CN109879290A - 利用含硅生物质连续化制备一氧化硅的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供利用含硅生物质连续化制备一氧化硅的方法，涉及纳米材料制备领域，包括以下步骤：S1、将含硅生物质装入含有惰性气体与空气混合气氛的生物质热解装置内，加热碳化生成生物质炭；S2、由生物质热解装置将生物质炭输送到与其连通的生物质炭收集装置内；S3、通过生物质炭收集装置将生物质炭间歇送入与生物质炭收集装置连通的反应装置内，加热达到预设温度后保温，生物质炭反应得到反应物；S4、将反应物从反应装置内输送到产品收集装置内，其中反应装置、产品收集装置和真空泵依次管道连通，所述反应物在产品收集装置内冷凝生成所述一氧化硅。该方法能够利用生物质能源连续化制备一氧化硅，生产方法简单，适合大规模生产。

Description

利用含硅生物质连续化制备一氧化硅的方法

技术领域

本发明涉及纳米材料制备技术领域，尤其涉及一种利用含硅生物质连续化制备一氧化硅的方法。

背景技术

随着锂离子电池向大型应用领域发展，锂离子能量密度等指标需要进一步的提升，在负极材料方面，传统的石墨负极理论比容量为372mAh/g，已经难以满足高能量密度电池的需求。硅基材料因高达4200mAh/g的理论比容量而备受关注，但硅基材料在充放电过程中，体积膨胀高达300％，导致硅基负极材料的可逆容量低，循环性能差。为了解决上述问题，提出了将硅基材料纳米化。

目前国内生产一氧化硅所采用的方式为将硅粉与二氧化硅粉混合后加热升华，冷凝后得到一氧化硅。上述工艺需用到大量的单质硅与二氧化硅，这两种材料均为不可再生的，且在开采过程中对环境污染破坏很大。

我国是农业大国，每年产生大量生物质原料，例如稻壳的每年产生量可达4000～5000万吨，稻壳中含有木质素、纤维素、多糖等碳氢氧成分，同时稻壳中二氧化硅的质量分数可达到15％～18％。稻壳在无氧环境下碳化，所得到的稻壳碳主要成分为碳与二氧化硅，且二氧化硅均匀的分布在稻壳碳中。对稻壳碳在负压环境下加热反应，可以生成一氧化硅与一氧化碳，一氧化硅是一种性能优良的锂电池负极材料。因此，以生物质原料作为工业原料的研究得到越来越多的关注，然而现有技术中，还没有提到利用生物质原料来生产一氧化硅，本发明的出现填补了这一领域的空缺。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了利用含硅生物质连续化制备一氧化硅的方法，该方法能够利用生物质能源连续化制备一氧化硅，生产方法简单，适合大规模生产。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种利用含硅生物质连续化制备一氧化硅的方法，包括以下步骤：

S1、将含硅生物质装入含有惰性气体与空气混合气氛的生物质热解装置内，加热碳化生成生物质炭；其中，生物质炭中的C含量与SiO₂含量的摩尔比为1:1.05-1.1；

S2、由生物质热解装置将所述生物质炭输送到与其连通的生物质炭收集装置内；

S3、通过所述生物质炭收集装置将所述生物质炭间歇送入与生物质炭收集装置连通的反应装置内，加热达到预设温度后保温，生物质炭反应得到反应物；

S4、将所述反应物从所述反应装置内输送到产品收集装置内，其中反应装置、产品收集装置和真空泵依次管道连通，所述反应物在产品收集装置内冷凝生成所述一氧化硅。

优选地，所述生物质热解装置内设有用于传送所述含硅生物质的传送机构，生物质热解装置对应所述传送机构第一端顶部设有用于装料的进料口，生物质热解装置对应所述传送机构第二端底部设有出料口，所述生物质炭收集装置与出料口连通。

