CN111115631A - 一种高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料及其制备方法。以废弃咖啡渣为原料，与溶剂、助挤剂、粘结剂和结构增强剂混合，通过混捏、挤条成型制备出条状咖啡渣成型体，再经过干燥、炭化及活化制备出高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭，其机械强度高达360N/cm，多孔炭材料的比表面积为500‑1300m2g‑1，本发明通过对成型工艺及活化条件进行调节可以制备出具有不同比表面积和孔隙结构的微孔‑介孔‑大孔多级孔成型炭，在吸附分离、催化剂载体、电极材料等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料及其制备方法
技术领域
本发明属于多孔炭材料技术领域，具体涉及一种高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料及其制备方法。
背景技术
多孔炭材料具有比表面积大、孔隙结构发达，且其孔径和表面化学性质可以调变，耐酸碱腐蚀、热稳定性和化学稳定性好、不溶于水和有机溶剂、易再生等优点，被广泛应用于气相吸附、液相吸附、催化剂、医药等领域，在工业生产和人民生活中发挥着重要作用。目前，多孔炭材料商业化生产的主要挑战之一是寻求价格低廉的炭前驱体，而核桃壳、稻壳、咖啡渣、椰壳等生物质废弃物凭借来源丰富、价格低廉及可再生等优点成为生产多孔炭材料的合适前驱体。咖啡作为世界三大饮品(咖啡、可可、茶)之一，是世界上仅次于石油及其衍生品的第二大最有价值的商品。截至2017年，全世界的咖啡消费量达到了910万吨[International Coffee Organization,2018,Coffee Market Report]，同时在世界范围内每年产生约600万吨咖啡渣废弃物。咖啡渣含有半纤维素、纤维素及木质素等有机组分，被视为新生代极具潜力的可持续发展生物质资源，因此对咖啡渣的资源化利用成研究为热点。
目前，以咖啡渣为原料制备炭材料受到越来越多的关注。中国专利CN 109970058A公开了一种咖啡渣基质活性炭的制备方法，该方法以80～100目的咖啡渣为原料，以磷酸为活化剂，利用高温热解自活化法制备而成，其比表面积大，吸附能力强，可以用于处理吸附含Cr(Ⅵ)废水，防治重金属污染；中国专利CN 105217629 A公开了一种用咖啡渣制备活性炭的方法，该方法首先借助真空热解法脱去咖啡中的油脂并得到咖啡渣炭前驱体，再用磷酸来活化咖啡渣炭前躯体制备咖啡渣活性炭；中国专利CN 105984871 A公开了一种咖啡渣制取改性活性炭的方法，该方法先用氢氧化钠溶液浸泡咖啡渣原料，然后经过高温炭化、喷洒氯化钾溶液高温活化及水蒸气活化后，再喷入硫酸铁溶液活化处理，然后加入硅烷偶联剂研磨粉碎，再加入高铁酸钾、硅藻土、MnO2充分研磨混合，在焙烧，冷却，得到最终产品，制备过程较为繁琐。这些方法得到的产品都是粉末状。
中国专利CN 110124614 A公开了一种用于处理工业纺织废水的咖啡渣吸附剂的制备方法，该方法以咖啡渣、咖啡果皮及硅藻土为原料，经过洗滤干燥(一次炭化)、热解炭化(低温炭化)、洗涤沉淀、活化洗酸(三次炭化)得到咖啡渣炭半成品，最后加入生物胶泡沫进行塑形制成块状或颗粒状的吸附剂，制备过程较为繁琐，样品机械强度较低。
在上述方法中虽然将废弃咖啡渣回收利用为多孔炭材料，但在实际应用中往往存在粉尘污染、样品堆积密度低、机械强度低及气相反应床层压降大、制备工艺繁琐等缺陷。相比较下，整体式成型多孔炭具有一定的形状和尺寸，易于调变和加工；具有较高的体积密度和机械强度，无粉尘污染；单位体积的比表面积大，能量密度高及气体扩散传质阻力小、压降小等优点。因此，如何高效的制备出具有高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于针对现有多孔炭制备存在机械强度低、使用过程床层压降大、易粉化等不足，提供一种高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料及其制备方法。该多孔炭材料具有规则的外观形状、适宜的比表面积、微孔-介孔-大孔多级孔结构及高的机械强度；同时该制备方法工艺简单，可实现规模化生产，具有良好的工业应用前景。
