TW202140377A - 多孔性碳材與其製程方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭示了多孔性碳材與其製程方法。該多孔性碳材之製程方法包括下列步驟：步驟(1)，將一有機廢棄物進行一前處理；步驟(2)，將該前處理後之有機廢棄物在一第一少氧條件下進行一第一加熱裂解處理；步驟(3)，收集該有機廢棄物在該第一加熱裂解處理時所生成之一液態物質；且步驟(4)，將該液態物質在一第二少氧條件下進行一第二加熱裂解處理。該多孔性碳材具有較低的成本與較大的比表面積，其製程方法操作簡單方便，且快速節能。

Description

多孔性碳材與其製程方法

本發明係有關於一種多孔性碳材與其製程方法，更特別係有關於一種使用有機廢棄物轉換成多孔性碳材與其製程方法。

多孔性碳材具有豐富的孔洞結構和較高的比表表面積，在日常和工業生產中具有廣泛的應用，例如：有害氣體吸收，雜質的吸收，氣體的儲存藏和分離等。多孔性碳材在催化領域的應用研究進度越來越快，另外，由於多孔性碳材具有極大比表面積，也可以應用在代替電池及記憶體的超級電容器的電極材料。

已知的多孔性碳材有活性炭(ACF)，活性炭纖維(ACF)，碳分子篩(CMS)以及九十年代新發展起來的碳納米管(CNTs)和最近的石墨烯等。

習知無序的多孔性碳材有多種生物合成方法，包括金屬催化活化，有機氣凝膠的碳化物，使用矽納米粒子的模板合成等；有序的多孔性碳材是利用分子篩作為模板劑得到的；具有石墨結構的有序介孔碳材料可以通過高溫下將撓性結構的碳源轉化成具有高度有序結構的石墨材料；有序的片層結構但上述方法都屬於物理活化的方法，其製備過程繁瑣，製備週期長，且模板劑不能重複利用，成本較高。

另一製備多孔性碳材的方法為化學活化法，相較於物理活化的方法具有以下優點：(1)所需溫度較物理活化低；(2)通常僅一步活化， 操作簡單不繁瑣；(3)得到的多孔碳的相對較高；(4)得到的多孔碳具有穿透的比表面和窄的微孔；(5)活化劑價格低廉，種類多樣。

然而，目前習知多孔性碳材的生產方式，生產效率不佳，生產過程耗能，且有煙霧、臭味及焦油等問題尚待解決。此外，目前並無特別針對有機廢棄物產生的生質焦油再製為多孔性碳材的方法。

有鑒於此，有必要提出一種低成本的多孔性碳材，與快速且環保將有機廢棄物製成多孔性碳材的製程方法。

為解決上述問題，本發明的主要目的係提供一種多孔性碳材，能以較低的成本取得。本發明的另一目的係提供一種多孔性碳材之製程方法，係針對有機廢棄物進行熱裂解，並取得固體產物，液體產物，亦即生質焦油，與氣體產物，亦即合成氣。其中，液體產物亦即生質焦油。將有機廢棄物熱裂解後產生的液體產物進行第二次熱裂解，可以有效得到高品質的多孔性碳材。

為達到本發明的主要目的，本發明提供一種多孔性碳材，其比表面積在500至1500平方公尺/克之間，其特徵在於該多孔性碳材之製程方法包括下列步驟：

步驟(1)，將一有機廢棄物進行一前處理；

步驟(2)，將該前處理後之有機廢棄物在一第一少氧條件下進行一第一加熱裂解處理；

步驟(3)，收集該有機廢棄物在該第一加熱裂解處理時所生成之一液態物質；且

步驟(4)，將該液態物質在一第二少氧條件下進行一第二加熱裂解處理。

為達到本發明的另一目的，本發明提供一種多孔性碳材之製程方法，包括下列步驟：

步驟(1)，將一有機廢棄物進行一前處理；

步驟(2)，將該前處理後之有機廢棄物在一第一少氧條件下進行一第一加熱裂解處理；

步驟(3)，收集該有機廢棄物在該第一加熱裂解處理時所生成之一液態物質；且

步驟(4)，將該液態物質在一第二少氧條件下進行一第二加熱裂解處理。

根據本發明之一特徵，該步驟(1)係包含一除水處理與一破碎處理。

根據本發明之一特徵，在步驟(1)，將該有機廢棄物之含水率降低至60-30%，且有機廢棄物破碎至10mm以下。

根據本發明之一特徵，該步驟(2)之該第一加熱裂解處理係為一第一微波功率加熱裂解處理，該第一微波功率加熱裂解處理係將該前處理之有機廢棄物在該第一少氧條件下加熱至400-1200℃之間。