优选地，所述真空泵排出端设有尾气处理装置，尾气处理装置包括燃烧器和布袋除尘器。

优选地，所述生物质热解装置与反应装置之间设有用于燃烧废气的燃烧装置，生物质热解装置内产生的废气进入所述燃烧装置内燃烧，燃烧产生的热量用于对反应装置供热。

优选地，步骤S1中，向所述生物质热解装置内装料的速度为50-200kg/h，所述传送机构的传送速度为0.5-5m/h，所述加热碳化的温度为600-1200℃。

优选地，步骤S3中，当生物质炭收集装置将生物质炭送入反应装置内后，开启真空泵，对反应装置和产品收集装置抽真空，至真空度达到0.1～100Pa。

优选地，步骤S3中，所述预设温度为1100-1800℃。

优选地，步骤S4中，所述冷凝的温度≦900℃；当反应器内生成所述反应物时，向所述反应器内以1-10L/h的流量通入惰性气体，将所述反应物输送到所述产品收集装置内。

本发明实施例提供了一种利用含硅生物质连续化制备一氧化硅的方法，具备以下有益效果：以生物质为原料制备一氧化硅，来源丰富成本低廉。生物质连续加料进入生物质热解装置，生物质热解装置内为惰性气体与空气的混合气氛，通过控制通入空气的量与生物质在炉内的反应时间，得到碳与二氧化硅摩尔比约为1:0.8～1:1.5之间的生物质碳。随后被送入生物质炭收集装置内，通过生物质炭收集装置向反应装置内间歇加料，生物质碳在反应装置内反应生成一氧化硅蒸汽，一氧化硅蒸汽经惰性气体作为载气，在真空泵的抽送动力下进入产品收集装置，同时生物质炭收集装置内收集的生物质炭再次加入反应装置内进行反应，一氧化硅蒸汽在产品收集装置内冷凝生成纳米一氧化硅颗粒，该方法实现了生物质制备一氧化硅的连续化生产，产量高且方法简单，适用于大规模推广，制备得到的纳米一氧化硅纯度高，粒度均匀，一致性高，有利于作为锂电池的负极材料。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的生产装置结构示意图；

图2为本发明实施例2制备得到的纳米一氧化硅扫描电镜图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

一种利用含硅生物质连续化制备一氧化硅的方法，包括以下步骤：

S1、将生物质装入含有惰性气体与空气混合气氛的生物质热解装置1内，加热碳化生成生物质炭；其中，生物质炭中的C含量与SiO₂含量的摩尔比为1:1.1，向生物质热解装置1内装料的速度为200kg/h，所述加热碳化的温度为1000℃；

S2、由生物质热解装置1将所述生物质炭通过传送机构11输送到与其连通的生物质炭收集装置2内；传送机构11的传送速度为5m/h；

S3、通过所述生物质炭收集装置2将所述生物质炭间歇送入与生物质炭收集装置2连通的反应装置3内，加热达到1600℃后保温，生物质炭反应得到反应物；当生物质炭收集装置2将生物质炭送入反应装置3内后，开启真空泵5，对反应装置3和产品收集装置4抽真空，至真空度达到0.1Pa；

S4、通过真空泵5将反应装置3内的反应物抽送到产品收集装置4内，其中反应装置3、产品收集装置4和真空泵5依次管道连通，所述反应物在产品收集装置4内冷凝生成所述一氧化硅，所述冷凝的温度为600℃，当反应装置3内发生反应生成一氧化硅时，往反应装置3内通入氩气，气体流量为8L/h。

以生物质为原料制备一氧化硅，来源丰富成本低廉。生物质连续加料进入生物质热解装置，装置内为惰性气体与空气的混合气氛，控制物料传输速度与空气的通入量，从而得到碳与二氧化硅摩尔比约为1:1的生物质碳，随后被送入生物质炭收集装置内，通过生物质炭收集装置向反应装置内间歇加料，生物质碳在反应装置内反应生成一氧化硅蒸汽，一氧化硅蒸汽在真空泵的抽送动力下进入产品收集装置，同时生物质炭收集装置内收集的生物质炭再次加入反应装置内进行反应，一氧化硅蒸汽在产品收集装置内冷凝生成纳米一氧化硅颗粒，该方法实现了生物质制备一氧化硅的连续化生产，产量高且方法简单，适用于大规模推广，制备得到的纳米一氧化硅纯度高，粒度均匀，一致性高，有利于作为锂电池的负极材料。