本发明的技术方案如下：
一种高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料，所述高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料为圆柱条形状的成型多孔炭，机械强度介于220-380N/cm，多孔炭材料的比表面积介于500-1300m2g-1。
优选多孔炭材料的孔径分布为20-30nm。
本发明还提供一种高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料的制备方法：包括如下步骤，以废弃咖啡渣为原料，与溶剂、助挤剂、粘结剂和结构增强剂混合，通过混捏、挤条成型制备出条状咖啡渣成型体，再经过干燥、炭化及活化制备出高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭。所述粘结剂为有机粘结剂或无机粘结剂，所述有机粘结剂为淀粉和/或羧甲淀粉钠，无机粘结剂为蒙脱土、海泡石、硅酸盐、硅溶胶、泡花碱、稀硝酸和磷酸的一种或几种，所述结构增强剂为纤维素。
具体包括如下步骤：
(1)将咖啡渣、助挤剂和结构增强剂混合均匀，记为样品A；
(2)将粘结剂和溶剂搅拌溶解均匀，记为溶液B，溶液B中粘结剂和溶剂的质量比为0.1:1～4:1；
(3)将溶液B与样品A混合搅拌，形成湿润的可塑性物料，将可塑性物料放入挤条机内进行挤出成型操作，后续经过切条、干燥得到条状咖啡渣成型体；
(4)将条状咖啡渣成型体置于炭化炉中，在惰性气体保护条件下进行炭化、活化得到咖啡渣活化炭条(高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料)。
所述助挤剂为草酸、酒石酸、柠檬酸、聚乙二醇、丙三醇、石蜡和田菁粉中的一种或多种。这样得到的咖啡渣基成型多孔炭的强度更大。更进一步地，助挤剂与咖啡渣的质量比为0:1～0.5:1。
所述纤维素为微晶纤维素、细菌纤维素、甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素和羟丙基甲基纤维素中的一种或多种；纤维素和咖啡渣的质量比为0:1～0.5:1。
进一步地，步骤(2)中溶液B与咖啡渣的质量比为0.3:1～4:1。
进一步地，为了得到介孔丰富、机械强度高的咖啡渣基成型多孔炭的强度的多孔炭，优选所述无机粘结剂为蒙脱土、海泡石、硅酸盐、泡花碱和硅溶胶的一种或几种；还包括步骤(5)，将步骤(4)得到的咖啡渣活化炭条置于氢氧化钠溶液中，在25～50℃条件下处理12～24h，其中，咖啡渣活化炭条与氢氧化钠的质量比为1:1～1:5。
所述的溶剂为水和无水乙醇的一种或两种，优选为水。
所述硅酸盐为硅酸镁、硅酸钠、硅酸钾、硅酸铝、硅酸铁和硅酸钙中的一种或几种。
本发明选用的咖啡渣，即速溶咖啡萃取后残留物为原料，干燥至恒重，粒径范围为所述的咖啡渣粒度为80～300目；优选为100～200目。
进一步地，步骤(3)中挤出成型操作包括调节挤条机孔板孔径和挤条机转速，其中所述孔板孔径为0.5～6mm；所述挤条机转速为5～50rpm/min。
进一步地，步骤(3)中干燥条件为首先在20～40℃条件下干燥12～48h，然后在50～100℃条件下干燥12～48h至恒重。
所述的挤条机为单螺杆挤条机、双螺杆挤条机、活塞式挤条机中的一种，优选为双螺杆挤条机；
炭化过程中所述的惰性气氛为氩气、氮气的一种，优选为氩气；
所述的炭化温度为700～900℃，炭化时间为0.5～3h；
所述的活化温度为700～950℃，活化时间为0.5～3h；
活化剂为固体活化剂和气体活化剂，当活化剂为固体活化剂时，所述步骤(2)为将固体活化剂与粘结剂和溶剂混合均匀形成溶液B，溶液B中粘结剂和溶剂的质量比为0.1:1～2.5:1，固体活化剂与咖啡渣的质量比为0:1～4:1。
所述固体活化剂为碳酸钾、氢氧化钾、氢氧化钠、氯化锌、乙酸锌或氯化铜；气体活化剂为水蒸气、二氧化碳和空气中的一种或多种；
优选活化剂为水蒸气；所述活化剂为水蒸气时，水的流量为0.01～2mL/min；
