CN109626371A - 一种利用废弃人造板制备富n活性炭材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了利用废弃人造板制备富N活性炭材料的方法，采用低温烘焙—中温碳化—高温活化方法，结合预混和浸渍工序，一方面，使不稳定N官能团以NH3形式经气相释放—液相捕集—高温活化非均相反应的路径重新赋存回固相；另一方面，使较稳定N官能团经烘焙—稳定剂碳化—活化逐步转化为更稳定形态赋存于固相，实现了废弃人造板到活性炭过程燃料N的稳定和富集，该方法制备的富N活性炭材料，其含N量可保留原料的90％以上，N官能团为非常稳定的杂环N，比表面积可达1500～1800m2/g，对苯酚的吸附能力可达500～700mg/g，制成电极后其比电容可达250～280F/g，表现出良好的吸附和电化学性能。

Description

一种利用废弃人造板制备富N活性炭材料的方法
技术领域
本发明涉及生物质资源利用技术领域，更具体地，涉及一种利用废弃人造板制备富N活性炭材料的方法。
背景技术
我国是人造板生产和消费大国，据2014年统计数据，分别高达2.74和2.49亿m3，且年生产和消费量同步增长，增速约为17.5％，主要有胶合板、刨花板和中密度纤维板三种。随着城市化的进程，在人造板生产、家具制造、城市基建及房地产业等相关行业中，每年约有10％的人造板被淘汰，产生大量废弃人造板。因其来源和成因，废弃人造板基本组成为木质纤维和胶黏剂。其中，木质纤维为主要组分，使其具有良好的燃料品质(水分和灰分含量低，有机质含量高)，并属于优质的C前驱体；胶黏剂含量因工艺要求不同，一般在3％～15％范围，最高不超过20％，因绝大部分胶黏剂为含氨基树脂，故废弃人造板含有比一般常规生物质更高的燃料N，约3～7％。
易知，废弃人造板作为典型生物质资源，若用于燃料工业供热，因生物质燃烧温度比较低，过程产生的NOx基本源于燃料N的转化，随着污染物环保排放标准的日趋严格，高燃料N特征成为制约其供热工艺清洁性的关键因素。实际上，若从制备高附加值材料的资源化角度，可发现，废弃人造板所含燃料N并非为有害成分。然而，针对目前产量巨大且快速增长的废弃人造板资源，并未涉及基于燃料N价值利用的专门手段或方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于废弃人造板的富N活性炭材料制备方法，采用自供热且副产物高效清洁利用的烘焙—碳化—活化耦合体系，在相关热化学转化过程中促使燃料N在固相的稳定和富集，制备具有富N特征的活性炭材料，实现基于燃料N价值转化的废弃人造板高效资源化利用。
本发明所采取的技术方案是：
提供一种利用废弃人造板制备富N活性炭材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将废弃人造板粗物料粉碎、筛分，得筛选孔径及以下颗粒大小的预处理主物料与筛选孔径以上颗粒大小的预处理副物料，所述筛选孔径为800～1000μm；
S2.将步骤S1中所述预处理主物料进行烘焙改性，烘焙温度为260～300℃，烘焙时间为8～15min，得烘焙干物料和含氨烘焙气；
S3.将步骤S2中所述烘焙干物料与稳定剂按质量比10/1～20/1烘焙干，物料充分预混，得预混干物料；
S4.将步骤S3中所述预混干物料进行碳化，碳化温度为450～550℃，碳化时间为20～40min，得碳化半焦和含氨挥发分；
S5.将步骤S2中所述含氨烘焙气与步骤S4中所述含氨挥发分与稀氨溶液进行接触净化，得可分离的可燃副产物和浓氨溶液；
S6.将活化剂、步骤S4中所述碳化半焦混合后加入步骤S5中所述浓氨溶液充分浸渍，得混碱～氨湿焦，其中碳化半焦与活化剂的质量比为2.5/1～4/1，碳化半焦与活化剂的混合物与浓氨溶液的固液比为4/1～9/1；
S7.将步骤S6中所述混碱～氨湿焦进行活化，活化温度为700～900℃，活化时间为60～80min，得混碱富N活性炭，于混碱富N活性炭中加入漂洗剂，漂洗至中性后干燥，得富N活性炭材料。
进一步地，将步骤S1中所述预处理副物料、步骤S5中所述可分离的可燃副产物与固体燃料充分燃烧，产生高温烟气，作为能量供应。