根據本發明之一特徵，在該步驟(2)進行前，更包含加入一第一微波吸收材料。

根據本發明之一特徵，該步驟(4)之該第二加熱裂解處理係為一第二微波功率加熱裂解處理，該第二微波功率加熱裂解處理係將該液態物質在該第二少氧條件下加熱至400-1200℃之間。。

根據本發明之一特徵，在該步驟(4)進行前，更包含加入一第二微波吸收材料。

本發明之多孔性碳材與多孔性碳材的製程方法具有以下功效：

1 使用微波加熱處理的熱效率極高，多孔性碳材的生產效率佳；

2 使用微波加熱處理的耗能極低，且無煙霧與臭味等問題；

3 使用微波加熱處理製成的多孔性碳材，具有極大的比表面積，品質較傳統加熱方式高。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖1顯示本發明之一種多孔性碳材的製程方法的流程圖。

雖然本發明可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於本文中說明者係為本發明可之較佳實施例。熟習此項技術者將瞭解，本文所特定描述且在附圖中繪示之裝置及方法係考量為本發明之一範例，非限制性例示性實施例，且本發明之範疇僅由申請專利範圍加以界定。結合一例示性實施例繪示或描述之特徵可與其他實施例之諸特徵進行結合。此等修飾及變動將包括於本發明之範疇內。

為達到本發明的目的，本發明提供一種多孔性碳材。多孔性碳材的孔隙分為微孔(<2nm)、中孔(2~50nm)和大孔(>50nm)三類。多孔性碳材作為電池的電極，主要靠電解質離子進入多孔性碳材的孔隙形成雙電層來存儲電荷。由於電解質離子難以進入對比表面積貢獻較大的、孔徑過小的超細微孔，這些微孔對應的表面積就成為無效表面積。所以除了比表面積外，孔徑分布也是一個非常重要的參數，而且不同電解質所要求的最小孔徑是不一樣的。本發明之多孔性碳材，在使用裂解生質焦油後產生的多孔性碳材，其比表面積可以到達500-1500平方公尺/克。

現請參考圖1，其顯示本發明之一種多孔性碳材的製程方法的流程圖。該製程方法包括下列步驟：

步驟(1)，將一有機廢棄物進行一前處理；

步驟(2)，將該前處理後之有機廢棄物在一第一少氧條件下進行一第一加熱裂解處理；

步驟(3)，收集該有機廢棄物在該第一加熱裂解處理時所生成之一液態物質；且

步驟(4)，將該液態物質在一第二少氧條件下進行一第二加熱裂解處理。

有機廢棄物泛指的是動物、植物、微生物之殘體或是其自然活動產生的廢棄物質，如生產或消費過程所產生的無用、不要或丟棄的物質，包括氣態、液態及固態廢棄物。有機廢棄物種類可分為事業有機廢棄物、農業有機廢棄物與民生有機廢棄物三大類。事業有機廢棄物來自：食品工廠、釀酒、廠屠宰場、餐廳、市場、醫院、飯店、生物污泥...等。農業有機廢棄物來自：花園、蔬果、養菇場、農場、林木業、養雞場、養牛場、養羊場...等。民生有機廢棄物來自：廚餘、政府機關、軍事單位、學校、監獄、社區...等。

