CN112221465B - 一种无废生物精炼制备多孔生物炭的方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种无废生物精炼制备多孔生物炭的方法及应用，通过碱液对蔗髓进行抽提，将抽提液过滤，滤渣洗涤、干燥；称取干燥后的滤渣在氮气气氛下进行预炭化；将预炭化料与碱混合，氮气气氛下活化，得到多孔生物炭；该生物炭用以净化模拟铬废水，对六价铬离子的吸附量高达185.07mg/g，将含铬废生物炭转化为Cu‑Cr/BPR‑BC催化剂用于糠醛的进一步加氢，选择性生成二糠基醚达到99.99%；本发明获得一种无废料的生物精炼模式，实现了蔗髓或其他类似木质纤维生物质碱预抽提工艺的工业化应用。

Description

一种无废生物精炼制备多孔生物炭的方法及应用
技术领域
本发明涉及农林废弃物的资源化利用及“以废制废”的环境领域，具体涉及一种利用蔗髓碱抽提残渣进行无废生物精炼制备多孔生物炭的方法及去除Cr(VI)和进一步氢化糠醛制备二糠基醚的应用。
背景技术
考虑到化石资源的枯竭和相应的环境问题，木质纤维素生物质越来越被认为是许多替代能源化学品和材料清洁生产的一种有前景的资源。蔗髓是制糖工业的主要副产品之一，富含半纤维素，可转化为木糖、糠醛、乙醇和半纤维素基功能材料等，实现其高价值的应用。碱预抽提作为一种高效的高分子量半纤维素的提取方法，在半纤维素材料制备领域受到越来越多的关注。然而，经过提取后，约有50～80%的固体废弃物在未经进一步高价值利用的情况下被焚烧甚至丢弃，这将对环境和经济效益造成不利影响。
发明内容
本发明提供一种利用蔗髓碱抽提残渣进行无废生物精炼制备多孔生物炭的方法及其去除Cr(VI)和进一步氢化糠醛制备二糠基醚上的应用，实现了重金属铬废水的治理和“以废制废”的目的。
本发明通过下述技术方案实现：
一种无废生物精炼制备多孔生物炭的方法，具体包括以下步骤：
（1）通过碱液对蔗髓进行抽提，将抽提液进行过滤，滤渣洗涤至中性后干燥；
（2）称取步骤（1）干燥后的蔗髓残渣（BPR）至管式炉的坩埚中，在氮气气氛下升温至300~600 oC进行预炭化；
（3）将预炭化料与碱进行混合，放入管式炉中，氮气气氛下进行活化，得到多孔生物炭(BPR-BC)。
步骤（1）碱液为氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液浓度为50~200g/L，蔗髓与氢氧化钠溶液的固液比g:mL为1：20~40。
步骤（2）升温速率1~10oC/min，预炭化时间为1~3h。
步骤（3）碱为KOH、NaOH、Ca(OH)2、Ba(OH)2等。
步骤（3）预炭化料与碱的质量比为=1：1~8.5。
步骤（3）活化温度为500~900oC，时间为1~3h，升温速率为1~10oC/min。
本发明所述多孔生物炭(BPR-BC)的应用，将多孔生物炭(BPR-BC)作为吸附剂，对废水中的六价铬离子进行吸附，废水中六价铬离子的浓度为10~100mg/L，废水pH值为2~10。
本发明多孔生物炭(BPR-BC)作为吸附剂在废水中进行12h六价铬离子的吸附后，将吸附实验且干燥之后的生物炭浸渍在50mL铜盐溶液中，70oC水浴中搅拌至干燥得到生物炭为载体的铜铬催化剂（Cu-Cr/BPR-BC），应用于氢化糠醛制备二糠基醚，称取0.2g糠醛、0.1gCu-Cr/BPR-BC催化剂和量取20mL异丙醇一并加入到容积为50mL的圆柱形不锈钢反应器中，于150 oC进行反应，在400min内，糠醛转化率为99.99%，二糠基醚选择性为99.99%。