所述活化剂为二氧化碳时，二氧化碳的流量为20～60mL/min。
本发明的有益效果：本发明以废弃咖啡渣为原料，和与其相互作用的粘结剂混合，经挤条成型、炭化及活化等步骤制备出高机械强度的咖啡渣基成型炭，制备工艺简单，可操作性强，可实现规模化生产。本发明中以咖啡渣作为原料，来源充足且价格低廉，通过挤条成型制备成型炭可实现其资源化利用，绿色环保无污染；另一方面，在挤条成型过程引入助挤剂和结构增强剂有利于挤条成型的操作，使得成型炭表面光滑，不易掉粉，同时能够明显提高咖啡渣基成型炭的机械强度，高达360N/cm，与单独引入助挤剂或单独引入结构增强剂相比，强度增加了50-60％，可以有效减小其在实际运输、装填和使用过程中产生的磨损。采用海泡石、硅酸盐和硅溶胶中的一种或几种为粘结剂，在挤条成型过程单独引入助挤剂或单独引入结构增强剂，除硅后强度下降至90-110N/cm，而本发明借助挤剂和结构增强剂的协同作用，除硅后强度仍可达200N/cm，制备了介孔丰富、高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料。此外，本发明通过对成型工艺及活化条件进行调节可以制备出具有不同比表面积和孔隙结构的微孔-介孔-大孔多级孔成型炭，在吸附分离、催化剂载体、电极材料等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的咖啡渣基成型炭的氮吸附曲线。
图2为本发明实施例6制备的咖啡渣基成型炭的氮吸附曲线。
图3为本发明实施例6制备的咖啡渣基成型炭的孔径分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
称取30g粒度为100～200目的咖啡渣作为原料，2.1g聚乙二醇作为助挤剂，4.5g羟乙基纤维素作为结构增强剂，将三者充分搅拌使其混合均匀，记为样品A；再称取9g磷酸加入到18g水中溶解均匀，记为溶液B；将样品A与溶液B混捏均匀，形成可塑性物料，通过挤条机进行挤条成型得到条状湿物料；将成型后的条状湿物料切至长度1～2cm；将上述切条后的湿物料在25℃条件下干燥12h后转移至50℃的烘箱干燥24h，得到条状咖啡渣成型体。
将条状咖啡渣成型体置于炭化炉中炭化，用氩气保护从室温以3℃/min升至150℃，恒温1h，再以3℃/min的升温速率升至炭化终温800℃，恒温2h后在750℃条件下进行水蒸气活化，活化时间为0.5h，得到咖啡渣基成型炭。图1为咖啡渣基成型炭的氮吸附曲线图。氮吸附测试结果表明其BET比表面积约为950m2g-1，总孔容约为0.55cm3g-1，径向机械强度约为270N/cm。
实施例2
称取40g粒度为100～200目的咖啡渣作为原料，1.6g田菁粉-酒石酸作为复合助挤剂，8g甲基纤维素作为结构增强剂，将三者充分搅拌使其混合均匀，记为样品A；再称取18g商业酚醛树脂加入到18g无水乙醇中进行稀释均匀，记为溶液B；将样品A与溶液B混捏均匀，形成可塑性物料，通过挤条机进行挤条成型得到条状湿物料；将成型后的条状湿物料切至长度1～2cm；将上述切条后的湿物料在50℃条件下干燥4h后转移至150℃的烘箱固化4h，得到条状咖啡渣成型体。
将条状咖啡渣成型体置于炭化炉中炭化，用氩气保护从室温以2℃/min升至150℃，恒温1h，再以2℃/min的升温速率升至炭化终温800℃，恒温2h后在750℃条件下进行水蒸气活化，活化时间为1h，得到咖啡渣基成型炭。氮吸附测试结果表明其BET比表面积约为770m2g-1，总孔容约为0.48cm3g-1，径向机械强度约为237N/cm。
实施例3
称取50g粒度为100～200目的咖啡渣作为原料，7.5g田菁粉作为助挤剂，5.5g羟乙基纤维素作为结构增强剂，将二者充分搅拌使其混合均匀，记为样品A；再称取30g的硅酸钠加入到80g水中配成溶液，记为溶液B；将样品A与溶液B混捏均匀，形成可塑性物料，通过挤条机进行挤条成型得到条状湿物料；将成型后的条状湿物料切至长度1～2cm；将上述切条后的湿物料在30℃条件下干燥6h后转移至50℃的烘箱干燥12h，得到条状咖啡渣成型体。
