CN110734062A - 木薯渣活性炭的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种木薯渣活性炭的制备方法。该制备方法包括以下步骤：将木薯渣热分解，得到生物碳；去除生物碳中的杂质；将除杂后的生物碳活化，得到木薯渣活性炭。本发明通过对木薯渣热解后所得生物碳先除杂再活化，降低了所得生物碳中杂质的含量，从而为木薯渣制备高性能活性炭产品提供了原料的保障，为木薯渣的高值化利用提供了有力的技术支持，提供了一种以绿色环保的方式处理木薯渣的新途径，并能进一步获得具有经济效益的活性炭产品。

Description

木薯渣活性炭的制备方法

技术领域

本发明涉及活性炭制备领域，具体而言，涉及一种木薯渣活性炭的制备方法。

背景技术

非粮燃料乙醇是以木薯、菊芋、甜高粱为原料制乙醇，是利用原料中的淀粉经糖化生产乙醇。作为新的燃料替代品，燃料乙醇可减少对不可再生能源—石油的消耗和依赖，减少环境污染，保障国家能源安全。以木薯燃料乙醇为例，每生产1t燃料乙醇约产生0.33t木薯渣，由此推算，对于1个生产能力为30万t/a的木薯燃料乙醇生产厂，每年产生的木薯渣高达约10万t。目前通常采用简单焚烧或作堆肥的方式处理木薯渣。由于木薯渣产量大、处理成本高、贮存困难、易滋生微生物且极易酸化发出腐臭味等原因，这种处理方法不但极大浪费资源，同时严重污染环境。

木薯渣的主要成分包括：水、淀粉(干基)、纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白、粗脂肪、粗灰分及无机盐等，木薯渣经快速热裂解可得到一氧化碳、轻烃、生物油、生物碳等产品，其中一氧化碳、轻烃是优质的燃料，生物油经过加氢处理可以作为高品质燃料，生物碳经过进一步除杂、活化等处理可以制备性能优良的活性炭。

由于活性炭是具有发达孔隙结构、有巨大的表面积和出色的吸附性能的含碳物质，被广泛的应用于国防、化工、石油、海洋、食品、医药、轻工、原子能工业、城市建设、环境保护以及人们生活中的多方面。随着人们对环境问题日益重视，活性炭的需求量呈现逐年增加的趋势。

现有技术中提供的一种利用木薯渣制成活性炭的方法是将木薯渣用KOH/K₂CO₃直接活化，然后再经酸洗、烘干的方法制备活性炭。该方法虽然简单，但是由于木薯渣中灰分含量较高，且木薯渣在高温活化过程中会产生大量的一氧化碳、轻烃、生物油等产物，由于这些产物大多呈酸性，易与KOH/K₂CO₃发生反应，严重影响生物碳的活化效果，同时这些产物没有得到合理的回收和利用，对环境构成潜在的威胁。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种木薯渣活性炭的制备方法，以解决现有技术中制乙醇得到的木薯渣对环境造成污染的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种木薯渣活性炭的制备方法，包括以下步骤：将木薯渣热分解，得到生物碳；去除生物碳中的杂质；将除杂后的生物碳活化，得到木薯渣活性炭。

进一步地，热分解步骤包括：将木薯渣与流化气体通入流化床反应器中，以将木薯渣热分解为一氧化碳、轻烃、生物油和生物碳；优选流化床反应器的进料速率为20～100g/h，流化床反应器的反应温度为400～800℃，流化床反应器的停留时间为1～3s，流化气体的流量为0.1～1m³/h，优选流化床反应器的操作压力为常压。

进一步地，流化床反应器中设置有旋风除尘装置，去除生物碳中杂质的步骤包括：采用旋风除尘装置对生物碳进行第一次除杂，优选旋风除尘装置的操作压力为常压。

进一步地，在第一次除杂的步骤之后，去除生物碳中杂质的步骤还包括以下过程：将进行第一次除杂之后的生物碳碱洗并过滤，以对生物碳进行第二次除杂，优选将生物碳加入浓度为1～4mol/L的氢氧化钠水溶液中加热沸煮120～240min以进行碱洗；将碱洗后的生物碳洗涤至中性，优选采用酸性溶液洗涤生物碳，更优选采用浓度为0.5～1mol/L的氯化氢溶液并搅拌12～18h以洗涤生物碳。

进一步地，在将生物碳洗涤至中性的过程之后，制备方法还包括将生物碳烘干的步骤，优选将生物碳在室温下烘干。

进一步地，在热分解的步骤之前，制备方法还包括将木薯渣烘干及筛分的步骤，优选烘干温度为100～105℃，烘干时间为12～15h，优选筛选40～60目烘干后的木薯渣。