进一步，如图1所示，所述生物质热解装置1内设有用于传送所述生物质的传送机构11，生物质热解装置1对应所述传送机构11第一端顶部设有用于装料的进料口，生物质热解装置1对应所述传送机构11第二端底部设有出料口，所述生物质炭收集装置2与出料口连通。生物质从进料口进入，在传送机构的传送中不断受热碳化生成生物质炭，传送至出料口后完全碳化并从出料口送出进入生物质炭收集装置内，该过程实现了是物质的连续碳化过程。

进一步，所述真空泵5排出端设有尾气处理装置6，尾气处理装置6包括燃烧器和布袋除尘器。反应装置内生成一氧化硅蒸汽的同时还会生成一氧化碳副产物，将一氧化碳通过燃烧器的燃烧后再排放，排放物经过布袋除尘器进行除尘处理，有效避免了空气污染。

进一步，所述生物质热解装置1与反应装置3之间设有用于燃烧废气的燃烧装置7，生物质热解装置1内产生的废气进入所述燃烧装置7内燃烧，燃烧产生的热量用于对反应装置3供热。生物质在碳化过程中，其中的纤维素、木质素以及多糖等碳氢氧成分会脱去一些含碳氢的小分子，这些小分子都是易燃烧的成分，这些小分子通过管道进入燃烧装置内燃烧，燃烧产生的热量用于产品收集装置供热的供热，实现绿色生产，安全节能。

经统计，该实施例工艺实现连续化每小时热解碳化生物质200kg，同时制备纳米一氧化硅4.5kg。

实施例2：

一种利用含硅生物质连续化制备一氧化硅的方法，包括以下步骤：

S1、将干燥的稻壳装入料斗，以100kg/h的速度下料进生物质热解装置1内，生物质热解装置1内通入惰性气体与空气的混合气体，并通电加热，加热温度为850℃，到达温度后开始生成稻壳炭，保温，当热解炉内温度到达350℃时，打开生物质热解装置1与燃烧装置7的连通，通过燃烧装置7点燃生物质热解装置1内产生的废气；

S2、当生物质热解装置1内的温度到达850℃后，启动生物质热解装置1内的传送机构11，传送机构11以0.8m/h的速度输送物料，稻壳在输送的过程中被碳化，最后将稻壳炭送入生物质炭收集装置2内；

S3、往反应装置3的装料坩埚中输送稻壳碳，随后关闭反应装置3与生物质炭收集装置2之间的阀门，此时开启真空泵对产品收集装置4与反应装置3排气抽真空，真空度要求10Pa，完成后开始对反应装置3内部进行加热，加热温度为1600℃，到达温度后开始保温；

S4、当反应装置3内发生反应生成一氧化硅蒸汽时，以2L/h的流量往反应装置3内通入氩气，同时控制产品收集装置4内的温度为500℃，反应装置3内生成的一氧化硅蒸汽在产品收集装置4内冷凝，从而得到纳米一氧化硅。

经统计，该实施例工艺实现连续化每小时热解碳化稻壳100kg，同时制备纳米一氧化硅2.5kg，如附图2所示，所得到的纳米一氧化硅粒径为10～500nm，且无杂质带入。

实施例3：

一种利用含硅生物质连续化制备一氧化硅的方法，包括以下步骤：

S1、将干燥的稻壳装入料斗，以150kg/h的速度下料进生物质热解装置1内，生物质热解装置1内通入惰性气体与空气的混合气体，并通电加热，加热温度为800℃，到达温度后开始生成稻壳炭，保温，当热解炉内温度到达400℃时，打开生物质热解装置1与燃烧装置7的连通，通过燃烧装置7点燃生物质热解装置1内产生的废气；

