一种纤维状生物炭及其制备方法和应用
【专利摘要】本发明提供了一种纤维状生物炭的制备方法，其包括如下步骤：对纺织品进行预处理得到处理物，粉碎处理物后得到粉状物，对粉状物进行炭化得到纤维状生物炭；本发明的制备方法能够以废旧的纺织品为原料，有利于实现废物的资源化利用；另外，本发明的制备方法通过采用处理剂对纺织品进行预处理以及调节升温速率和炭化温度等措施提高了纤维状生物炭的产率，从而得到了具有较高含碳量和较大的碘吸附值的纤维状生物炭。
【专利说明】
-种纤维状生物炭及其制备方法和应用
技术领域
[0001] 本发明属于环境工程技术领域，设及一种纤维状生物炭及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 人们的衣物多由纺织品制成。一方面，生产运些衣物的纺织厂每年会产生大量的 边角料；另一方面，随着人们衣物更新的加快，也会产生大量的废旧衣物。若直接丢弃运些 边角料或废旧衣物，则不仅会造成环境污染，而且也会造成资源的浪费。因此，如何资源化 利用边角料或废旧衣物就成为亟待解决的课题。
【发明内容】
[0003] 本发明的主要目的在于提供一种纤维状生物炭的制备方法，该方法不仅能够对废 旧的纺织品进行资源化利用，而且还能得到具有较高产率的纤维状生物炭。
[0004] 本发明的另一个目的在于提供一种由上述的制备方法制成的纤维状生物炭。
[0005] 本发明的第Ξ个目的在于提供一种上述的纤维状生物炭的应用。
[0006] 为达到上述目的，本发明的解决方案是：
[0007] -种纤维状生物炭的制备方法，其包括如下步骤：
[000引对纺织品进行预处理得到处理物，粉碎处理物后得到粉状物，在反应系统中对粉 状物进行炭化得到纤维状生物炭和气体，并使气体回流至反应系统中。
[0009] 其中，上述的纺织品可W为含纤维的棉纺织品、含纤维的麻纺织品或者含纤维的 棉麻纺织品。
[0010] 上述的纺织品可W含有30-60wt%的棉，还可W含有20-45wt%的麻，也可W含有 30-60wt%的棉和20-45wt%的麻，余量为其它组分。
[0011] 上述的预处理包括如下步骤:将纺织品在80±10°C的处理剂中浸溃并不断揽拌， 30 ± 1 Omin后挤出水分，于60 ± 10°C下热风干燥，得到处理物。
[0012] 上述的处理剂是硝酸盐和憐酸盐:(1-3)的摩尔比组成的混合液。
[0013] 上述的处理物和/或粉状物的含水率《10%，粉状物的粒径《20目。
[0014] 上述的炭化包括如下步骤:将粉状物在惰性气体的保护下W5-8°C/min的升溫速 率升溫至280-480°C，然后炭化0.5-化，得到纤维状生物炭。
[0015] 上述的方法将产生的气体回流至反应系统，然而，根据具体情况，也可W不进行上 述回流。
[0016] -种由上述的方法制备而成的纤维状生物炭，其纤维长度为50-400μπι，纤维直径 为2-20皿。
[0017] -种由上述的方法制备而成的纤维状生物炭作为大气污染物或水体污染物的吸 附剂的应用。
[001引由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
[0019]首先，本发明的纤维状生物炭的制备方法具有丰富的原料来源，可W为废弃的纺 织品或者纺织厂在生产纺织品时产生的边角料，不仅能够节约煤、焦油w及木材等不可再 生资源，而且还有利于实现废物的资源化利用。
[0020] 其次，本发明的制备方法通过采用处理剂对纺织品进行预处理W及调节升溫速率 和炭化溫度等措施提高了纤维状生物炭的产率，从而得到了具有较高含碳量和较大的舰吸 附值的纤维状生物炭。
[0021] 另外，现有技术的生物炭的制备方法往往只能够得到生物炭，若要得到纤维状生 物炭还需要对生物炭进行纤维化的过程，而本发明的制备方法W含纤维的纺织品为生产原 料来直接制备纤维状生物炭，该纤维状生物炭直接呈现纤维形态，故能够省略对生物炭进 行纤维化的过程，大大简化了工艺流程。
【附图说明】
[0022] 图1为含纤维的纺织品的电镜图。
[0023] 图2为本发明实施例一的纤维状生物炭的电镜图。
[0024] 图3为表示生物炭产率的柱状图。
【具体实施方式】
[0025] 本发明提供了一种纤维状生物炭及其制备方法和应用。
[0026] <纤维状生物炭〉
[0027] -种纤维状生物炭，其W纺织品为生产原料制成。纺织品可W为含纤维的棉纺织 品，也可W为含纤维的麻纺织品，还可W为含纤维的棉麻纺织品。纺织品中所含的纤维如图 1所示。
[00%]含纤维的棉纺织品含有30-60wt %的棉;含纤维的麻纺织品含有20-45wt %的麻； 含纤维的棉麻纺织品含有30 - 60wt %的棉和20 - 45wt %的麻。
[0029] 本发明的纤维状生物炭呈现纤维状，在540倍电镜下观察，其纤维长度为50-400μ 111，纤维直径为2-2〇111]1。
[0030] <纤维状生物炭的制备方法〉
[0031] -种纤维状生物炭的制备方法，其包括如下步骤：
[0032] (1)、预处理步骤：
[0033] 将纺织品在80±10°C的处理剂中浸溃并不断揽拌，30±10min后挤出水分，然后于 60 ± 10°C下热风干燥，得到处理物。
[0034] 其中，处理剂为硝酸盐和憐酸盐:(1-3)的摩尔比组成的混合液。
[0035] 硝酸盐溶液的摩尔浓度可W为0.2-0.8mol/L，憐酸盐溶液的摩尔浓度可W为0.1- 0.4mol/L。
[0036] 硝酸盐溶液中含有的硝酸盐可W为硝酸钢或硝酸钟，憐酸盐溶液中含有的憐酸盐 可W为憐酸钢或憐酸钟。
[0037] 本发明采用同时含有憐酸盐和硝酸盐的处理剂对纺织品进行预处理，其原因如 下：
[0038] 第一、憐酸盐含有憐元素，硝酸盐含有氮元素，二者均可作为无机阻燃剂，能够降 低炭化的溫度，提高纤维状生物炭的产率。
[0039] 第二、氮元素的存在能够促进纺织品中的纤维在热解时的脱憐酷和酸催化脱水反 应，憐元素的存在能够促进纺织品在受热时碳的生成，提高热解阶段产生的残渣中纤维状 生物炭的含量。
[0040] (2)、粉碎步骤：
[0041] 将步骤（1)所得的处理物粉碎为粒径《20目的粉状物，同时保证粉状物的含水率 《10 %。若粉状物的含水率〉10 %，则可W继续进行热风干燥，直至粉状物的含水率《10 % 为止。
[0042] 本发明将处理物粉碎为粒径《20目的粉状物，其原因如下：
[0043] 第一、若粉状物的粒径大于20目，在相同条件下炭化不完全，终产物的颜色呈灰色 而不是黑色。
[0044] 第二、随着粒径的增大，炭化溫度也随之增加。若粉状物的粒径大于20目，则需要 较高的炭化溫度，不经济。
[0045] (3)、炭化步骤：
[0046] 将步骤（2)所得的粉状物在惰性气体的保护下W5-8°C/min的升溫速率升溫至 280-480°C，炭化0.5-化，得到纤维状生物炭。
[0047] 其中，惰性气体可W为氮气。
[0048] 炭化是一个复杂的化学反应过程，是有机物的分解与缩合共同作用的化学转化过 程，不仅包括大分子的化学键断裂、异构化，也包括小分子的聚合反应。在炭化过程中，原料 中的纤维素、木质素等物质发生了热解过程，产生一些小分子含碳有机物和无机物等物质， 例如生物炭（固相物质）、生物油(液相物质)和气体(气相物质），因此，炭化反应的产物为Ξ 相物质，其反应过程可W用下式进行表示:生物质(含有纤维素、木质素等生物炭+生物 油+气体。生物油又称为燃料油，其主要成分为醇类、酸类、酬类、酪类和烧控类等。气体又称 为燃料气，其主要成分为此、C0、C02、CH4和/或N曲。本发明的其中一个目的是提高生物炭的 产率，减少生物油和气体的产生。
[0049] 根据热解炭化的原理，为了提高纤维状生物炭（即固相物质）的产率，需要在较低 的升溫速率下进行，故结合设备的特点将升溫速率确定为5 - 8 °C /min。
[0050] 另外，虽然本发明采用低升溫速率，但还是会产生气体。因为出口处的气体溫度较 高，为了增加原料的传热系数和提高氮气的溫度，可W将出口处的气体通过气累使其回流 到进口处，并随着氮气再次流经反应体系，由此，炭化过程产生的气体随着惰性气体的流动 在整个反应系统中循环流动。
[0051] 为了实现炭化过程产生的气体的循环流动，需要在反应系统的出口处和进口处分 别接Ξ通管，进口处的Ξ通管用于通入惰性气体和回流的气体，出口处的Ξ通管用于排出 待回流的气体，进口处的Ξ通管和出口处的Ξ通管通过管道相连，管道上设置有气累，气累 用于使出口处的气体W-定的压力和流量回流至进口处。
[0052] 炭化反应的产物为Ξ相物质，为了提高固相物质（即纤维状生物炭）的产率，本发 明从处理剂、升溫速率和气体回流等方面进行综合研究，将处理剂优选为硝酸盐溶液和憐 酸盐溶液:(1-3)的摩尔比组成的混合液，将升溫速率优选为5-8°C/min,同时使炭化反 应所产生的气体随着惰性气体回流至反应系统中。
[0化3] 经过测定可知，本发明的纤维状生物炭的产率为39-68%，含碳量为55-78%，舰吸 附值为3800-4500mg/g，并且Ξ者均与炭化反应的溫度有关，如表1所示。
[0054] 其中，纤维状生物炭的产率为炭化反应所得到的固相物质（即小分子含碳有机物） 占原料的重量的百分比。
[0055] 纤维状生物炭的含碳量是指纤维状生物炭中的碳元素的含量，碳含量越高越有利 于碳储存。具有较高含碳量的纤维状生物炭不仅可W减少肥料的用量，还可W减少溫室气 体的排放，对实现炭的减排将非常有意义。
[0056] 纤维状生物炭的舰吸附值指的是制备出的纤维状生物炭的吸附能力，说明该纤维 状生物炭中微孔的发达程度，舰吸附值越高，对小分子物质吸附能力越强。
[0057] 表1纤维状生物炭的性质与炭化反应溫度的对应关系表
[0化引 ____
[0059] 从表1可W得知，炭化溫度越高，纤维状生物炭的产率越低，因为溫度越高，产生的 液体和气体越多，相应产生的固体就越少。
[0060] 炭化溫度越低，纤维状生物炭的产率越高，然而，炭化溫度越低，炭化就越不完全， 使得终产物中含有部分未炭化原料，从而终产物的颜色呈灰色而不是黑色;另外，炭化溫度 越低，舰吸附值也相应变小，说明生物炭吸附能力减小，所W炭化溫度确定为280-480°C，可 W 优选为 300-450 °C。
[0061] <纤维状生物炭的用途〉
[0062] 本发明的纤维状生物炭可W用于作为大气污染物或水体污染物的吸附剂，运是因 为纤维状生物炭具有较高的舰吸附值，说明其具有发达的微孔和很强的吸附能力。
[0063] 另外，本发明制得的纤维状生物炭也含有含钟、钢等元素，可直接应用于植物栽 培、±壤改良或±壤保水等领域，或者吸附污染物后再应用于植物栽培、±壤改良或±壤保 水等领域。
[0064] W下结合对比例和实施例对本发明作进一步的说明。
[0065] 对比例
[0066] 本对比例提供了一种纤维状生物炭的制备方法，其包括如下步骤：
[0067] 将3.8727g纺织品粉碎为粒径《20目的粉状物，进行干燥直至粉状物的含水率《 10%，然后将该粉状物在氮气的保护下W5°C/min的升溫速率升溫至350°C进行炭化，炭化 时间为1.化，得到1.3167g纤维状生物炭。
[0068] 由此可知，本对比例的纤维状生物炭的产率为(1.3167/3.8727 X 100 % > 34%)，含碳量为53%(通过元素分析仪测得），舰吸附值为3154mg/g。舰吸附值是根据GB/ T12496.8-1999《木质活性炭试验方法舰吸附值的测定》进行测定的，因为生物炭和活性炭 的性质是非常相似的，只是孔径的分布发生了变化，生物炭是制备活性炭的基础；同时纺织 品也含有大量纤维素类成分，所W可采用木质国标。
[0069] 实施例一
[0070] 本实施例提供了一种纤维状生物炭的制备方法，其包括如下步骤：
[0071] (1)、将4.685：3g纺织品置于80°C的处理剂中浸溃并不断揽拌，30min后挤出水分， 然后于60°C下进行热风干燥，得到处理物；
[0072] (2)、将步骤（1)所得的处理物粉碎为粒径《20目的粉状物，继续于60°C下进行热 风干燥直到粉状物的含水率《10% ;若含水率已经《10%，则不必再进行热风干燥；
[0073] (3)、将步骤(2)所得的粉状物在氮气的保护下W5°C/min的升溫速率升溫至350°C 进行炭化，炭化时间为1.化，得到2.1459g纤维状生物炭(如图2所示）。
[0074] 其中，在步骤（1)中，处理剂是硝酸盐溶液和憐酸盐溶液Wl:l的摩尔比组成的混 合液。
[0075] 经测定得知，本实施例的纤维状生物炭的产率为49%，含碳量为69%，舰吸附值为 4474mg/g。由此可W得知，经过预处理后，纤维状生物炭的产率有了大幅度地提高。
[0076] 发明人也在40(TC进行了炭化（其他条件与实施例一相同），所得的结果如图3所 示。图3的纵坐标表示生物炭的产率，分为有处理剂组和无处理剂组，每组的炭化溫度又分 别为 350°C 和400°C。
[0077] 由图3可知，在同一炭化溫度(350°C或400°C)下，有处理剂组生物炭的产率高于无 处理剂组的生物炭的产率。其中，在350°C的炭化溫度下，有处理剂组生物炭的产率为49%， 比无处理剂组的生物炭的产率高15%;在400°C的炭化溫度下，有处理剂组生物炭的产率为 44%，比无处理剂组的生物炭的产率高20%。
[0078] 由图3可知，无论是否使用处理剂对原料进行处理，随着炭化溫度的升高，生物炭 的产率是下降的。
[0079] 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发 明。熟悉本领域技术的人员显然可W容易地对运些实施例做出各种修改，并把在此说明的 一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例， 本领域技术人员根据本发明的掲示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发 明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种纤维状生物炭的制备方法，其特征在于:包括如下步骤： 对纺织品进行预处理得到处理物，粉碎所述处理物后得到粉状物，对所述粉状物进行 炭化得到纤维状生物炭。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述纺织品为棉纺织品和/或麻纺织品。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述纺织品含有30-60wt%的棉，和/或，含 有20-45wt%的麻。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述预处理包括如下步骤:将所述纺织品 在80 ± 10°C的处理剂中浸渍并不断搅拌，30 ± lOmin后挤出水分，于60 ± 10°C下热风干燥， 得到所述处理物。5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于:所述处理剂是硝酸盐和磷酸盐以1: (1 - 3) 的摩尔比组成的混合液。6. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于:所述处理物和/或所述粉状物的含水率< 10%〇7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述粉状物的粒径<20目。8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述炭化包括如下步骤:将所述粉状物在 惰性气体的保护下以5-8°C/min的升温速率升温至280-480°C，然后炭化0.5-2h，得到所述 纤维状生物炭。9. 一种由权利要求1至8任一所述的方法制备而成的纤维状生物炭，其特征在于:所述 纤维状生物炭的纤维长度为50-400μπι，纤维直径为2-20μπι。10. -种由权利要求1至8任一所述的方法制备而成的纤维状生物炭作为大气污染物或 水体污染物的吸附剂的应用。
【文档编号】C02F1/28GK105970359SQ201610289919
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】谢伟雪, 赵由才, 刘孝敏, 李杭芬, 曾超, 罗安然, 周涛, 牛冬杰, 柴晓利
【申请人】同济大学