进一步地，在得到生物碳的步骤之后，以及去除生物碳中杂质的步骤之前，制备方法还包括将生物碳顺序降温、水洗以及过滤的步骤，优选降温过程中将生物碳冷却至室温。

进一步地，在惰性气体保护下将生物碳活化，优选惰性气体为氮气。

进一步地，采用水蒸气作为活化剂将生物碳活化，优选活化温度为700℃～900℃，活化时间为60～120min。

进一步地，在将生物碳活化后，制备方法还包括以下步骤：将活化后的生物碳在惰性气体保护下降至室温。

应用本发明的技术方案，提供了一种木薯渣活性炭的制备方法，该方法将木薯渣热分解后得到生物碳，然后再将生物碳经过除杂、活化等过程制备得到高品质的活性炭产品，为现有技术提供了一种以绿色环保的方式处理木薯渣的新途径，并能进一步获得具有经济效益的活性炭产品。由于木薯渣中杂质含量较高(灰分含量高达24％)，固定碳含量较低，如果将木薯渣直接进行活化，所得活性炭中杂质含量较高，严重影响活性炭的品质，本发明通过对木薯渣热解后所得生物碳先除杂再活化，降低了所得生物碳中杂质的含量，从而为木薯渣制备高性能活性炭产品提供了原料的保障，为木薯渣的高值化利用提供了有力的技术支持。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明所提供的木薯渣活性炭的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

正如背景技术所描述的，现有技术中制乙醇得到的木薯渣采用简单焚烧或作堆肥的方式处理不但极大浪费资源，同时严重污染环境。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种木薯渣活性炭的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：将木薯渣热分解，得到生物碳；去除生物碳中的杂质；将除杂后的生物碳活化，得到木薯渣活性炭。

采用本发明所提供的木薯渣活性炭的制备方法，将木薯渣热分解后得到生物碳，然后再将生物碳经过除杂、活化等过程制备得到高品质的活性炭产品，为现有技术提供了一种以绿色环保的方式处理木薯渣的新途径，并能进一步获得具有经济效益的活性炭产品。

下面将更详细地描述根据本发明提供的木薯渣活性炭的制备方法的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员。

首先，将木薯渣热分解，得到生物碳。在一种优选的实施方式中，上述热分解步骤包括：将木薯渣与流化气体通入流化床反应器中，以将木薯渣热分解为一氧化碳、轻烃、生物油和生物碳。木薯渣经过上述方法处理，得到了多种具有经济价值的产品，减少了环境污染，提高了木薯渣的农产品附加值。其中一氧化碳、轻烃是优质的燃料，生物油经过加氢处理可以作为高品质燃料，生物碳经过进一步除杂、活化等处理可以制备性能优良的活性炭。

在上述优选的实施方式中，更为优选地，流化床反应器的进料速率为20～100g/h，流化床反应器的反应温度为400～800℃，流化床反应器的停留时间为1～3s，流化气体的流量为0.1～1m³/h，流化床反应器的操作压力为常压。在上述反应条件下，木薯渣能够在流化床反应器中充分地热分解，实现对木薯渣最大程度的利用，有利于实现木薯渣经济价值的最大化。

在一种优选的实施方式中，在上述将木薯渣热分解的步骤之前，制备方法还包括将木薯渣烘干及筛分的步骤，优选地，烘干温度为100～105℃，烘干时间为12～15h，筛选40～60目烘干后的木薯渣。通过烘干及筛分工序得到干燥且粒度合格的木薯渣作为热分解工序的原料，有利于木薯渣的充分的热分解，提升木薯渣的利用率，减少环境污染。

在得到生物碳的步骤之后，去除生物碳中的杂质。上述将木薯渣热分解的流化床反应器中可以设置有旋风除尘装置，此时，优选地，去除生物碳中杂质的步骤包括：采用旋风除尘装置对生物碳进行第一次除杂，旋风除尘装置的操作压力为常压。旋风除尘处理可有效地除去生物碳中的杂质，为木薯渣制备高性能活性炭产品提供了保障。

更为优选地，去除生物碳中杂质的步骤还包括以下过程：将生物碳碱洗并过滤，以对生物碳进行第二次除杂；将碱洗后的生物碳洗涤至中性，采用酸性溶液洗涤生物碳。进一步优选地，将生物碳加入浓度为1～4mol/L的氢氧化钠水溶液中加热沸煮120～240min以进行碱洗。生物碳在上述条件下进行碱洗能够除去旋风除尘不能去除的杂质，进一步地提高活性炭产品的纯度。并且，进一步优选地，采用浓度为0.5～1mol/L的氯化氢溶液并搅拌12～18h以洗涤生物碳。酸洗能够降低生物碳中的灰分，降低pH，提高活性炭产品的纯度，生产出优质的活性炭。