S2、当生物质热解装置1内的温度到达800℃后，启动生物质热解装置1内的传送机构11，传送机构11以0.5m/h的速度输送物料，稻壳在输送的过程中被碳化，最后将稻壳炭送入生物质炭收集装置2内；

S3、往反应装置3的装料坩埚中输送稻壳碳，随后关闭反应装置3与生物质炭收集装置2之间的阀门，此时开启真空泵对产品收集装置4与反应装置3排气抽真空，真空度要求100Pa，完成后开始对反应装置3内部进行加热，加热温度为1300℃，到达温度后开始保温；

S4、当反应装置3内发生反应生成一氧化硅蒸汽时，以1L/h的流量往反应装置3内通入氩气，同时控制产品收集装置4内的温度为400℃，反应装置3内生成的一氧化硅蒸汽在产品收集装置4内冷凝，从而得到纳米一氧化硅。

经统计，该实施例工艺实现连续化每小时热解碳化稻壳150kg，同时制备纳米一氧化硅2.8kg，所得到的纳米一氧化硅粒径为10～500nm，且无杂质带入。

综上所述，本发明实现了生物质制备一氧化硅的连续化生产，产量高，适用于大规模推广；制备得到的一氧化硅为纳米级颗粒，且粒度均匀，一致性高，适用于锂电池的负极材料；以生物质为原料，方法简单，成本低廉，安全环保。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种利用含硅生物质连续化制备一氧化硅的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将含硅生物质装入含有惰性气体与空气混合气氛的生物质热解装置内，加热碳化生成生物质炭；

S2、由生物质热解装置将所述生物质炭输送到与其连通的生物质炭收集装置内；

S3、通过所述生物质炭收集装置将所述生物质炭间歇送入与生物质炭收集装置连通的反应装置内，加热达到预设温度后保温，生物质炭反应得到反应物；

S4、将所述反应物从所述反应装置内输送到产品收集装置内，其中反应装置、产品收集装置和真空泵依次管道连通，所述反应物在产品收集装置内冷凝生成所述一氧化硅。

2.根据权利要求1所述的利用含硅生物质连续化制备一氧化硅的方法，其特征在于，所述生物质热解装置内设有用于传送所述含硅生物质的传送机构，生物质热解装置对应所述传送机构第一端顶部设有用于装料的进料口，生物质热解装置对应所述传送机构第二端底部设有出料口，所述生物质炭收集装置与出料口连通。

3.根据权利要求1所述的利用含硅生物质连续化制备一氧化硅的方法，其特征在于，所述真空泵排出端设有尾气处理装置，尾气处理装置包括燃烧器和布袋除尘器。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的利用含硅生物质连续化制备一氧化硅的方法，其特征在于，所述生物质热解装置与反应装置之间设有用于燃烧废气的燃烧装置，生物质热解装置内产生的废气进入所述燃烧装置内燃烧，燃烧产生的热量用于对反应装置供热。

5.根据权利要求4所述的利用含硅生物质连续化制备一氧化硅的方法，其特征在于，步骤S1中，向所述生物质热解装置内装料的速度为50-200kg/h，所述传送机构的传送速度为0.5-5m/h，所述加热碳化的温度为600-1200℃。

6.根据权利要求4所述的利用含硅生物质连续化制备一氧化硅的方法，其特征在于，步骤S3中，当生物质炭收集装置将生物质炭送入反应装置内后，开启真空泵，对反应装置和产品收集装置抽真空，至真空度达到0.1～100Pa。

7.根据权利要求4所述的利用含硅生物质连续化制备一氧化硅的方法，其特征在于，步骤S3中，所述预设温度为1100-1800℃。

8.根据权利要求4所述的利用含硅生物质连续化制备一氧化硅的方法，其特征在于，步骤S4中，所述冷凝的温度≦900℃；当反应器内生成所述反应物时，向所述反应器内以1-10L/h的流量通入惰性气体，将所述反应物输送到所述产品收集装置内。