将条状咖啡渣成型体置于炭化炉中炭化，用氩气保护从室温以2℃/min升至150℃，恒温60min，再以2℃/min的升温速率升至炭化终温820℃时，将氩气气氛切换至二氧化碳气氛进行活化，活化时间为2h，活化流量为40mL/min，得到咖啡渣基成型炭。氮吸附测试结果表明其BET比表面积约为800m2g-1，总孔容约为0.41cm3g-1，径向机械强度约为245N/cm。
实施例4
称取40g粒度为100～200目的咖啡渣作为原料，3g草酸作为助挤剂，7g羟丙基甲基纤维素作为结构增强剂，将三者充分搅拌使其混合均匀，记为样品A；再称取4g乙酸锌和6g磷酸加入到19g水中溶解均匀，记为溶液B；将样品A与溶液B混捏均匀，形成可塑性物料，通过挤条机进行挤条成型得到条状湿物料；将成型后的条状湿物料切至长度1～2cm；将上述切条后的湿物料在25℃条件下干燥24h后转移至50℃的烘箱干燥24h，得到条状咖啡渣成型体。
将条状咖啡渣成型体置于炭化炉中炭化，用氩气保护从室温以4℃/min升至150℃，恒温1h，再以4℃/min的升温速率升至炭化终温910℃，恒温时间为2h，得到咖啡渣基成型炭。氮吸附测试结果表明BET比表面积约为612m2g-1，总孔容约为0.34cm3g-1，径向机械强度约为230N/cm。
实施例5
称取40g粒度为100～200目的咖啡渣作为原料，7g酒石酸作为助挤剂，5g甲基纤维素作为结构增强剂，将三者充分搅拌使其混合均匀，记为样品A；再称取11g淀粉加入到32g水中于60℃形成糊状，记为样品B；将样品A与样品B混捏均匀，形成可塑性物料，通过挤条机进行挤条成型得到条状湿物料；将成型后的条状湿物料切至长度1～2cm；将上述切条后的湿物料在25℃条件下干燥12h后转移至50℃的烘箱干燥12h，得到条状咖啡渣成型体。
将条状咖啡渣成型体置于炭化炉中炭化，用氩气保护从室温以3℃/min的升温速率升至炭化终温850℃时，将氩气气氛切换至二氧化碳气氛进行活化，活化时间为2h，活化流量为50mL/min得到咖啡渣基成型炭(咖啡渣活化炭条)；将咖啡渣基成型炭置于氢氧化钠溶液中进行除硅、水洗至中性，干燥得到最终成型多孔炭。氮吸附测试结果表明其BET比表面积约为540m2g-1，总孔容约为0.40cm3g-1，径向机械强度约为228N/cm。
实施例6
称取30g粒度为100～200目的咖啡渣作为原料，2.1g田菁粉作为助挤剂，3g微晶纤维素作为结构增强剂，将三者充分搅拌使其混合均匀，记为物料A；再称取12g泡花碱加入到27g水中溶解均匀，记为溶液B；将样品A与溶液B混捏均匀，形成可塑性物料，通过挤条机进行挤条成型得到条状湿物料；将成型后的条状湿物料切至长度1～2cm；将上述切条后的湿物料在25℃条件下干燥12h后转移至50℃的烘箱干燥12h，得到条状咖啡渣成型体。
将条状咖啡渣成型体置于炭化炉中炭化，用氩气保护从室温以3℃/min升至150℃，恒温1h，再以3℃/min的升温速率升至炭化终温800℃，恒温2h后在750℃条件下进行水蒸气活化，活化时间为0.5h，得到咖啡渣基成型炭(咖啡渣活化炭条)；将咖啡渣基成型炭置于氢氧化钠溶液中进行除硅、水洗至中性，干燥得到最终成型多孔炭。图2为咖啡渣基成型炭的氮吸附曲线图。氮吸附测试结果表明其BET比表面积约为440m2g-1，总孔容约为0.39cm3g-1，图3为咖啡渣基成型炭的孔径分布图，介孔分布在20-30nm，径向机械强度约为230N/cm。
实施例7
称取30g粒度为100～200目的咖啡渣作为原料，4.5g田菁粉作为助挤剂，4.5g羧甲基纤维素作为结构增强剂，，将三者充分搅拌使其混合均匀，记为物料A；再称取6g硅酸钾加入到24g水中溶解均匀，记为溶液B；将样品A与溶液B混捏均匀，形成可塑性物料，通过挤条机进行挤条成型得到条状湿物料；将成型后的条状湿物料切至长度1～2cm；将上述切条后的湿物料在25℃条件下干燥24h后转移至50℃的烘箱干燥24h，得到条状咖啡渣成型体。
将条状咖啡渣成型体置于炭化炉中炭化，用氩气保护从室温以3℃/min升至150℃，恒温1h，再以3℃/min的升温速率升至炭化终温800℃，恒温2h后在750℃条件下进行水蒸气活化，活化时间为0.5h，得到咖啡渣基成型炭(咖啡渣活化炭条)；将咖啡渣基成型炭置于氢氧化钠溶液中进行除硅、水洗至中性，干燥得到最终成型多孔炭。氮吸附测试结果表明其BET比表面积约为480m2g-1，总孔容约为0.45cm3g-1，径向机械强度约为240N/cm。