进一步地，步骤S5中所述含氨烘焙气、含氨挥发分与稀氨溶液的气液接触方法采用逆流喷淋，步骤S5中所述可分离的可燃副产物为净化的可燃气和沉淀的焦油。
优选地，步骤S1中所述预处理主物料及预处理副物料的质量比大于等于8:2。
优选地，步骤S3中所述稳定剂为CaO或还原糖；
优选地，步骤S6中所述活化剂为KOH或K2CO3；
优选地，步骤S7中所述漂洗剂为稀盐酸。
提供利用废弃人造板制备富N活性炭材料的系统，所述系统包括原料预处理单元、低温烘焙单元、预混单元、中温碳化单元、气液净化单元、浸渍单元、高温活化单元、产品漂洗单元、产品干燥单元、辅料供应单元、副产物供热单元，其中，原料预处理单元为入料口，依次连接低温烘焙单元、预混单元、中温碳化单元、浸渍单元、高温活化单元、产品漂洗单元、产品干燥单元；所述产品干燥单元为出料口；所述原料预处理单元还连接副产物供热单元；所述低温烘焙单元、中温碳化单元分别连接气液净化单元；所述气液净化单元分别与副产物供热单元、浸渍单元连接；所述辅料供应单元分别连接副产物供热单元、预混单元、气液净化单元、浸渍单元、产品漂洗单元；所述副产物供热单元通过供热管道依次连通高温活化单元、中温碳化单元、低温烘焙单元和产品干燥单元；所述副产物供热单元还设有一条辅助供热管道连通中温碳化单元与低温烘焙单元之间的供热管道以及低温烘焙单元与产品干燥单元之间的供热管道，该系统能够实现上述方法。
更具体地，所述辅料供应单元为副产物供热单元提供固体燃料；为预混单元提供稳定剂，为气液净化单元提供活化剂，为产品漂洗单元提供漂洗剂。
更具体地，所述供热管道与辅助供热管道设有烟气流量控制阀，管道外壁设有保温材料；所述低温烘焙单元、中温碳化单元、高温活化单元和产品干燥单元设有监控温度的测温装置。
更具体地，所述副产物供热单元的烟气热力供给采用逆流非接触式，即烟气由副产物供热单元依次输送至高温活化单元、中温碳化单元、低温烘焙单元和产品干燥单元。
更具体地，所述预混单元与浸渍单元采用机械搅拌方式。
本发明的有益效果是：
(1)针对废弃人造板燃料N特点，采用低温烘焙—中温碳化—高温活化方法，结合预混和浸渍工序，形成耦合体系，一方面，使不稳定N官能团以NH3形式经气相释放—液相捕集—高温活化非均相反应的路径重新赋存回固相；另一方面，使较稳定N官能团经烘焙—稳定剂碳化—活化逐步转化为更稳定形态赋存于固相，实现了废弃人造板到活性炭过程燃料N的稳定和富集，该方法制备的富N活性炭材料，其含N量可保留原料的90％以上，N官能团为非常稳定的杂环N，比表面积可达1500～1800m2/g，对苯酚的吸附能力可达500～700mg/g，制成电极后其比电容可达250～280F/g，表现出良好的吸附和电化学性能。
(2)针对废弃人造板优质燃料特点，通过原料预处理单元分离出一部分尺寸规格较大的预处理副物料，配合辅助固体燃料经独立的副产物供热单元燃烧，为系统供热。此外，一方面，将气液净化单元分离的可燃副产物(可燃气和焦油)通入副产物供热单元参与燃烧；另一方面，产生的高温烟气区分为两路输送的主烟气和辅助烟气，一路依能量梯级对各单位进行供热，另一路进行能量补给，通过烟气流量控制和温度监控，合理提供各单元所需能量，实现了工艺系统的清洁高效自供热。
附图说明
图1废弃人造板的富N活性炭材料制备方法的工艺流程示意图。
图2制备废弃人造板的富N活性炭材料的系统示意图。
1.原料预处理单元、2.低温烘焙单元、3.预混单元、4.中温碳化单元、5.浸渍单元、6.高温活化单元、7.产品漂洗单元、8.产品干燥单元、9.副产物供热单元、10.气液净化单元、11.辅料供应单元。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明应用。下述实施例仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。除非特别说明，下述实施例中使用的试剂原料为常规市购或商业途径获得的生试剂原料。除非特别说明，下述实施例中使用的系统为本领域常规使用的设备。
实施例1