其中該步驟(1)係包含一除水處理與一破碎處理。

該除水處理先將該有機廢棄物之含水率降低至60-30%。較佳的，將該有機廢棄物之含水率降低至50-30%，可縮短後續加熱裂解反應之時間。該除水處理係指將該有機廢棄物之含水率降低，可選自機械脫水或乾燥脫水之一。機械脫水原理主要可分為真空過濾脫水、壓濾脫水及離心脫水三大類。真空過濾脫水又稱為減壓過濾，利用抽氣減壓裝置將下腔的空氣部分抽除，造成壓力差，使液體在重力與壓力差的雙重作用下加速過濾，以達到快速分離液體與固體沉澱物之目的；壓濾脫水由由機架、濾板、濾布等機件組成，待處理物壓送接觸濾布時，較大顆粒在濾布孔洞前產生架橋作用行成濾餅而達固液分離效果；離心脫水主要藉由高速旋轉產生的離心力作用下，固體顆粒被甩貼在內壁上，形成固體層，藉此達脫水效果。乾燥脫水採加熱處理方式，例如通過曝曬乾燥、熱風乾燥、火爐加熱、電 熱乾燥、微波乾燥等，一般乾燥至100℃至150℃高溫，時間約10分鐘到30分鐘，可使該有機廢棄物水分蒸發，達到該有機廢棄物之除水目的。較佳地，為了達到快速除水，在本發明的一實施例中，該除水處理係採用微波乾燥，以將該有機廢棄物之含水率降低至60-30%。

該破碎處理係將有機廢棄物破碎至較小的尺寸。由於有機廢棄物不是均質材料，不同的形狀和結構會影響熱傳，進而影響熱裂解效果，因此需將較大型之有機廢棄物破碎，以能均勻混合之尺寸為佳。破碎方式採機械處理，可選用粉碎機、破碎機及絞碎機等。該破碎處理係將有機廢棄物破碎至10mm以下，較佳係至5mm以下。

在步驟(2)中，該第一少氧條件下係選自使用限制進氣設計或通入惰性氣體之一。該第一加熱裂解處理包含火爐熱裂解、電熱熱裂解、紅外線熱裂解或微波加熱熱裂解。熱裂解是一種將有機物質在高溫、無氧或少氧條件下，分解成生物炭、生物油和可燃氣的熱化學反應過程。該少氧條件係指加熱過程中，加熱腔體內的氧氣量少於一般空氣的氧氣量，該少氧條件是指該氧氣量為一般空氣氧氣量的三分之一以下，較佳地，該少氧條件是指該氧氣量為一般空氣氧氣量的十分之一以下。該少氧條件也可以透過限制進氣設計，亦即加熱腔體在反應過程，只有抽氣，而沒有進氣。藉由開始氧氣消耗完畢，沒有後續氧氣補充達到限制進氣設計。該少氧條件也可以持續通入惰性氣體，例如氮氣或氬氣，其流量速度與加熱腔體的容量成正比。

在步驟(2)中，該第一加熱裂解處理較佳地係為微波加熱熱裂解。該微波加熱熱裂解係將該前處理後之有機廢棄物在該少氧條件下加熱至400-900℃之間。微波是一種電磁波，微波加熱乃利用輻射原理，透過介質表面進入物質內部，介質將吸收之微波能轉換成熱量而達到加熱之目的。該破碎處理後之有機廢棄物的熱裂解在高溫、少氧狀態開始進行反應， 依不同反應物與欲取得之產物類型，調整加熱溫度，範圍控制在400-1200℃之間，且持續加熱一段時間。較佳地，該微波加熱處理係將該破碎處理後之有機廢棄物在該少氧條件下加熱至500-800℃之間。所需要的微波功率與加熱腔體的容量以及所處理的有機廢棄物重量有關，在本發明中，為了達到有效的溫度範圍，該微波加熱處理的微波功率的範圍係：有機廢棄物重量在100公斤以下用4KW到6KW，有機廢棄物重量在100公斤至300公斤時用6KW到9KW，有機廢棄物重量在300公斤至1000公斤時用9KW到15KW。