所述铜盐为Cu(NO3)2、CuCl2或CuSO4，铜盐溶液中铜离子浓度为0.1~1g/L。
本发明相对于现有技术，具有如下优点及效果：
本发明制备生物炭时，仅需利用农林废弃物蔗髓为原料，且经过碱抽提和炭化活化既可制备出超高比表面积的生物炭，同时抽提的高分子量半纤维素可用以生产高价值功能材料原料。采用本发明制备的蔗髓碱抽提残渣多孔生物炭对Cr(VI)的去除量高达185.07mg/g，同时含铬废吸附剂制备的Cu-Cr/BPR-BC催化剂用以糠醛的催化加氢反应，二糠基醚的选择性≥99.99%。本发明获得了一种无废料的生物炼制模式，提高了蔗渣髓或其他类似木质纤维生物质的碱预提取工艺工业化应用的可行性。
本发明反映了绿色化学的新思路，对循环经济具有重要意义，其研究结果为蔗渣芯碱预抽提残渣的有效利用提供了一条新的途径，使碱预抽提模式与无废生物炼制理念相一致。
本发明实现了无废生物精炼，其工艺操作简单，原理切实可行，过程绿色环保，且同时实现了重金属铬废水的治理和糠醛的高效转化。
附图说明
图1为本发明实施例1制备得到的生物炭的吸附等温线；
图2为本发明实施例1制备得到的Cu-Cr/BPR-BC催化剂的糠醛加氢反应时间变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。实施例中使用到的模拟铬废水均是重铬酸钾溶于水制备得到，其pH值采用稀盐酸和氢氧化钠进行调节。
实施例1
一种蔗髓碱抽提残渣进行无废生物精炼制备多孔生物炭的方法，具体步骤如下：
（1）蔗髓碱抽提残渣的制备：将50g蔗髓和1000mL浓度为50g/L的NaOH溶液加入到容积为3L的锥形瓶中，蔗髓由云南造纸厂购买得到，下同，对蔗髓进行萃取抽提，用电加热恒温水浴在25℃，混合物与20mm×50cm的聚四氟乙烯涂层搅拌杆相连接，通过机械混合器以600rpm的速度搅拌，保持300min，处理后的混合物用0.5MPa的平板挤出机进行压制，并用大量去离子水将固体残渣洗涤至中性，然后在80℃烘箱干燥24h即可得到残渣；
（2）蔗髓残渣的预炭化：将步骤（1）所得的蔗髓残渣放入管式炉的坩埚中，氮气保护下以5oC/min的升温速率升温到600 oC保温1h进行预炭化；
（3）蔗髓残渣的活化：称取10g步骤（2）经过预炭化的蔗髓残渣与85g的KOH混合放入管式炉的坩埚中，氮气保护下以5oC/min的升温速率升温到900oC保持1h，就可得到蔗髓碱抽提残渣生物炭。
称取本实施例制备得到的的生物炭0.02g，加入到50mL的pH=3、浓度为50mg/L的模拟铬废水中，进行吸附实验，12h后，Cr(VI)的去除率为99.99%。
称取进行吸附实验且干燥之后的生物炭0.1g加入到装有50mL的Cu(NO3)2溶液的烧杯中，Cu(NO3)2溶液中铜离子浓度为1g/L，将烧杯放入70oC的水浴中搅拌直到干燥即可得到Cu-Cr/BPR-BC催化剂，称取0.2g糠醛、0.1g Cu-Cr/BPR-BC催化剂、量取20mL异丙醇，一并加入到容积为50mL的圆柱形不锈钢反应器中，于150oC进行反应，300min时，糠醛转化率为95.5%，二糠基醚选择性为98.01%。
图1为本实施例1中的生物炭吸附等温线，从图中可以看出，生物炭对Cr(VI)的吸附为Langmuir吸附模型且最大吸附量为185.07mg/g；图2为本实施例Cu-Cr/BPR-BC催化剂的糠醛加氢反应时间变化图，从图中可以看出，随着时间的增加，糠醛的转化率逐渐升高，二糠基醚选择性稍微下降。
实施例2
一种蔗髓碱抽提残渣进行无废生物精炼制备多孔生物炭的方法，具体步骤如下：
（1）蔗髓碱抽提残渣的制备：将50g蔗髓和1500mL浓度为200g/L NaOH溶液加入到3L锥形瓶中，对蔗髓进行萃取抽提，用电加热恒温水浴在25℃，混合物与20mm×50cm的聚四氟乙烯涂层搅拌杆相连接，通过机械混合器以600rpm的速度搅拌，保持300min，处理后的混合物用0.5MPa的平板挤出机进行压制，并用大量去离子水将固体残渣洗涤至中性，然后在80℃烘箱干燥24h即可得到残渣；
（2）蔗髓残渣的预炭化：将步骤（1）所得的蔗髓残渣放入管式炉的坩埚中，氮气保护下以1oC/min的升温速率升温到300 oC保持3h进行预炭化；
（3）蔗髓残渣的活化：称取10g步骤（2）经过预炭化的蔗髓残渣与10g的NaOH混合放入管式炉的坩埚中，氮气保护下以1oC/min的升温速率升温到500oC保持3h，就可得到蔗髓碱抽提残渣生物炭。
称取本实施例制备得到的的生物炭0.02g，加入到50mL的pH=2、浓度为10mg/L的模拟铬废水中，进行吸附实验，12h后，Cr(VI)的去除率为99.99%。
称取进行吸附实验且干燥之后的生物炭0.1g加入到装有50mL的CuCl2溶液的烧杯中，CuCl2溶液中铜离子浓度为0.1g/L，将烧杯放入70oC的水浴中搅拌直到干燥即可得到Cu-Cr/BPR-BC催化剂，称取0.2g糠醛、0.1g Cu-Cr/BPR-BC催化剂、量取20mL异丙醇，一并加入到容积为50mL圆柱形不锈钢反应器中，于150oC进行反应，时间为10min时，糠醛转化率为99.99%，二糠基醚选择性为75.87%。
实施例3
一种蔗髓碱抽提残渣进行无废生物精炼制备多孔生物炭的方法，具体步骤如下：
（1）蔗髓碱抽提残渣的制备：将50g蔗髓和2000mL浓度为100g/L NaOH溶液加入到容积为3L锥形瓶中，对蔗髓进行萃取抽提，用电加热恒温水浴在25℃，混合物与20mm×50cm的聚四氟乙烯涂层搅拌杆相连接，通过机械混合器以600rpm的速度搅拌，保持300min，处理后的混合物用0.5MPa的平板挤出机进行压制，并用大量去离子水将固体残渣洗涤至中性，然后在80℃烘箱干燥24h即可得到残渣；
（2）蔗髓残渣的预炭化：将步骤（1）所得的蔗髓残渣放入管式炉的坩埚中，氮气保护下以10oC/min的升温速率升温到500 oC保持2h进行预炭化；
（3）蔗髓残渣的活化：称取10g步骤（2）经过预炭化的蔗髓残渣与40g的Ca(OH)2混合放入管式炉的坩埚中，氮气保护下以10oC/min的升温速率升温到800 oC保持2h，就可得到蔗髓碱抽提残渣生物炭。
称取本实施例制备得到的的生物炭0.02g，加入到50mL的pH=5、浓度为100mg/L的模拟铬废水中，进行吸附实验，12h后，Cr(VI)的去除率为99.99%。
称取进行吸附实验且干燥之后的生物炭0.1g加入到装有50mL 的Cu(NO3)2溶液的烧杯中，Cu(NO3)2溶液中铜离子浓度为0.5g/L，将烧杯放入70oC的水浴中搅拌直到干燥即可得到Cu-Cr/BPR-BC催化剂，称取0.2g糠醛、0.1g Cu-Cr/BPR-BC催化剂、量取20mL异丙醇，一并加入到容积为50mL的圆柱形不锈钢反应器中，于150oC进行反应，100min时，糠醛转化率为90.12%，二糠基醚选择性为89.99%。
实施例4
一种蔗髓碱抽提残渣进行无废生物精炼制备多孔生物炭的方法，具体步骤如下：
