胁，严重影响生物法处理有机废弃物的效率。水解残渣属于一类废弃生物质，丰富的有机成分，本发明人认为它是一种放错位置的廉价生物质资源，采用合适的方法进行利用，可以达到“变废为宝”的目的。目前对于水解残渣的处理还鲜有报道，考虑到水解残渣中含有大量的碳源物质，可以将其用作多孔碳材料制备的前驱体。

此外，有研究表明，在活性炭材料结构中引入N、P、S等杂原子，可以有效提高二氧化碳捕集能力和选择性。其中，由于在自然界重分布广泛，对于N掺杂的研究备受关注。传统的方法利用氮含量丰富的纯化学试剂作为氮源向碳材料中掺杂氮原子，造成成本较高，限制了氮掺杂活性炭的大规模应用。而餐厨垃圾水解残渣中含有丰富的氮元素，无需额外添加氮源，直接原位合成氮掺杂活性炭。以餐厨垃圾水解残渣为前驱体直接原位合成氮掺杂活性炭并将其应用于二氧化碳捕集，不仅提高了餐厨垃圾的资源化利用效率，降低了氮掺杂活性炭的原料成本，提高了活性炭可持续制备，可以实现活性炭的大规模生产，还为温室气体的治理提供了一种廉价吸附剂，达到了“变废为宝”的目的。

发明内容

本发明的目的，是针对餐厨垃圾生物处理过程的水解残渣的后续处理和温室气体处理问题，首次利用生物发酵过程的水解残渣为前躯体，通过氢氧化钾活化法合成氮掺杂活性炭，并将其应用于二氧化碳捕集，涉及了餐厨垃圾水解残渣的资源化利用、活性炭材料的原位氮掺杂和二氧化碳的捕集。本方法不仅解决了餐厨垃圾水解残渣的处理问题，提高了餐厨垃圾的资源化利用效率，并且以廉价的餐厨垃圾水解残渣为原料，降低了氮掺杂活性炭的制备的原料成本。

本发明是通过如下技术方案实现的。

一种用于温室气体捕集的利用餐厨垃圾水解残渣活性炭的制备方法，具体包括如下步骤：

（1）餐厨垃圾水解残渣预处理：将餐厨垃圾水解残渣干燥、粉碎，过60目筛，备用；

（2）餐厨垃圾水解残渣初步炭化：将餐厨垃圾水解残渣粉末放入管式炉中于300~600℃炭化，升温速率为5~10℃/min，炭化时间为0.5~3 h，采用氮气气氛（流量为4.8 L/h）；

（3）炭化料的氢氧化钾溶液浸渍：将步骤（2）得到的炭化料用质量浓度5%~30%氢氧化钾溶液浸渍，浸渍比具体为炭化料质量:氢氧化钾溶液体积比为1: 5~1:15，浸渍时间为15 h；

（4）炭化料活化：将步骤（3）得到浸渍混合物放入烘箱中于105℃烘干；将烘干的物料放入管式炉中高温活化，采用氮气气氛（流量为4.8 L/h），升温速率为5~10℃/min，活化时间为0.5~3 h，活化温度为500~700℃，最终得到活性炭粗产品；

（5）洗涤、干燥：采用盐酸溶液和去离子水依次对步骤（4）得到的活性炭粗产品进行洗涤，直至pH值为6.5~7.0，于烘箱中90℃干燥，得到氮掺杂活性炭。

本发明的创新之处和有益效果是：

（1）首次将餐厨垃圾生物处理过程残留的水解残渣转化为氮掺杂活性炭，提高了餐厨垃圾的资源化利用效率，达到了“变废为宝”的目的。

（2）活性炭掺杂的氮原子来源于餐厨垃圾水解残渣本身含有的丰富氮元素，不需要外加氮源物质，降低了氮掺杂活性炭制备的原料成本，为氮掺杂活性炭的制备提供了更多的原料。

（3）将废弃生物质转化为活性炭，用于二氧化碳捕集，具有较高的捕集能力，充分利用了资源，保护环境，可以为带来较高的社会、环境和经济效益。

附图说明

图1为本发明实施实例1所得新型氮掺杂活性炭的透射电镜图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面将结合实施实例和附图对本发明作进一步解释。但需要特别说明的是，实施实例仅用于对本发明进行进一步解释，本发明要求保护的范围并不局限于实施实例表示的范围。

实施实例1

将餐厨垃圾水解残渣于60℃下干燥48 h，粉碎，过60目筛，分装备用。将餐厨垃圾水解残渣粉末放入管式炉中，以5℃/min的升温速率从室温升到500℃，保持2 h，得到炭化料，全程采用氮气气氛（流量为4.8 L/h）。将炭化料用质量分数10%的氢氧化钾溶液浸渍15 h。将浸渍混合物放入烘箱中于105℃烘干后转移到管式炉中，以10℃/min的升温速率从室温升到500℃，保持2 h，得到活性炭粗产品，全程采用氮气气氛（流量为4.8 L/h）。然后将活性炭粗产品放入0.1 M的盐酸溶液中，搅拌24 h，过滤，用去离子水反复多次洗涤，直至滤液pH为6.5~7.0；将固体部分于90℃下烘干至恒重，即得到餐厨垃圾水解残渣基活性炭。

