CN1465521A - 利用咖啡豆渣制造活性碳的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用咖啡豆渣制造活性碳的方法，是将该咖啡豆渣浸泡于一活化剂中，使该活化剂吸附在该咖啡豆渣表面，再将该浸泡过的咖啡豆渣移入一高温旋窑炉中进行碳化与活化反应，而可制得具有高比表面积的活性碳成品。故本发明可有效将咖啡豆渣转制成环工、食品等产业大量使用的活性碳产品，达到将废弃物资源化的目的。
Description
(1)技术领域
本发明是关于一种制造活性碳的方法，尤其是关于一种利用咖啡豆渣制造活性碳的方法。
(2)背景技术
活性碳(Activated Carbon)具有相当特殊的孔洞结构，它为一多孔性碳体的集合性名称，因它具有高比表面积(一般可达500-1500m2/g)的特性，故适宜吸附有机污染物质，广泛应用于环工、食品、医药等产业。
活性碳的种类可分为以下4种：
1.粒状活性碳(GAC)：主要应用于挥发性有机化合物(VOCs)的处理与回收、空气净化(如脱臭)、空气污染防治。
2.粉状活性碳(PAC)：主要应用于净水工程(如处理三卤甲烷)、废水工程、食品工业(如脱色)。
3.定形活性碳：将活性碳经过再制、定型过程，制成特定产业所需的形状，如应用于特殊气体吸附或作为反应触媒担体(载体)。
4.纤维状活性碳：将活性碳制成纤维状的不织布，可减少压力降，可用于回收有机溶剂，如半导体产业制程；以及日常生活的空气清净机、冷气机滤网。
而活性碳通常选取具有高碳、低无机物含量的物质为原料来进行活性碳的制造。如动、植物及矿物等含碳量较高的物质，在经过适当处理程序后(如热裂解反应)，即可制成活性碳。
目前研究中，可作为活性碳原料计有：泥煤、褐煤、褐炭、烟煤、椰子壳、木材、废竹筷、木屑、坚果壳、甘蔗渣、重油渣、石油焦、废轮胎、污泥、稻壳、玉米穗轴、红糖等。
一般而言，椰子壳、坚果壳具有高密度和极高的挥发性，所制成的活性碳适于空气净化或挥发性有机化合物(VOCs)的处理与回收。而木材和木质素等密度较小的物质，则多用于净水工程。
而咖啡豆渣为咖啡饮料及相关制品工厂主要的食品废弃物，随着国人饮用咖啡的风气日盛，相对地该项废弃物产量也日增，无形增加许多环境负荷。倘若能将咖啡豆渣资源化，不但能解决处理此废弃物的棘手问题，更能赋予咖啡豆渣新的利用价值。
基于上述理念，本发明提出将咖啡豆渣资源化处理的概念，希望能将原是废弃物的咖啡豆渣转化成环工、食品等产业界常用的活性碳制品，达到将废弃物资源化的目的。
(3)发明内容
本发明的目的是提供一种利用咖啡豆渣制造活性碳的方法，进而将废弃物资源化。
本发明的另一目的是提供一种利用咖啡豆渣制造活性碳的方法，其制成的活性碳具有高比表面积值。
为实现上述目的，本发明的利用咖啡豆渣制造活性碳的方法，其特点是，包括下列步骤：将该咖啡豆渣浸泡于一活化剂中，使该活化剂吸附在该咖啡豆渣表面；以及将该浸泡过的咖啡豆渣移入一高温旋窑炉中进行碳化与活化反应，而获得一活性碳粗成品。
如所述的制造活性碳的方法，其中该活化剂为碳酸盐系。
如所述的制造活性碳的方法，其中该碳酸盐系为碳酸钾、碳酸钙或碳酸镁。
如所述的制造活性碳的方法，其中该活化剂浓度为10％～40％。
如所述的制造活性碳的方法，其中该浸泡时间为1～2小时。
如所述的制造活性碳的方法，其中该咖啡豆渣在该高温旋窑炉中的反应温度为700-900℃。
如所述的制造活性碳的方法，其中该反应温度是以10℃/min的升温速率来达到。
如所述的制造活性碳的方法，其中该反应时间为1～3小时。
如所述的制造活性碳的方法，其中该高温旋窑炉包括一热裂解反应管。
如所述的制造活性碳的方法，其中该热裂解反应管是由一不锈钢材质制成。
如所述的制造活性碳的方法，其中该高温旋窑炉还包括一气体钢瓶，它提供一气体用以排除该热裂解反应管内的气体，使该反应可在缺氧条件下进行。
如所述的制造活性碳的方法，其中该气体为氮气。
如所述的制造活性碳的方法，其中该粗成品须再经一粗成品后处理程序而得一活性碳成品。