（1）蔗髓碱抽提残渣的制备：将50g蔗髓和2000mL浓度为150g/L NaOH溶液加入到容积为3L的锥形瓶中，对蔗髓进行萃取抽提，用电加热恒温水浴在25℃，混合物与20mm×50cm的聚四氟乙烯涂层搅拌杆相连接，通过机械混合器以600rpm的速度搅拌，保持300min，处理后的混合物用0.5MPa的平板挤出机进行压制，并用大量去离子水将固体残渣洗涤至中性，然后在80℃烘箱干燥24h即可得到残渣；
（2）蔗髓残渣的预炭化：将步骤（1）所得的蔗髓残渣放入管式炉的坩埚中，氮气保护下以6oC/min的升温速率升温到500 oC保持2.5h进行预炭化；
（3）蔗髓残渣的活化：称取10g步骤（2）经过预炭化的蔗髓残渣与40g的Ba(OH)2混合放入管式炉的坩埚中，氮气保护下以6oC/min的升温速率升温到800oC保持1h，就可得到蔗髓碱抽提残渣生物炭。
称取本实施例制备得到的的生物炭0.02g，加入到50mL的pH=10、浓度为80mg/L的模拟铬废水中，进行吸附实验，12h后，Cr(VI)的去除率为99.99%。
称取进行吸附实验且干燥之后的生物炭0.1g加入到装有50mL的CuSO4溶液的烧杯中，CuSO4溶液中铜离子浓度为0.8g/L，将烧杯放入70oC的水浴中搅拌直到干燥即可得到Cu-Cr/BPR-BC催化剂，称取0.2g糠醛、0.1g Cu-Cr/BPR-BC催化剂、量取20mL异丙醇，一并加入到容积为50mL的圆柱形不锈钢反应器中，于150oC进行反应，200min时，糠醛转化率为99.99%，二糠基醚选择性为94.55%。

Claims (8)

1.一种无废生物精炼制备的多孔生物炭在氢化糠醛制备二糠基醚中的应用，其特征在于，将多孔生物炭作为吸附剂，对废水中的六价铬离子进行12h吸附后，将0.1g吸附后的多孔生物炭干燥后浸渍在50mL铜盐溶液中，70oC水浴搅拌至干燥得到生物炭为载体的铜铬催化剂，应用于氢化糠醛制备二糠基醚；
其中无废生物精炼制备多孔生物炭的方法，具体包括以下步骤：
（1）通过碱液对蔗髓进行抽提，抽提液过滤，滤渣洗涤、干燥；
（2）称取步骤（1）干燥后的滤渣在氮气气氛下升温至300~600℃ 进行预炭化；
（3）将预炭化料与碱混合，氮气气氛下活化，得到多孔生物炭。
2.根据权利要求1所述应用，其特征在于，步骤（1）碱液为氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液浓度为50~200g/L，蔗髓与氢氧化钠溶液的固液比g:mL为1：20~40。
3.根据权利要求1所述应用，其特征在于，步骤（2）升温速率为1~10oC/min，预炭化时间为1~3h。
4.根据权利要求1所述应用，其特征在于，步骤（3）碱为KOH、NaOH、Ca(OH)2或Ba(OH)2。
5.根据权利要求1所述应用，其特征在于，步骤（3）预炭化料与碱的质量比为1：1~8.5。
6.根据权利要求1所述应用，其特征在于，步骤（3）活化温度为500~900℃ ，时间为1~3h，升温速率为1~10oC/min。
7.根据权利要求1所述应用，其特征在于，废水中六价铬离子的浓度为10~100mg/L，废水pH值为2~10。
8.根据权利要求1所述应用，其特征在于，铜盐为Cu(NO3)2、CuCl2或CuSO4，铜盐溶液中铜离子浓度为0.1~1g/L。
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