2 二氧化碳捕集能力的测定

将餐厨垃圾水解残渣基活性炭于110℃下脱气，然后采用Micromeritics ASAP 2460气体吸附仪测定活性炭在0℃和25℃下，压力为1 bar时的二氧化碳捕集能力。根据测定结果，活性炭中氮元素含量对二氧化碳捕集能力有较大影响。

实施实例2

1 餐厨垃圾水解残渣基活性炭的制备

将餐厨垃圾水解残渣于60℃下干燥48 h，粉碎，过60目筛，分装备用。将餐厨垃圾水解残渣粉末放入管式炉中，以5℃/min的升温速率从室温升到400℃，保持1 h，得到炭化料，全程采用氮气气氛（流量为4.8 L/h）。将炭化料用质量分数20%的氢氧化钾溶液浸渍15 h。将浸渍混合物放入烘箱中于105℃烘干后转移到管式炉中，以7 ℃/min的升温速率从室温升到600℃，保持1 h，得到活性炭粗产品，全程采用氮气气氛（流量为4.8 L/h）。然后将活性炭粗产品放入0.1 M的盐酸溶液中，搅拌24 h，过滤，用去离子水反复多次洗涤，直至滤液pH为6.5~7.0；将固体部分于90℃下烘干至恒重，即得到餐厨垃圾水解残渣基新型氮掺杂活性炭。

2 二氧化碳捕集能力的测定

二氧化碳捕集能力的测定同于实施实例1。

实施实例3

1 餐厨垃圾水解残渣基活性炭的制备

将餐厨垃圾水解残渣于60℃下干燥48 h，粉碎，过60目筛，分装备用。将餐厨垃圾水解残渣粉末放入管式炉中，以10℃/min的升温速率从室温升到600℃，保持0.5 h，全程采用氮气气氛（流量为4.8 L/h），最终得到炭化料。将炭化料用质量分数20%的氢氧化钾溶液浸渍15 h。将浸渍混合物放入烘箱中于105℃烘干后转移到管式炉中，以5 ℃/min的升温速率从室温升到700℃，保持3 h，得到活性炭粗产品，全程采用氮气气氛（流量为4.8 L/h）。然后将活性炭粗产品放入0.1 M的盐酸溶液中，搅拌24 h，过滤，用去离子水反复多次洗涤，直至滤液pH为6.5~7.0；将固体部分于90℃下烘干至恒重，即得到餐厨垃圾水解残渣基新型氮掺杂活性炭。

2 二氧化碳捕集能力的测定

二氧化碳捕集能力的测定同于实施实例1。

实施实例3

1 餐厨垃圾水解残渣基活性炭的制备

将餐厨垃圾水解残渣于60℃下干燥48 h，粉碎，过60目筛，分装备用。将餐厨垃圾水解残渣粉末放入管式炉中，以10℃/min的升温速率从室温升到600℃，保持3 h，全程采用氮气气氛（流量为4.8 L/h），最终得到炭化料。将炭化料用质量分数20%的氢氧化钾溶液浸渍15h。将浸渍混合物放入烘箱中于105℃烘干后转移到管式炉中，以10 ℃/min的升温速率从室温升到500℃，保持2 h，得到活性炭粗产品，全程采用氮气气氛（流量为4.8 L/h）。然后将活性炭粗产品放入0.1 M的盐酸溶液中，搅拌24 h，过滤，用去离子水反复多次洗涤，直至滤液pH为6.5~7.0；将固体部分于90℃下烘干至恒重，即得到餐厨垃圾水解残渣新型氮掺杂基活性炭。

2 二氧化碳捕集能力的测定

二氧化碳捕集能力的测定同于实施实例1。

本发明以餐厨垃圾水解残渣为原料，利用其本身含有的丰富氮元素，合成用于温室气体（二氧化碳）捕集的新型氮掺杂活性炭，具有良好的二氧化碳捕集能力。其中实施实例1所得的氮掺杂活性炭具有超过1000 m2/g的比表面积，微孔率超过90%，二氧化碳捕集能力达到了6 mmol/g （0）和4 mmol/g （25），故此新型氮掺杂活性炭可以作为良好的二氧化碳捕集剂，应用于温室气体处理中。

Claims

1.一种用于温室气体捕集的新型氮掺杂活性炭，具有较高的二氧化碳捕集能力，其特征在于，活性炭制备步骤为：

（4）炭化料活化：将步骤（3）得到浸渍混合物放入烘箱中于105℃烘干；将烘干的物料放入管式炉中高温活化，采用氮气气氛（流量为4.8 L/h），升温速率为5~10℃/min，活化时间为0.5~4 h，活化温度为500~700℃，最终得到活性炭粗产品；

2.如权利要求1所述的一种用于温室气体捕集的新型氮掺杂活性炭，其特征在于所述的新型氮掺杂活性炭是以餐厨垃圾生物处理过程产生的水解残渣为廉价原料，采用氢氧化钾活化法合成。

3.如权利要求1所述的一种用于温室气体捕集的新型氮掺杂活性炭，其特征在于所述的新型氮掺杂活性炭中的氮元素来源于原料（餐厨垃圾水解残渣）本身含有的丰富氮元素。

4.如权利要求1所述的一种用于温室气体捕集的新型氮掺杂活性炭，其特征在于本方法制备的餐厨垃圾水解残渣基新型活性炭被用于捕集温室气体。