实施例8
同实施例6，只是对挤出成型、炭化及活化得到的咖啡渣基成型炭(咖啡渣活化炭条)置于水中洗至中性，不经除硅过程，干燥得到最终成型多孔炭。氮吸附测试结果表明其BET比表面积约为400m2g-1，总孔容约为0.35cm3g-1，径向机械强度约为360N/cm。
对比例1
称取30g粒度为100～200目的咖啡渣作为原料，2.1g聚乙二醇作为助挤剂，将二者充分搅拌使其混合均匀，记为样品A；再称取9g磷酸加入到18g水中溶解均匀，记为溶液B；将样品A与溶液B混捏均匀，形成可塑性物料，通过挤条机进行挤条成型得到条状湿物料；将成型后的条状湿物料切至长度1～2cm；将上述切条后的湿物料在25℃条件下干燥6h后转移至50℃的烘箱干燥12h，得到条状咖啡渣成型体。
将条状咖啡渣成型体置于炭化炉中炭化，用氩气保护从室温以3℃/min升至150℃，恒温1h，再以3℃/min的升温速率升至炭化终温800℃，恒温2h后在750℃条件下进行水蒸气活化，活化时间为0.5h，得到咖啡渣基成型炭。氮吸附测试结果表明其BET比表面积约为750m2g-1，总孔容约为0.45cm3g-1，径向机械强度约为170N/cm。
对比例2
称取30g粒度为100～200目的咖啡渣作为原料，4.5g羟乙基纤维素作为结构增强剂，将二者充分搅拌使其混合均匀，记为样品A；再称取9g磷酸加入到18g水中溶解均匀，记为溶液B；将样品A与溶液B混捏均匀，形成可塑性物料，通过挤条机进行挤条成型得到条状湿物料；将成型后的条状湿物料切至长度1～2cm；将上述切条后的湿物料在25℃条件下干燥12h后转移至50℃的烘箱干燥24h，得到条状咖啡渣成型体。
将条状咖啡渣成型体置于炭化炉中炭化，用氩气保护从室温以3℃/min升至150℃，恒温1h，再以3℃/min的升温速率升至炭化终温800℃，恒温2h后在750℃条件下进行水蒸气活化，活化时间为0.5h，得到咖啡渣基成型炭。氮吸附测试结果表明其BET比表面积约为690m2g-1，总孔容约为0.50cm3g-1，径向机械强度约为160N/cm。
对比例3
称取30g粒度为100～200目的咖啡渣作为原料，记为样品A；再称取9g磷酸加入到18g水中溶解均匀，记为溶液B；将样品A与溶液B混捏均匀，形成可塑性物料，通过挤条机进行挤条成型得到条状湿物料；将成型后的条状湿物料切至长度1～2cm；将上述切条后的湿物料在25℃条件下干燥8h后转移至50℃的烘箱干燥24h，得到条状咖啡渣成型体。
将条状咖啡渣成型体置于炭化炉中炭化，用氩气保护从室温以3℃/min升至150℃，恒温1h，再以3℃/min的升温速率升至炭化终温800℃，恒温2h后在750℃条件下进行水蒸气活化，活化时间为0.5h，得到咖啡渣基成型炭。氮吸附测试结果表明其BET比表面积约为700m2g-1，总孔容约为0.52cm3g-1，径向机械强度约为100N/cm。
对比例4
取自购买的商业柱状活性炭(Φ4mm)，氮吸附测试结果表明其BET比表面积约为1226m2g-1，总孔容约为0.39cm3g-1，径向机械强度为140N/cm。
对比例5
称取30g粒度为100～200目的咖啡渣作为原料，记为样品A；再称取18g聚乙烯醇到36g水中溶解均匀，记为溶液B；将样品A与溶液B混捏均匀，通过挤条机进行挤条成型时发现在该粘结剂条件下无法正常成型。
对比例6
称取30g粒度为100～200目的咖啡渣作为原料，2.1g丙三醇作为助挤剂，将二者充分搅拌使其混合均匀，记为样品A；再称取9g聚乙烯醇缩丁醛加入到18g水中溶解均匀，记为溶液B；将样品A与溶液B混捏均匀，通过挤条机进行挤条成型时在该粘结剂与助挤剂条件下无法正常成型。
对比例7
称取30g粒度为100～200目的咖啡渣作为原料，2.1g田菁粉作为助挤剂，将二者充分搅拌使其混合均匀，记为物料A；再称取12g泡花碱加入到27g水中溶解均匀，记为溶液B；将样品A与溶液B混捏均匀，形成可塑性物料，通过挤条机进行挤条成型得到条状湿物料；将成型后的条状湿物料切至长度1～2cm；将上述切条后的湿物料在25℃条件下干燥12h后转移至50℃的烘箱干燥12h，得到条状咖啡渣成型体。