如所述的制造活性碳的方法，其中该粗成品后处理程序是对该粗成品进行下列步骤：酸洗及水洗；以丙酮浸泡并以超声波震荡1小时；过滤去除丙酮；以蒸馏水淋洗；以及以200℃烘干12～24小时，而可得该活性碳成品。
如所述的制造活性碳的方法，其中该酸洗步骤是以0.5N盐酸溶液在85℃下处理30分钟，再以抽气过滤移除滤液。
如所述的制造活性碳的方法，其中该水洗步骤是以85℃蒸馏水处理30分钟，再以抽气过滤移除滤液。
如所述的制造活性碳的方法，其中该水洗步骤须重复至该滤液的pH值大于6为止。
如所述的制造活性碳的方法，其中该活性碳成品的比表面积为726～1317m2/g。
本发明另一方面提供一种活性碳，是利用咖啡豆渣为原料制成。
如所述的活性碳，它是由下列步骤制成：将该咖啡豆渣浸泡于一活化剂中，使该活化剂吸附在该咖啡豆渣表面；以及将该浸泡过的咖啡豆渣移入一高温旋窑炉中进行碳化与活化反应，而获得一活性碳粗成品。
如所述的活性碳，其中该活化剂是为碳酸盐系。
如所述的活性碳，其中该碳酸盐系为碳酸钾、碳酸钙或碳酸镁。
如所述的活性碳，其中该活化剂浓度为10％～40％。
如所述的活性碳，其中该咖啡豆渣在该高温旋窑炉中的反应温度为700-900℃。
如所述的活性碳，其中该反应温度是以10℃/min的升温速率来达到。
如所述的活性碳，其中该粗成品须再经一粗成品后处理程序而获得一活性碳成品。
如所述的活性碳，其中该活性碳成品的比表面积为726～1317m2/g。
为进一步说明本发明的目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。
(4)附图说明
图1为本发明的利用咖啡豆渣制造活性碳的方法的简易流程图。
图2为本发明所采用的高温旋窑炉装置的示意图。
图3是显示本发明高温旋窑炉的升温程序的曲线图。
(5)具体实施方式
请参阅图1，它为本发明的利用咖啡豆渣制造活性碳的方法的简易流程图。该方法的各步骤依序详细说明如下：
咖啡豆渣前处理
将取得的咖啡豆渣洗净、烘干，待冷却后，挑出杂质并碾碎。
浸泡活化剂
将经前处理的咖啡豆渣浸泡于一碳酸盐系的化学活化剂中，如碳酸钾、碳酸钙或碳酸镁，使活化剂吸附在咖啡豆渣表面，而该活化剂浓度较佳为为10％～40％。于浸泡1～2小时后，将咖啡豆渣过滤并干燥。
旋窑炉碳化及活化程序
称取100克上述浸泡活化剂后的咖啡豆渣放入高温旋窑炉中。高温旋窑炉装置如图2所示，高温旋窑炉主体21为高约100cm的中空可开式长方体，最高温度可达1050℃，附有温度控制器可控制升温速率、加热时间且可维持定温反应。在旋窑炉主体21的加热区22中包括一个以不锈钢材质制成的热裂解反应管23，长约90cm，管壁厚0.5cm，管内直径3.5cm，反应管23前预热段约为25cm，反应恒温区约为50cm。反应管23本身可依顺时针或逆时针方向旋转(如图号24所示)，以助管内反应进行。此外，在加热区22上方具有一保护盖25，有助于加热区22温度的维持。
高温旋窑炉装置还包括气体钢瓶26，用以提供氮气，可排除热裂解反应管23内的空气，使反应可完全在缺氧条件下进行热裂解反应，同时并可将反应后的气体产物带出。
根据本发明的一较佳实施例，此旋窑炉碳化及活化程序的操作步骤是将咖啡豆渣放入热裂解反应管23中，并盖上加热区22的保护盖25，由操作面板27设定升温程序，开启气体钢瓶26，使其气体充满热裂解反应管23，再以10℃/min的速率升温(升温程序如图3所示)至700-900℃后，维持恒温1～3小时，使热裂解反应进行以完成碳化及活化程序，而得到一活性碳粗成品。
粗成品后处理
将粗成品加入250ml的0.5N盐酸溶液中，在85℃下进行酸洗30分钟，通过抽气过滤移除滤液，再加入85℃蒸馏水250ml进行水洗30分钟，并去除滤液，重复水洗步骤直至滤液的pH值大于6为止。将样品以丙酮浸泡并以超声波震荡1小时，再抽气过滤，重复此步骤数次直至滤液澄清，最后以蒸馏水淋洗数次，再将样品送入200℃烘箱中12~24小时，取出置入干燥器中并抽真空置冷，而获得一活性碳成品。
由上述步骤制得的活性碳成品，经委托台湾大学化工系与中央大学化工系，以Micromeritics Instrument Corporation的ASAP 2000及2001型微孔隙分析仪进行比表面积值的测量，测得该活性碳成品的比表面积约为726~1317m2/g。表一为目前可行的活性碳制法所制得的活性碳的比表面积值比较。
