CN110734063A - 一种稻壳基掺氮活性炭的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种稻壳基掺氮活性炭的制备方法,具体步骤为:1)稻壳用清水清洗后,搅拌状态下分别在碱性溶液和酸性溶液中浸泡5~20min,重复2~4次,用清水清洗至中性后,干燥、粉碎、筛分后,在氮气氛围下进行活化前的炭化处理,其中炭化温度为300~400℃,时间为30~120min;然后炭化后的稻壳与含氮原料、KOH混合均匀后,氮气氛围下升温至400~900℃,保温时间为30~120min;样品冷却至室温后,依次用碱性溶液和酸性溶液洗涤,水洗至中性,过滤,干燥即得稻壳基掺氮活性炭。所得活性炭比表面积和微孔孔体积大,CO2吸附作用良好,工艺简单,原料低廉,成本低。
Description
技术领域
本发明属于个体防护领域,具体涉及一种稻壳基掺氮活性炭的制备方法。
背景技术
随着社会的快速发展和科技的进步,人类对材料的探索和使用越来越多,而由于各种新型材料的出现及使用,事故也是日益频发,产生的有毒气体也日渐增多,对毒气的吸附产品的要求也是越来越高。
活性炭具有丰富的内部孔隙结构和较高的比表面积,是一种优良的吸附材料。它由炭形成的六环物堆积而成,主要化学成分是碳元素,含有少量的氢、氮、氧及灰分。其物理、化学性质稳定,耐酸碱,能经受水湿、高温及高压,不溶于水和有机溶剂,使用失效后可以并容易再生,是一种循环经济型材料。
活性炭的生产原料以木材和煤为主,生产成本高是制约活性炭发展的因素之一。近些年,国内外相继在探索利用生产成本低廉、来源广泛的生物质制备活性炭,其中稻壳及其衍生物制备活性炭成为热门,但稻壳及其衍生物制备活性炭也存在着处理步骤复杂、活性剂价格昂贵或比表面积小吸附性不佳等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稻壳基掺氮活性炭的制备方法,该方法操作简单,成本低,所得活性炭比表面积和微孔体积大,吸附性能良好。
为了解决上述技术问题,本发明提供以下技术方案:
提供一种稻壳基掺氮活性炭的制备方法,包括如下步骤:
1)稻壳用清水清洗后,搅拌状态下浸泡在碱性溶液中5~20min,重复2~4次;
2)将步骤1)中得到的碱处理后的稻壳用清水清洗至中性后,搅拌状态下浸泡在酸性溶液中5~20min,重复2~4次;
3)将步骤2)中得到的酸处理后的稻壳用清水清洗至中性后,干燥、粉碎、筛分后,在氮气氛围下进行活化前的炭化处理,其中炭化温度为300~400℃,时间为30~120min;
4)将步骤3)炭化后的稻壳与含氮原料、KOH按一定质量比混合均匀后,在氮气氛围下升温至400~900℃,保温时间为30~120min;
5)将步骤4)得到的样品冷却至室温后,碱性溶液洗涤一次,水洗至中性,再用酸性溶液洗涤一次,水洗至中性,过滤,干燥即得稻壳基掺氮活性炭。
按上述方案,步骤1)中碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或氨水,浓度为0.01~2mol/L。
按上述方案,步骤2)中酸性溶液为盐酸溶液、硫酸溶液、磷酸溶液或硝酸溶液,浓度为0.01~2mol/L。
按上述方案,步骤3)中筛分出的稻壳为100~200目。
按上述方案,步骤3)中干燥温度为40~70℃,干燥时间为12h~36h。
按上述方案,步骤3)中升温速率为5~10℃/min。
按上述方案,步骤4)中炭化后的稻壳与KOH的质量比为1:1~8。
按上述方案,步骤4)中含氮原料可为三聚氰胺、壳聚糖、尿素。
按上述方案,步骤4)中炭化后的稻壳与含氮原料的质量比为1:1~4。
按上述方案,步骤4)中升温速率为5~10℃/min。
按上述方案,步骤5)中干燥温度为80~120℃,干燥时间为24~36h。
按上述方案,步骤5)中碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或氨水,浓度为0.01~2mol/L;酸性溶液为盐酸溶液、硫酸溶液、磷酸溶液或硝酸溶液,浓度为0.01~2mol/L。
本发明的有益效果为:
1.本发明通过碱性溶液与酸性溶液对稻壳进行预处理,除去了稻壳中的灰分及金属杂质,进行炭化后又掺氮活化,增加了活性炭的含氮量与含氮基团,酸碱后处理后得到的活性炭比表面积和微孔孔体积大,CO2吸附作用良好。
2.工艺简单,操作方便,原料低廉,成本低。