将条状咖啡渣成型体置于炭化炉中炭化，用氩气保护从室温以3℃/min升至150℃，恒温1h，再以3℃/min的升温速率升至炭化终温800℃，恒温2h后在750℃条件下进行水蒸气活化，活化时间为0.5h，得到咖啡渣基成型炭(咖啡渣活化炭条)；将咖啡渣基成型炭置于氢氧化钠溶液中进行除硅、水洗至中性，干燥得到最终成型多孔炭。氮吸附测试结果表明其BET比表面积约为225m2g-1，总孔容约为0.24cm3g-1，径向机械强度约为110N/cm。
对比例8
称取30g粒度为100～200目的咖啡渣作为原料，3g微晶纤维素作为结构增强剂，将二者充分搅拌使其混合均匀，记为物料A；再称取12g泡花碱加入到27g水中溶解均匀，记为溶液B；将样品A与溶液B混捏均匀，形成可塑性物料，通过挤条机进行挤条成型得到条状湿物料；将成型后的条状湿物料切至长度1～2cm；将上述切条后的湿物料在25℃条件下干燥24h后转移至50℃的烘箱干燥24h，得到条状咖啡渣成型体。
将条状咖啡渣成型体置于炭化炉中炭化，用氩气保护从室温以3℃/min升至150℃，恒温1h，再以3℃/min的升温速率升至炭化终温800℃，恒温2h后在750℃条件下进行水蒸气活化，活化时间为0.5h，得到咖啡渣基成型炭(咖啡渣活化炭条)；将咖啡渣基成型炭置于氢氧化钠溶液中进行除硅、水洗至中性，干燥得到最终成型多孔炭。氮吸附测试结果表明其BET比表面积约为250m2g-1，总孔容约为0.27cm3g-1，径向机械强度约为95N/cm。
对比例9
同对比例7，只是对挤出成型、炭化及活化得到的咖啡渣基成型炭(咖啡渣活化炭条)置于水中洗至中性，不经除硅过程，干燥得到最终成型多孔炭。氮吸附测试结果表明其BET比表面积约为200m2g-1，总孔容约为0.20cm3g-1，径向机械强度约为170N/cm。
对比例10
同实施例8，只是对挤出成型、炭化及活化得到的咖啡渣基成型炭(咖啡渣活化炭条)置于水中洗至中性，不经除硅过程，干燥得到最终成型多孔炭。氮吸附测试结果表明其BET比表面积约为210m2g-1，总孔容约为0.23cm3g-1，径向机械强度约为140N/cm。

Claims (10)

1.一种高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料，其特征在于：所述高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料为圆柱条形状的成型多孔炭，机械强度为220-380N/cm，多孔炭材料的比表面积为500-1300m2 g-1。
2.如权利要求1所述的一种高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料，其特征在于：多孔炭材料的孔径分布为20-30nm。
3.一种如权利要求1所述的高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料的制备方法：其特征在于：包括如下步骤，以废弃咖啡渣为原料，与溶剂、助挤剂、粘结剂和结构增强剂混合，通过混捏、挤条成型制备出条状咖啡渣成型体，再经过干燥、炭化及活化制备出高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭；所述粘结剂为有机粘结剂或无机粘结剂，所述有机粘结剂为淀粉和/或羧甲淀粉钠，无机粘结剂为蒙脱土、海泡石、硅酸盐、硅溶胶、泡花碱、稀硝酸和磷酸的一种或几种；所述结构增强剂为纤维素。
4.如权利要求3所述的一种高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料的制备方法：其特征在于：具体包括如下步骤：
(1)将咖啡渣、助挤剂和结构增强剂混合均匀，记为样品A。
(2)将粘结剂和溶剂搅拌溶解均匀，记为溶液B，溶液B中粘结剂和溶剂的质量比为0.1:1～4:1；
(3)将溶液B与样品A混合搅拌，形成湿润的可塑性物料，将可塑性物料放入挤条机内进行挤出成型操作，后续经过切条、干燥得到条状咖啡渣成型体；
(4)将条状咖啡渣成型体置于炭化炉中，在惰性气体保护条件下进行炭化，活化得到咖啡渣活化炭条。