如图2所示，利用废弃人造板制备富N活性炭材料的系统，包括依固相处置和转化的原料预处理单元(1)、低温烘焙单元(2)、预混单元(3)、中温碳化单元(4)、浸渍单元(5)、高温活化单元(6)、产品漂洗单元(7)和产品干燥单元(8)，以及匹配的副产物供热单元(9)、气液净化单元(10)、辅料供应单元(11)，副产物供热单元(9)通过供热管道依次连通高温活化单元(6)、中温碳化单元(4)、低温烘焙单元(2)和产品干燥单元(8)；所述副产物供热单元(9)还设有一条辅助供热管道连通中温碳化单元(4)与低温烘焙单元(2)之间的供热管道以及低温烘焙单元(2)与产品干燥单元(8)之间的供热管道，主烟气和辅助烟气,流经的供热管道及辅助供热管道上设有烟气流量控制阀，管道外壁设有保温材料。各管道烟气流量控制阀根据各单元设定温度范围控制烟气流量，保温材料对烟气管道进行保温。
低温烘焙单元(2)、中温碳化单元(4)、高温活化单元(6)和产品干燥单元(8)均设有监控温度的测温装置，用于准确控制各单元的工作温度。
气液净化单元(10)的气液接触为逆流喷淋，得净化后的可燃气相和分层的液相，液相上层为浓氨溶液，下层为沉淀的焦油组分，预混单元(3)和浸渍单元(5)采用机械搅拌实现均匀。
按照以下步骤制备富N活性炭：
S1.将废弃人造板粗物料粉碎、筛分，得颗粒大小800～1000μm及以下的预处理主物料及800～1000μm以上颗粒大小的预处理副物料，两者质量比为9:1；
S2.将步骤S1中所述预处理主物料进行烘焙改性，烘焙温度为260～280℃，烘焙时间为8min，得烘焙干物料和含氨烘焙气，得烘焙干物料和含氨烘焙气，经检测，烘焙干物料中含N量保留预处理主物料的55～60％；
S3.将步骤S2中所述烘焙干物料与稳定剂还原糖按质量比20/1烘焙干物料充分预混，得预混干物料；
S4.将步骤S3中所述预混干物料进行碳化，碳化温度为450～550℃，碳化时间为20min，得碳化半焦和含氨挥发分，经检测，其中碳化半焦中含N量保留烘焙干物料的84～88％；
S5.将步骤S2中所述含氨烘焙气与步骤S4中所述含氨挥发分与稀氨溶液进行接触净化，得可分离的可燃副产物和浓氨溶液；
S6.将活化剂K2CO3、步骤S4中所述碳化半焦混合后加入步骤S5中所述浓氨溶液充分浸渍，得混碱～氨湿焦，其中碳化半焦与活化剂的质量比为2.5/1，碳化半焦与活化剂的混合物与浓氨溶液的固液比为9/1；
S7.将步骤S6中所述混碱～氨湿焦进行活化，活化温度为700～900℃，活化时间为70min，得混碱富N活性炭，于混碱富N活性炭中加入稀盐酸，漂洗至中性后干燥，制得富N活性炭材料，经检测，富N活性炭含N量为碳化半焦的1.6～1.8倍。
可燃副产物为净化的可燃气和沉淀的焦油，稳定剂为还原糖，活化剂为K2CO3，稀释剂为稀盐酸。
本实施例所得富N活性炭材料特性：燃料N保留率为86～95％，比表面积为1500～1650m2/g，对苯酚的吸附能力可达570～660mg/g，制成电极后其比电容可达265～276F/g，表现出良好的吸附和电化学性能。
实施例2
根据图1的工艺流程，按照以下步骤制备富N活性炭：
S1.将废弃人造板粗物料粉碎、筛分，得颗粒大小800～1000μm及以下的预处理主物料及800～1000μm以上颗粒大小的预处理副物料，两者质量比为8:2；
S2.将步骤S1中所述预处理主物料进行烘焙改性，烘焙温度为280～300℃，烘焙时间为15min，得烘焙干物料和含氨烘焙气，得烘焙干物料和含氨烘焙气，经检测，烘焙干物料中含N量保留预处理主物料的40～45％；
S3.将步骤S2中所述烘焙干物料与稳定剂CaO按质量比10/1烘焙干物料充分预混，得预混干物料；
S4.将步骤S3中所述预混干物料进行碳化，碳化温度为450～550℃，碳化时间为40min，得碳化半焦和含氨挥发分，经检测，其中碳化半焦中含N量保留烘焙干物料的83～87％；
S5.将步骤S2中所述含氨烘焙气与步骤S4中所述含氨挥发分与稀氨溶液进行接触净化，得可分离的可燃副产物和浓氨溶液；
S6.将活化剂KOH、步骤S4中所述碳化半焦混合后加入步骤S5中所述浓氨溶液充分浸渍，得混碱～氨湿焦，其中碳化半焦与活化剂的质量比为4/1，碳化半焦与活化剂的混合物与浓氨溶液的固液比为4/1；
S7.将步骤S6中所述混碱～氨湿焦进行活化，活化温度为700～900℃，活化时间为60min，得混碱富N活性炭，于混碱富N活性炭中加入稀盐酸，漂洗至中性后干燥，制得富N活性炭材料，经检测，富N活性炭含N量为碳化半焦的2.0～2.3倍。