将上述生物碳洗涤至中性的过程之后，本发明的上述制备方法还可以包括将生物碳烘干的步骤。优选地，将生物碳在室温下烘干。通过烘干得到干燥的生物碳，为下一步生物碳活化做准备。

在上述得到生物碳的步骤之后，以及上述去除生物碳中杂质的步骤之前，本发明的上述制备方法还可以包括将生物碳顺序降温、水洗以及过滤的步骤。优选地，降温过程中将生物碳冷却至室温。通过降温、水洗以及过滤三道工序实现了生物碳与其他热分解产品更为有效地分离。

在去除上述生物碳中杂质的步骤之后，将除杂后的生物碳活化，得到木薯渣活性炭。通过先将生物碳除杂，再将除杂后的生物碳活化，避免了杂质对活化效果的影响，能够为木薯渣制备高性能活性炭产品提供了原料的保障；并且通过上述对生物碳的除杂方式及工艺条件进行优化，可除去生物碳中95～98％的杂质，使所得生物碳中杂质含量降至1.0％以下，大大提高了活性炭产品的品质。

在上述将生物碳活化的步骤中，优选地，在惰性气体保护下将生物碳活化，以避免在活化过程中空气或氧气对生物碳的影响。并且，优选地，采用水蒸气作为活化剂将上述生物碳活化，更为优选地，活化温度为700℃～900℃，活化时间为60～120min。将生物碳在上述无氧、高温条件下用水蒸气进行活化，不仅能够提高生物碳的活化效率，还能够避免活性炭被氧化。

在将生物碳活化的步骤之后，本发明的上述制备方法还包括以下步骤：将活化后的生物碳在惰性气体保护下降至室温。无氧的条件下防止活化后的生物碳被氧化，保障活性炭产品的品质。

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。

实施例1

本实施例提供的木薯渣活性炭的制备方法包括以下步骤：

称量2.5kg木薯渣放入烘箱中，在105℃下干燥12h后降至室温；筛选40目干燥后的木薯渣，将经过筛选的木薯渣加入流化床反应器中，木薯渣在进料速率为45g/h、氮气流量为0.5m³/h、温度为580℃的条件下发生快速热分解，系统压力为常压，得到一氧化碳、轻烃、生物油、生物碳等产品，生物碳经旋风除尘后灰分含量为0.95％，冷却至室温；用去离子水对上述生物碳进行沸煮60min，过滤，得到固体生物碳；将经过滤的生物碳加入浓度为2mol/L的NaOH水溶液中，加热沸煮120min，降至室温后过滤、洗涤至中性；将经过除杂的生物碳加入浓度为0.5mol/L的HCL水溶液中，搅拌12h，过滤，用去离子水洗涤至中性；将经过除杂、酸洗的生物碳放入烘箱中，在105℃下烘干15h，冷却至室温；将经过除杂、酸洗、水洗、干燥的生物碳在800℃、氮气保护下用水蒸气进行活化75min，降至室温。

实施例2

本实施例提供的木薯渣活性炭的制备方法与实施例1的区别在于：

在100℃下干燥15h后降至室温；筛选60目干燥后的木薯渣。

实施例3

本实施例提供的木薯渣活性炭的制备方法与实施例1的区别在于：

将经过筛选的木薯渣加入流化床反应器中，木薯渣在进料速率为20g/h、氮气流量为0.1m³/h、温度为800℃的条件下发生快速热分解。

实施例4

本实施例提供的木薯渣活性炭的制备方法与实施例1的区别在于：

将经过筛选的木薯渣加入流化床反应器中，木薯渣在进料速率为100g/h、氮气流量为1m³/h、温度为400℃的条件下发生快速热分解。

实施例5

本实施例提供的木薯渣活性炭的制备方法与实施例1的区别在于：

将经过滤的生物碳加入浓度为1mol/L的NaOH水溶液中，加热沸煮240min，降至室温后过滤、洗涤至中性。

实施例6

本实施例提供的木薯渣活性炭的制备方法与实施例1的区别在于：

将经过滤的生物碳加入浓度为4mol/L的NaOH水溶液中，加热沸煮120min，降至室温后过滤、洗涤至中性。

实施例7

本实施例提供的木薯渣活性炭的制备方法与实施例1的区别在于：

将经过除杂的生物碳加入浓度为1mol/L的HCL水溶液中，搅拌18h，过滤，用去离子水洗涤至中性。

实施例8

本实施例提供的木薯渣活性炭的制备方法与实施例1的区别在于：

将经过除杂、酸洗、水洗、干燥的生物碳在700℃、氮气保护下用水蒸气进行活化120min，降至室温。

实施例9

本实施例提供的木薯渣活性炭的制备方法与实施例1的区别在于：

将经过除杂、酸洗、水洗、干燥的生物碳在900℃、氮气保护下用水蒸气进行活化60min，降至室温。

实施例10

本实施例提供的木薯渣活性炭的制备方法包括以下步骤：

称量2.5kg木薯渣放入烘箱中，在95℃下干燥10h后降至室温；筛选35目干燥后的木薯渣，将经过筛选的木薯渣加入流化床反应器中，木薯渣在进料速率为15g/h、氮气流量为1.5m³/h、温度为380℃的条件下发生快速热分解，系统压力为常压，得到一氧化碳、轻烃、生物油、生物碳等产品，生物碳经旋风除尘后灰分含量为1.05％，冷却至室温；用去离子水对上述生物碳进行沸煮60min，过滤，得到固体生物碳；将经过滤的生物碳加入浓度为1mol/L的NaOH水溶液中，加热沸煮100min，降至室温后过滤、洗涤至中性；将经过除杂的生物碳加入浓度为0.5mol/L的HCL水溶液中，搅拌10h，过滤，用去离子水洗涤至中性；将经过除杂、酸洗的生物碳放入烘箱中，在95℃下烘干10h，冷却至室温；将经过除杂、酸洗、水洗、干燥的生物碳在680℃、氮气保护下用水蒸气进行活化55min，降至室温。

对比例1

称量2.5kg木薯渣放入烘箱中，在105℃下干燥12h后降至室温；筛选40目干燥后的木薯渣，将经过筛选的木薯渣加入2mol/L的KOH/K₂CO₃溶液中直接活化，将活化后的生物碳加入浓度为0.5mol/L的HCL水溶液中，搅拌12h，过滤，用去离子水洗涤至中性，将经过活化、酸洗的生物碳放入烘箱中，在105℃下烘干15h，冷却至室温。

上述实施例1-10和对比例1制备的活性炭的产品指标见表1。

表1

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1、本发明通过对木薯渣热解后所得生物碳先除杂再活化，降低了所得生物碳中杂质的含量，从而为木薯渣制备高性能活性炭产品提供了原料的保障，为木薯渣的高值化利用提供了有力的技术支持。

2、本发明为现有技术提供了一种以绿色环保的方式处理木薯渣的新途径，并能获得具有经济效益的活性炭产品。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种木薯渣活性炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将木薯渣热分解，得到生物碳；

去除所述生物碳中的杂质；

将除杂后的所述生物碳活化，得到所述木薯渣活性炭。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热分解步骤包括：将所述木薯渣与流化气体通入流化床反应器中，以将所述木薯渣热分解为一氧化碳、轻烃、生物油和所述生物碳；优选所述流化床反应器的进料速率为20～100g/h，所述流化床反应器的反应温度为400～800℃，所述流化床反应器的停留时间为1～3s，所述流化气体的流量为0.1～1m³/h，优选所述流化床反应器的操作压力为常压。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述流化床反应器中设置有旋风除尘装置，去除所述生物碳中杂质的步骤包括：采用所述旋风除尘装置对所述生物碳进行第一次除杂，优选所述旋风除尘装置的操作压力为常压。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述第一次除杂的步骤之后，去除所述生物碳中杂质的步骤还包括以下过程：

将进行所述第一次除杂之后的所述生物碳碱洗并过滤，以对所述生物碳进行第二次除杂，优选将所述生物碳加入浓度为1～4mol/L的氢氧化钠水溶液中加热沸煮120～240min以进行所述碱洗；

将碱洗后的所述生物碳洗涤至中性，优选采用酸性溶液洗涤所述生物碳，更优选采用浓度为0.5～1mol/L的氯化氢溶液并搅拌12～18h以洗涤所述生物碳。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在将所述生物碳洗涤至中性的过程之后，所述制备方法还包括将所述生物碳烘干的步骤，优选将所述生物碳在室温下烘干。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述热分解的步骤之前，所述制备方法还包括将所述木薯渣烘干及筛分的步骤，优选烘干温度为100～105℃，烘干时间为12～15h，优选筛选40～60目烘干后的所述木薯渣。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的制备方法，其特征在于，在得到所述生物碳的步骤之后，以及去除所述生物碳中杂质的步骤之前，所述制备方法还包括将所述生物碳顺序降温、水洗以及过滤的步骤，优选所述降温过程中将所述生物碳冷却至室温。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在惰性气体保护下将所述生物碳活化，优选所述惰性气体为氮气。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，采用水蒸气作为活化剂将所述生物碳活化，优选活化温度为700℃～900℃，活化时间为60～120min。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的制备方法，其特征在于，在将所述生物碳活化后，所述制备方法还包括以下步骤：

将活化后的所述生物碳在惰性气体保护下降至室温。

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