5.如权利要求4所述的一种高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料的制备方法：其特征在于：步骤(1)中所述助挤剂为草酸、酒石酸、柠檬酸、聚乙二醇、丙三醇、石蜡和田菁粉中的一种或多种；助挤剂与咖啡渣的质量比为0:1～0.5:1。
6.如权利要求4所述的一种高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料的制备方法：其特征在于：步骤(1)中结构增强剂为微晶纤维素、细菌纤维素、甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素和羟丙基甲基纤维素中的一种或多种；纤维素和咖啡渣的质量比为0:1～0.5:1。
7.如权利要求4所述的一种高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料的制备方法：其特征在于：步骤(2)中溶液B与咖啡渣的质量比为0.3:1～4:1。
8.如权利要求4所述的一种高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料的制备方法：其特征在于：步骤(2)所述无机粘结剂为海泡石、硅酸盐、泡花碱和硅溶胶的一种或几种；还包括步骤(5)，将步骤(4)得到的咖啡渣活化炭条置于氢氧化钠溶液中，在25～50℃条件下处理12～24h，其中，咖啡渣活化炭条与氢氧化钠的质量比为1:1～1:5。
9.如权利要求4所述的一种高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料的制备方法：其特征在于：步骤(4)活化过程中活化剂为固体活化剂和气体活化剂，当活化剂为固体活化剂时，所述步骤(2)为将固体活化剂与粘结剂和溶剂混合均匀，形成溶液B，溶液B中粘结剂和溶剂的质量比为0.1:1～4:1，固体活化剂与咖啡渣的质量比为0:1～4:1。
10.如权利要求4所述的一种高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料的制备方法：其特征在于：所述溶剂为水和/或无水乙醇。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112125306A (zh) * 2020-09-28 2020-12-25 烟台中科恩吉科创新产业园管理有限公司 一种活性炭及其制备方法
CN113410470A (zh) * 2021-05-21 2021-09-17 河南师范大学 一种3d交联多级孔杂原子掺杂碳阴极催化剂的制备方法
CN114084887A (zh) * 2021-11-04 2022-02-25 中欣环保科技有限公司 一种超级电容炭制备方法
CN114797778A (zh) * 2022-05-05 2022-07-29 大连理工大学 一种咖啡渣基成型多孔炭吸附剂在高效甲烷/氮气分离中的应用
CN115140725A (zh) * 2022-06-10 2022-10-04 佛山科学技术学院 一种咖啡渣基Fe3+、Fe2+离子掺杂生物炭材料的制备方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1465521A (zh) * 2002-07-01 2004-01-07 金车股份有限公司 利用咖啡豆渣制造活性碳的方法
US20090159091A1 (en) * 2007-12-19 2009-06-25 Philip Morris Usa Inc. Activated carbon from microcrystalline cellulose
CN103121679A (zh) * 2013-01-28 2013-05-29 江苏国正新材料科技有限公司 一种高强度、耐磨损成型活性炭的生产工艺
CN104628000A (zh) * 2015-02-09 2015-05-20 福州大学 一种柱状椰壳活性炭及其制备方法
CN105217629A (zh) * 2015-10-30 2016-01-06 广东工业大学 咖啡渣活性炭的制备方法
CN106430188A (zh) * 2016-09-05 2017-02-22 中国林业科学研究院林产化学工业研究所 一种提高颗粒活性炭强度和表面疏水性的方法