步驟(2)更包含：加入一微波吸收物質。該微波吸收物質係選自於含碳物質、金屬顆粒或金屬氧化物粉末，與其混合物。微波吸收物質能吸收微波之能量，藉由均勻混合於該破碎處理後之有機廢棄物，使該破碎處理後之有機廢棄物可均勻受熱，加速反應速率。其中含碳物質可選用碳黑、石磨、活性碳及碳纖維等，與其混合物；金屬顆粒可選用碳素鐵、鎳銅鋅鐵氧磁體、鎳鋅鐵氧磁體、錳鋅鐵氧磁體或相關金屬物質或奈米金屬物質，或其混合物；金屬氧化物粉末可選用氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋇、氧化鋁、氧化矽、氧化鐵、氧化鋯、氧化釩、氧化鐵、氧化鈦、氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、碳酸鎂、碳酸鈣、碳酸鍶、碳酸鋇、碳酸鋁等，具有高介電常數的氧化物或碳氧化物材料，與其混合物。該微波吸收物質在該前處理後之有機廢棄物的添加量，係為該前處理後之有機廢棄物的重量百分比的2%至30%之間。較佳地，該微波吸收物質在該前處理後之有機廢棄物的添加量，係為該前處理後之有機廢棄物的重量百分比的5%至10%之間。需注意的是，加入一微波吸收物質可以在進行步驟(3)之前加入即可。

在步驟(3)中，收集該有機廢棄物在該第一加熱裂解處理時所生成之一液態物質。在步驟(2)中，該有機廢棄物分解成一氣態物質與一固態 物質。該氣態物質經過後續的冷凝，會分成一液體物質，亦即生質焦油，與氣體產物，亦即合成氣(主要是氫氣、甲皖與一氧化碳)。該固態物質主要是類似生物炭材料。

在步驟(4)中，將該液態物質在一第二少氧條件下進行一第二加熱裂解處理。該第二少氧條件下係選自使用限制進氣設計或通入惰性氣體之一。該第二加熱裂解處理包含火爐熱裂解、電熱熱裂解、紅外線熱裂解或微波加熱熱裂解。熱裂解是一種將有機物質在高溫、無氧或少氧條件下，分解成生物炭、生物油和可燃氣的熱化學反應過程。該少氧條件係指加熱過程中，加熱腔體內的氧氣量少於一般空氣的氧氣量，該少氧條件是指該氧氣量為一般空氣氧氣量的三分之一以下，較佳地，該少氧條件是指該氧氣量為一般空氣氧氣量的十分之一以下。該少氧條件也可以透過限制進氣設計，亦即加熱腔體在反應過程，只有抽氣，而沒有進氣。藉由開始氧氣消耗完畢，沒有後續氧氣補充達到限制進氣設計。該少氧條件也可以持續通入惰性氣體，例如氮氣或氬氣，其流量速度與加熱腔體的容量成正比。

在步驟(4)中，該第二加熱裂解處理較佳地係為微波加熱熱裂解。該微波加熱熱裂解係將該液態物質在該少氧條件下加熱至400-900℃之間。微波是一種電磁波，微波加熱乃利用輻射原理，透過介質表面進入物質內部，介質將吸收之微波能轉換成熱量而達到加熱之目的。該液態物質的熱裂解在高溫、少氧狀態開始進行反應，調整加熱溫度，範圍控制在400-1200℃之間，且持續加熱一段時間。較佳地，該微波加熱處理係將該液態物質在該少氧條件下加熱至500-800℃之間。所需要的微波功率與加熱腔體的容量以及所處理的液態物質重量有關，在本發明中，為了達到有效的溫度範圍，該微波加熱處理的微波功率的範圍係：液態物質重量在100公斤以下用4KW到6KW，液態物質重量在100公斤至300公斤時用6KW到9KW，液態物質重量在300公斤至1000公斤時用9KW到15KW。

步驟(4)更包含：加入一微波吸收物質。該微波吸收物質係選自於含碳物質、金屬顆粒或金屬氧化物粉末，與其混合物。微波吸收物質能吸收微波之能量，藉由均勻混合於該破碎處理後之有機廢棄物，使該破碎處理後之有機廢棄物可均勻受熱，加速反應速率。其中含碳物質可選用碳黑、石磨、活性碳及碳纖維等，與其混合物；金屬顆粒可選用碳素鐵、鎳銅鋅鐵氧磁體、鎳鋅鐵氧磁體、錳鋅鐵氧磁體或相關金屬物質或奈米金屬物質，或其混合物；金屬氧化物粉末可選用氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋇、氧化鋁、氧化矽、氧化鐵、氧化鋯、氧化釩、氧化鐵、氧化鈦、氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、碳酸鎂、碳酸鈣、碳酸鍶、碳酸鋇、碳酸鋁等，具有高介電常數的氧化物或碳氧化物材料，與其混合物。該微波吸收物質在該液態物質的添加量，係為該液態物質的重量百分比的2%至30%之間。較佳地，該微波吸收物質在該液態物質的添加量，係為該液態物質的重量百分比的5%至10%之間。