具体实施方式
下面具体实施例来对本发明作进一步地描述。
实施例1
1)选取一定量的废弃农作物稻壳,先使用0.1mol/L的NaOH溶液浸泡十分钟、搅拌清洗,重复三次。
2)接着用去离子水清洗至溶液呈中性,随后用0.1mol/L的HCl溶液浸泡十分钟、搅拌清洗,重复三次。
3)再次用去离子水清洗至溶液呈中性,在鼓风干燥箱里50℃干燥24h后粉碎,经200目筛分后取一定量倒入刚玉坩埚中,置于管式炉中,在氮气氛围下以10℃/min的升温速率升至400℃,维持90min。
4)待程序结束后,在管式炉中降至室温取出,将得到的样品与三聚氰胺、KOH按质量比为1:2:2混合均匀,倒入刚玉坩埚中,在氮气氛围下置于管式炉中,以10℃/min的升温速率升至800℃,维持90min。
5)在程序结束后,在管式炉中冷却至室温取出,将得到的样品进行60℃的水浴加热,维持15min,过滤,然后分别用0.1mol/L的氢氧化钠溶液、盐酸溶液及去离子水进行洗涤,直至中性;在80℃干燥箱内干燥24h,得到粉末状稻壳活性炭。
本实施例中制得的活性炭,比表面积为1325.67m2/g,孔体积为0.46cm3/g,微孔孔体积为0.38cm3/g,含氮量为4.33%,CO2吸附量为157.82mg/g。
对比例1
1)选取一定量的废弃农作物稻壳,用去离子水反复清洗多次。
2)在鼓风干燥箱里50℃干燥24h后粉碎,经200目筛分后取一定量倒入刚玉坩埚中,置于管式炉中,在氮气氛围下以10℃/min的升温速率升至400℃,维持90min。
3)待程序结束后,在管式炉中降至室温取出,将得到的样品与三聚氰胺、KOH按质量比为1:2:2混合均匀,倒入刚玉坩埚中,置于管式炉中,在氮气氛围下以10℃/min的升温速率升至800℃,维持90min。
4)在程序结束后,在管式炉中冷却至室温取出,将得到的样品进行60℃的水浴加热,维持15min,过滤,然后分别用0.1mol/L的氢氧化钠溶液、盐酸溶液及去离子水进行洗涤,直至中性;在80℃干燥箱内干燥24h,得到粉末状稻壳活性炭。
本实施例中制得的活性炭,其比表面积为583.25m m2/g,孔体积为0.23cm3/g,微孔孔体积为0.15cm3/g,含氮量为2.53%,CO2吸附量为77.36mg/g。
对比例2
1)选取一定量的废弃农作物稻壳,先使用0.1mol/L的NaOH溶液浸泡十分钟、搅拌清洗,重复三次。
2)接着用去离子水清洗至溶液呈中性,随后用0.1mol/L的HCl溶液浸泡十分钟、搅拌清洗,重复三次。
3)再次用去离子水清洗至溶液呈中性,在鼓风干燥箱里50℃干燥24h后粉碎,经200目筛分后取一定量与三聚氰胺、KOH按质量比为1:2:2混合均匀,倒入刚玉坩埚中,置于管式炉中,在氮气氛围下以10℃/min的升温速率升至800℃,维持90min。
4)在程序结束后,在管式炉中冷却至室温取出,将得到的样品进行60℃的水浴加热,维持15min,过滤,然后分别用0.1mol/L的氢氧化钠溶液、盐酸溶液及去离子水进行洗涤,直至中性;在80℃干燥箱内干燥24h,得到粉末状稻壳活性炭。
本实施例中制得的活性炭,其比表面积为678.35m2/g,孔体积为0.21cm3/g,微孔孔体积为0.09cm3/g,含氮量为3.25%,CO2吸附量为83.37mg/g。
实施例2
1)取一定量的废弃农作物稻壳,先使用0.01mol/L的NaOH溶液浸泡十分钟、搅拌清洗,重复四次。
2)接着用去离子水清洗至溶液呈中性,随后用0.01mol/L的HCl溶液浸泡十分钟、搅拌清洗,重复四次。
3)再次用去离子水清洗至溶液呈中性,在鼓风干燥箱里60℃干燥12h后粉碎,经150目筛分后取一定量倒入刚玉坩埚中,置于管式炉中,在氮气氛围下以5℃/min的升温速率升至300℃,维持30min。
4)待程序结束后,在管式炉中降至室温取出。得到的样品与壳聚糖、KOH按质量比为1:3:3混合均匀,倒入刚玉坩埚中,置于管式炉中,在氮气氛围下以5℃/min的升温速率升至600℃,维持30min。
5)在程序结束后,在管式炉中冷却至室温取出,分别用1mol/L的氢氧化钠溶液、盐酸溶液及去离子水进行洗涤,直至中性,其中利用盐酸溶液洗涤时重复洗涤;在100℃干燥箱内干燥24h,得到粉末状稻壳活性炭。
本实施例中制得的活性炭,其比表面积为1125m2/g,孔体积为0.37cm3/g,微孔孔体积为0.25cm3/g,含氮量为2.71%,CO2吸附量为113.52mg/g。