CN108136453A (zh) * 2015-09-16 2018-06-08 斯威特沃特能源公司 衍生自经预处理的生物质的专用活性碳
CN109433156A (zh) * 2018-12-04 2019-03-08 中国科学院过程工程研究所 一种柱状活性焦及其制备方法和用途
CN110143592A (zh) * 2019-07-05 2019-08-20 咖法科技(上海)有限公司 一种咖啡渣活性炭的制备方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1465521A (zh) * 2002-07-01 2004-01-07 金车股份有限公司 利用咖啡豆渣制造活性碳的方法
US20090159091A1 (en) * 2007-12-19 2009-06-25 Philip Morris Usa Inc. Activated carbon from microcrystalline cellulose
CN103121679A (zh) * 2013-01-28 2013-05-29 江苏国正新材料科技有限公司 一种高强度、耐磨损成型活性炭的生产工艺
CN104628000A (zh) * 2015-02-09 2015-05-20 福州大学 一种柱状椰壳活性炭及其制备方法
CN108136453A (zh) * 2015-09-16 2018-06-08 斯威特沃特能源公司 衍生自经预处理的生物质的专用活性碳
CN105217629A (zh) * 2015-10-30 2016-01-06 广东工业大学 咖啡渣活性炭的制备方法
CN106430188A (zh) * 2016-09-05 2017-02-22 中国林业科学研究院林产化学工业研究所 一种提高颗粒活性炭强度和表面疏水性的方法
CN109433156A (zh) * 2018-12-04 2019-03-08 中国科学院过程工程研究所 一种柱状活性焦及其制备方法和用途
CN110143592A (zh) * 2019-07-05 2019-08-20 咖法科技(上海)有限公司 一种咖啡渣活性炭的制备方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DWIVEDI, AD, ET AL: "Tuning and Characterizing Nanocellulose Interface for Enhanced Removal of Dual-Sorbate(As-V And Cr-VI) from Water Matrices", 《ACS SUSTAINABLE CHEMISTRY & ENGINEERING》 *
任占新: "生物质炭的成型制备与性能研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士) 工程科技I辑》 *
任杰等: "咖啡渣制备活性炭工艺及其吸附性能", 《环境科学学报》 *
林冠烽等: "磷酸活化法制备纤维素基颗粒活性炭", 《林产化学与工业》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112125306A (zh) * 2020-09-28 2020-12-25 烟台中科恩吉科创新产业园管理有限公司 一种活性炭及其制备方法
CN113410470A (zh) * 2021-05-21 2021-09-17 河南师范大学 一种3d交联多级孔杂原子掺杂碳阴极催化剂的制备方法
CN114084887A (zh) * 2021-11-04 2022-02-25 中欣环保科技有限公司 一种超级电容炭制备方法
CN114797778A (zh) * 2022-05-05 2022-07-29 大连理工大学 一种咖啡渣基成型多孔炭吸附剂在高效甲烷/氮气分离中的应用
CN115140725A (zh) * 2022-06-10 2022-10-04 佛山科学技术学院 一种咖啡渣基Fe3+、Fe2+离子掺杂生物炭材料的制备方法

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