該多孔性碳材，能以較低的成本取得。該多孔性碳材之製程方法，係針對有機廢棄物進行熱裂解，特別是微波加熱熱裂解，並取得固體產物，液體產物，亦即生質焦油，與氣體產物，亦即合成氣。其中，液體產物亦即生質焦油。將有機廢棄物熱裂解後產生的液體產物進行第二次熱裂解，特別是微波加熱熱裂解，可以有效得到高品質的多孔性碳材。亦即是，本發明揭示，有機廢棄物藉由兩次的微波加熱熱裂解，即可得到高品質低成本的多孔性碳材。

本發明之多孔性碳材與多孔性碳材的製程方法具有以下功效：

1 使用微波加熱處理的熱效率極高，多孔性碳材的生產效率佳；

2 使用微波加熱處理的耗能極低，且無煙霧與臭味等問題；

3 使用微波加熱處理製成的多孔性碳材，具有極大的比表面積，品質較傳統加熱方式高。

雖然本發明已以前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。如上述的解釋，都可以作各型式的修正與變化，而不會破壞此發明的精神。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

1. 一種多孔性碳材，其比表面積在500至1500平方公尺/克之間，其特徵在於該多孔性碳材之製程方法包括下列步驟：

   步驟(1)，將一有機廢棄物進行一前處理；

   步驟(2)，將該前處理後之有機廢棄物在一第一少氧條件下進行一第一加熱裂解處理；

   步驟(3)，收集該有機廢棄物在該第一加熱裂解處理時所生成之一液態物質；且

   步驟(4)，將該液態物質在一第二少氧條件下進行一第二加熱裂解處理。
2. 如請求項1之多孔性碳材，其中該步驟(2)之該第一加熱裂解處理係為一第一微波功率加熱裂解處理，該第一微波功率加熱裂解處理係將該前處理之有機廢棄物在該第一少氧條件下加熱至400-1200℃之間。
3. 如請求項1之多孔性碳材，其中該步驟(4)之該第二加熱裂解處理係為一第二微波功率加熱裂解處理，該第二微波功率加熱裂解處理係將該液態物質在該第二少氧條件下加熱至400-1200℃之間。
4. 一種多孔性碳材之製程方法，包括下列步驟：

   步驟(1)，將一有機廢棄物進行一前處理；

   步驟(2)，將該前處理後之有機廢棄物在一第一少氧條件下進行一第一加熱裂解處理；

   步驟(3)，收集該有機廢棄物在該第一加熱裂解處理時所生成之一液態物質；且

   步驟(4)，將該液態物質在一第二少氧條件下進行一第二加熱裂解處理。
5. 如請求項4之多孔性碳材之製程方法，其中該步驟(1)係包含一除水處理與一破碎處理。
6. 如請求項5之多孔性碳材之製程方法，其中在步驟(1)，將該有機廢棄物之含水率降低至60-30%，且有機廢棄物破碎至10mm以下。
7. 如請求項4之多孔性碳材之製程方法，其中該步驟(2)之該第一加熱裂解處理係為一第一微波功率加熱裂解處理，該第一微波功率加熱裂解處理係將該前處理之有機廢棄物在該第一少氧條件下加熱至400-1200℃之間。
8. 如請求項7之多孔性碳材之製程方法，其中在該步驟(2)進行前，更包含加入一第一微波吸收材料。
9. 如請求項4之多孔性碳材之製程方法，其中該步驟(4)之該第二加熱裂解處理係為一第二微波功率加熱裂解處理，該第二微波功率加熱裂解處理係將該液態物質在該第二少氧條件下加熱至400-1200℃之間。。
10. 如請求項9之多孔性碳材之製程方法，其中在該步驟(4)進行前，更包含加入一第二微波吸收材料。

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