实施例3
1)取一定量的废弃农作物稻壳,先使用1mol/L的NaOH溶液浸泡十分钟、搅拌清洗,重复三次。
2)接着用去离子水清洗至溶液呈中性,随后用1mol/L的HCl溶液浸泡十分钟、搅拌清洗,重复三次。
3)再次用去离子水清洗至溶液呈中性,在鼓风干燥箱里70℃干燥36h后粉碎,经100目筛分后取一定量倒入刚玉坩埚中,置于管式炉中,在氮气氛围下以5℃/min的升温速率升至350℃,维持60min。
4)待程序结束后,在管式炉中降至室温取出,得到的样品与尿素、KOH按质量比为1:4:4混合均匀,倒入刚玉坩埚中,置于管式炉中,在氮气氛围下以10℃/min的升温速率升至700℃,维持60min。
5)在程序结束后,在管式炉中冷却至室温取出,分别用0.01mol/L的氢氧化钠溶液、盐酸溶液及去离子水进行洗涤,直至中性。在120℃干燥箱内干燥24h,得到粉末状稻壳活性炭。
本实施例中制得的活性炭,其比表面积为1223m2/g,孔体积为0.35cm3/g,微孔孔体积为0.24cm3/g,含氮量为3.37%,CO2吸附量为133.42mg/g。
应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (9)
1.一种稻壳基掺氮活性炭的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)稻壳用清水清洗后,搅拌状态下浸泡在碱性溶液中5~20min,重复2~4次;
2)将步骤1)中得到的碱处理后的稻壳用清水清洗至中性后,搅拌状态下浸泡在酸性溶液中5~20min,重复2~4次;
3)将步骤2)中得到的酸处理后的稻壳用清水清洗至中性后,干燥、粉碎、筛分后,在氮气氛围下进行活化前的炭化处理,其中炭化温度为300~400℃,时间为30~120min;
4)将步骤3)炭化后的稻壳与含氮原料、KOH按一定质量比混合均匀后,在氮气氛围下升温至400~900℃,保温时间为30~120min;
5)将步骤4)得到的样品冷却至室温后,碱性溶液洗涤一次,水洗至中性,再用酸性溶液洗涤一次,水洗至中性,过滤,干燥即得稻壳基掺氮活性炭。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤1)中碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或氨水,浓度为0.01~2mol/L;步骤2)中酸性溶液为盐酸溶液、硫酸溶液、磷酸溶液或硝酸溶液,浓度为0.01~2mol/L。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤4)中,炭化后的稻壳与KOH的质量比为1:1~8;炭化后的稻壳与含氮原料的质量比为1:1~4。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤4)中含氮原料可为三聚氰胺、壳聚糖、尿素。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤5)中碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或氨水,浓度为0.01~2mol/L;酸性溶液为盐酸溶液、硫酸溶液、磷酸溶液或硝酸溶液,浓度为0.01~2mol/L。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤3)中,筛分出的稻壳为100~200目;干燥温度为40~70℃,干燥时间为12h~36h。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤3)中升温速率为5~10℃/min。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤4)中升温速率为5~10℃/min。
9.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述步骤5)中干燥温度为80~120℃,干燥时间为24~36h。
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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