本实施例所得富N活性炭材料特性：燃料N保留率为80～90％，比表面积为1600～1800m2/g，对苯酚的吸附能力可达550～630mg/g，制成电极后其比电容可达254～265F/g，表现出良好的吸附和电化学性能。
实施例3
根据图1的工艺流程，按照以下步骤制备富N活性炭：
S1.将废弃人造板粗物料粉碎、筛分，得颗粒大小800～1000μm及以下的预处理主物料及800～1000μm以上颗粒大小的预处理副物料，两者质量比为9:1；
S2.将步骤S1中所述预处理主物料进行烘焙改性，烘焙温度为280～300℃，烘焙时间为10min，得烘焙干物料和含氨烘焙气，得烘焙干物料和含氨烘焙气，经检测，烘焙干物料中含N量保留预处理主物料的43～48％；
S3.将步骤S2中所述烘焙干物料与稳定剂还原糖按质量比15/1烘焙干物料充分预混，得预混干物料；
S4.将步骤S3中所述预混干物料进行碳化，碳化温度为450～550℃，碳化时间为30min，得碳化半焦和含氨挥发分，经检测，其中碳化半焦中含N量保留烘焙干物料的82～86％；
S5.将步骤S2中所述含氨烘焙气与步骤S4中所述含氨挥发分与稀氨溶液进行接触净化，得可分离的可燃副产物和浓氨溶液；
S6.将活化剂K2CO3、步骤S4中所述碳化半焦混合后加入步骤S5中所述浓氨溶液充分浸渍，得混碱～氨湿焦，其中碳化半焦与活化剂的质量比为3/1，碳化半焦与活化剂的混合物与浓氨溶液的固液比为17/3；
S7.将步骤S6中所述混碱～氨湿焦进行活化，活化温度为700～900℃，活化时间为80min，得混碱富N活性炭，于混碱富N活性炭中加入稀盐酸，漂洗至中性后干燥，制得富N活性炭材料，经检测，富N活性炭含N量为碳化半焦的1.9～2.2倍。
本实施例所得富N活性炭材料特性：燃料N保留率为78～91％，比表面积为1550～1700m2/g，对苯酚的吸附能力可达500～600mg/g，制成电极后其比电容可达250～260F/g，表现出良好的吸附和电化学性能。
实施例4
根据图1的工艺流程，按照以下步骤制备富N活性炭：
S1.将废弃人造板粗物料粉碎、筛分，得颗粒大小800～1000μm及以下的预处理主物料及800～1000μm以上颗粒大小的预处理副物料，两者质量比为8:2；
S2.将步骤S1中所述预处理主物料进行烘焙改性，烘焙温度为260～280℃，烘焙时间为15min，得烘焙干物料和含氨烘焙气，得烘焙干物料和含氨烘焙气，经检测，烘焙干物料中含N量保留预处理主物料的50～55％；
S3.将步骤S2中所述烘焙干物料与稳定剂还原糖按质量比20/1烘焙干物料充分预混，的预混干物料；
S4.将步骤S3中所述预混干物料进行碳化，碳化温度为450～550℃，碳化时间为40min，得碳化半焦和含氨挥发分，经检测，其中碳化半焦中含N量保留烘焙干物料的85～90％；
S5.将步骤S2中所述含氨烘焙气与步骤S4中所述含氨挥发分与稀氨溶液进行接触净化，得可分离的可燃副产物和浓氨溶液；
S6.将活化剂KOH、步骤S4中所述碳化半焦混合后加入步骤S5中所述浓氨溶液充分浸渍，得混碱～氨湿焦，其中碳化半焦与活化剂的质量比为4/1，碳化半焦与活化剂的混合物与浓氨溶液的固液比为9/1；
S7.将步骤S6中所述混碱～氨湿焦进行活化，活化温度为700～900℃，活化时间为70min，得混碱富N活性炭，于混碱富N活性炭中加入稀盐酸，漂洗至中性后干燥，制得富N活性炭材料，经检测，富N活性炭含N量为碳化半焦的1.7～1.9倍。
本实施例所得富N活性炭材料特性：燃料N保留率为84～94％，比表面积为1660～1800m2/g，对苯酚的吸附能力可达600～700mg/g，制成电极后其比电容可达270～280F/g，表现出良好的吸附和电化学性能。
当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种利用废弃人造板制备富N活性炭材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将废弃人造板粗物料粉碎、筛分，得筛选孔径及以下颗粒大小的预处理主物料与筛选孔径以上颗粒大小的预处理副物料，所述筛选孔径为800～1000μm；
S2.将步骤S1中所述预处理主物料进行烘焙改性，烘焙温度为260～300℃，烘焙时间为8～15min，得烘焙干物料和含氨烘焙气；
S3.将步骤S2中所述烘焙干物料与稳定剂按质量比10/1～20/1烘焙干，物料充分预混，得预混干物料；
S4.将步骤S3中所述预混干物料进行碳化，碳化温度为450～550℃，碳化时间为20～40min，得碳化半焦和含氨挥发分；
S5.将步骤S2中所述含氨烘焙气与步骤S4中所述含氨挥发分与稀氨溶液进行接触净化，得可分离的可燃副产物和浓氨溶液；
S6.将活化剂、步骤S4中所述碳化半焦混合后加入步骤S5中所述浓氨溶液充分浸渍，得混碱～氨湿焦，其中碳化半焦与活化剂的质量比为2.5/1～4/1，碳化半焦与活化剂的混合物与浓氨溶液的固液比为4/1～9/1；
S7.将步骤S6中所述混碱～氨湿焦进行活化，活化温度为700～900℃，活化时间为60～80min，得混碱富N活性炭，于混碱富N活性炭中加入漂洗剂，漂洗至中性后干燥，得富N活性炭材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将步骤S1中所述预处理副物料、步骤S5中所述可分离的可燃副产物与固体燃料充分燃烧，产生高温烟气，作为能量供应。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中所述含氨烘焙气、含氨挥发分与稀氨溶液的气液接触方法采用逆流喷淋；步骤S5中所述可分离的可燃副产物为净化的可燃气和沉淀的焦油。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中所述预处理主物料及预处理副物料的质量比大于等于8:2。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中所述稳定剂为CaO或还原糖；步骤S6中所述活化剂为KOH或K2CO3；步骤S7中所述漂洗剂为稀盐酸。
6.利用废弃人造板制备富N活性炭材料的系统，其特征在于，所述系统包括原料预处理单元、低温烘焙单元、预混单元、中温碳化单元、气液净化单元、浸渍单元、高温活化单元、产品漂洗单元、产品干燥单元、辅料供应单元、副产物供热单元，其中，原料预处理单元为入料口，依次连接低温烘焙单元、预混单元、中温碳化单元、浸渍单元、高温活化单元、产品漂洗单元、产品干燥单元；所述产品干燥单元为出料口；所述原料预处理单元还连接副产物供热单元；所述低温烘焙单元、中温碳化单元分别连接气液净化单元；所述气液净化单元分别与副产物供热单元、浸渍单元连接；所述辅料供应单元分别连接副产物供热单元、预混单元、气液净化单元、浸渍单元、产品漂洗单元；所述副产物供热单元通过供热管道依次连通高温活化单元、中温碳化单元、低温烘焙单元和产品干燥单元；所述副产物供热单元还设有一条辅助供热管道连通中温碳化单元与低温烘焙单元之间的供热管道以及低温烘焙单元与产品干燥单元之间的供热管道，该系统能够实现权利要求1至5任一所述的方法。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述辅料供应单元为副产物供热单元提供固体燃料；为预混单元提供稳定剂，为气液净化单元提供活化剂，为产品漂洗单元提供漂洗剂。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述供热管道与辅助供热管道设有烟气流量控制阀，管道外壁设有保温材料，所述低温烘焙单元、中温碳化单元、高温活化单元和产品干燥单元设有监控温度的测温装置。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述副产物供热单元的烟气热力供给采用逆流非接触式，即烟气由副产物供热单元依次输送至高温活化单元、中温碳化单元、低温烘焙单元和产品干燥单元。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述预混单元与浸渍单元采用机械搅拌方式。
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