表一
活性碳原料 比表面积值
商业化产品(甲) 300-600
商业化产品(乙) 950-1050
回收竹筷(水蒸气活化) 719
黑糖(水蒸气活化) 688
污泥(氯化锌活化) 585
稻壳(氯化锌活化) 1134
玉米穗轴(氯化锌活化) 1410
蔗渣(水蒸气活化) 657
花生壳(水蒸气活化) 549
开心果壳(水蒸气活化) 586
龙眼籽(水蒸气活化) 584
桃核(水蒸气活化) 632
橄榄核(水蒸气活化) 656
咖啡豆渣(碳酸钾活化) 1317
综上所述，以本发明的利用咖啡豆渣制造活性碳的方法所制得的活性碳，其比表面积可高达1,317m2/g，因此具有极高的吸附效能。故本发明可有效将咖啡豆渣转制成环工、食品等产业大量使用的活性碳产品，达到将废弃物资源化的目的。
当然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。
Claims (17)
1.一种利用咖啡豆渣制造活性碳的方法，其特征在于，包括下列步骤：
将该咖啡豆渣浸泡于一活化剂中，使该活化剂吸附在该咖啡豆渣表面；以及
将该浸泡过的咖啡豆渣移入一高温旋窑炉中进行碳化与活化反应，而获得一活性碳粗成品。
2.如权利要求1所述的制造活性碳的方法，其特征在于，该活化剂为碳酸盐系，而该碳酸盐系为碳酸钾、碳酸钙或碳酸镁。
3.如权利要求1所述的制造活性碳的方法，其特征在于，该活化剂浓度为10％～40％，而该浸泡时间为1～2小时。
4.如权利要求1所述的制造活性碳的方法，其特征在于，该咖啡豆渣在该高温旋窑炉中的反应温度为700-900℃。
5.如权利要求4所述的制造活性碳的方法，其特征在于，该反应温度是以10℃/min的升温速率来达到，而该反应时间为1～3小时。
6.如权利要求1所述的制造活性碳的方法，其特征在于，该高温旋窑炉包括一热裂解反应管。
7.如权利要求6所述的制造活性碳的方法，其特征在于，该热裂解反应管是由一不锈钢材质制成。
8.如权利要求6所述的制造活性碳的方法，其特征在于，该高温旋窑炉还包括一气体钢瓶，它提供一气体用以排除该热裂解反应管内的气体，使该反应可在缺氧条件下进行，而其中该气体为氮气。
9.如权利要求1所述的制造活性碳的方法，其特征在于，该粗成品须再经一粗成品后处理程序而得一活性碳成品，且其中，该粗成品后处理程序是对该粗成品进行下列步骤：
酸洗及水洗；
以丙酮浸泡并以超声波震荡1小时；
过滤去除丙酮；
以蒸馏水淋洗；以及
以200℃烘干12～24小时，而获得该活性碳成品。
10.如权利要求9所述的制造活性碳的方法，其特征在于，该酸洗步骤是以0.5N盐酸溶液在85℃下处理30分钟，再通过抽气过滤移除滤液。
11.如权利要求9所述的制造活性碳的方法，其特征在于，该水洗步骤是以85℃蒸馏水处理30分钟，再通过抽气过滤移除滤液，而该水洗步骤须重复至该滤液的pH值大于6为止。
12.如权利要求9所述的制造活性碳的方法，其特征在于，该活性碳成品的比表面积为726～1317m2/g。
13.一种活性碳，其特征在于，是利用咖啡豆渣为原料制成。
14.如权利要求13所述的活性碳，其特征在于，是由下列步骤制成：
将该咖啡豆渣浸泡于一活化剂中，使该活化剂吸附在该咖啡豆渣表面；以及
将该浸泡过的咖啡豆渣移入一高温旋窑炉中进行碳化与活化反应，而获得一活性碳粗成品。
15.如权利要求14所述的活性碳，其特征在于，该活化剂为碳酸盐系，而该碳酸盐系为碳酸钾、碳酸钙或碳酸镁，且该活化剂浓度为10％～40％。
16.如权利要求13所述的活性碳，其特征在于，该咖啡豆渣在该高温旋窑炉中的反应温度为700-900℃，而该反应温度是以10℃/min的升温速率来达到。
17.如权利要求13所述的活性碳，其特征在于，该粗成品须再经一粗成品后处理程序而得一活性碳成品，而该活性碳成品的比表面积为726～1317m2/g。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |