一种高性能生物质活性炭纤维的制备方法【专利摘要】本发明涉及一种利用丝瓜络制备高性能生物质活性炭纤维的方法，它包括如下步骤：1）碱处理：将圆柱状体丝瓜络在氢氧化钠水溶液中浸泡脱胶，然后清洗至中性，烘干后得到碱处理过的干丝瓜络；2）改性：将碱处理过的干丝瓜络与水溶性酚醛树脂混合，充分浸渍24-48h，浸渍过后烘干；3）炭活化：先将改性后的丝瓜络在一定温度下预氧化2h，然后在惰性保护气体下，将浸渍后的丝瓜络进行炭化，得生物质活性炭纤维；4）后处理：将生物质活性炭纤维用稀酸浸泡以除去产物中的灰分，再用水洗涤至中性，烘干即得高性能生物质活性炭纤维。与现有的生物质活性炭纤维的制备方法相比，制备工艺制备成本低，无污染，环保，且产品抗压强度好，可以用作滤料和电极。【专利说明】一种高性能生物质活性炭纤维的制备方法【
技术领域：
】[0001]本发明涉及一种活性炭的制备方法，特别涉及一种利用农业产品丝瓜络为原料，用水溶性酚醛树脂改性来制备高性能生物质活性炭纤维。【
背景技术：
】[0002]丝瓜(Luffacylindria)又名天罗絮、天络和变瓜等，属一年生葫芦科攀援草木。丝瓜分普丝瓜(LuffacylindvicaRoem)和有棱丝瓜(LuffaacutangulaRoxb),原产印度，广泛分布于亚洲的热带、亚热带及温带地区，丝瓜是夏季主要蔬菜之一，因此在我国江浙沪和广东、广西种植极为普遍。一般以嫩瓜作为菜用，做汤味道爽口鲜美。丝瓜络(VegetableSpongeofLuffa)又名丝瓜网、天罗线、天罗筋等,是丝瓜成熟后的果实中厚厚的皮和多方向的纤维层组成的三维纤维管束，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其纤维素含量高达60%以上。目前，丝瓜络的研究主要集中在其药用价值和制备日常使用的沐浴、洗漱用品。《本草纲目》记载其能通人脉络脏腑，而去风解毒，消肿化痰，袪痛杀虫，治诸血病。在日常使用物品方面，已有多项发明，如丝瓜络肥皂、丝瓜络床垫、丝瓜络清洁刷、丝瓜络鞋垫等等。[0003]由上可知，目前对丝瓜络的加工和处理技术都还比较原始，大多利用了其天然维管束结构。[0004]目前生物质活性炭纤维的制备按活化方法主要分为两大类，物理活化和化学活化。[0005]物理活化大多采用CO2和水蒸气。首先把生物质材料在惰性气体保护下制备成为碳基体，然后在高温下通入CO2或水蒸气(水蒸气需要通过其他惰性气体载气)，通过CO2和水蒸气对碳基体的蚀刻作用形成孔隙，从而来制备活性炭材料。物理活化方法可以制备出大比表面积的活性炭，但是物理活化需要达到很高的活化温度，才能出现明显的活化效果，温度必须达到800°c以上，才会制得大比表面积的活性炭。这对其实验设备要求很高，并且能耗大，由于温度高，产品的产率很低。[0006]化学法活化是采用化学活化剂浸溃碳材料，利用化学活化剂在高温下与碳材料反应从而制得活性碳材料的方法。化学活化法一般是碳化过程与活化过程一起进行，在碳化的同时就构筑了孔隙。化学活化剂的制孔机理一般为:活化剂占据物理空间，在高温下蚀刻碳基体，最后气化排出。现今主要用作化学活化的活化剂主要有:ZnCl2，KOH，NaOH，H3PO4和K2CO3。化学活化相比物理活化温度条件要求更低，只需要维持惰性气氛，一般在900°C以下，便可得到高性能活性炭。而且由于化学活化剂的加入，制备的活性炭表面基团含量更丰富，制备出的活性炭更具功能性。但是化学活化剂的加入有可能使活性炭表面带有特定基团，有可能对一些特征污染物的处理起到抑制作用，因此也局限了活性炭纤维的应用领域。【
发明内容】[0007]本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种高性能生物质活性炭纤维的制备方法，该方法具有成本低、吸附性能好、环保的特点，制备出来的产品，能保持原有的形状，并且有较好的抗压强度。[0008]本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为:[0009]一种高性能生物质活性炭纤维制备方法，它包括如下步骤:[0010]I)碱处理:将圆柱状体丝瓜络在氢氧化钠水溶液中浸泡脱胶，然后清洗至中性，烘干后得到碱处理过的干丝瓜络；[0011]2)改性:将碱处理过的干丝瓜络与水溶性酚醛树脂混合，充分浸溃24_48h，浸溃过后烘干；[0012]3)炭化活化:先将改性后的丝瓜络在一定温度下预氧化2h，然后在惰性保护气体下，将浸溃后的丝瓜络进行炭化活化，得生物质活性炭纤维；[0013]4)后处理:将生物质活性炭纤维用稀酸浸泡以除去产物中的灰分，再用水洗涤至中性，烘干即得高性能生物质活性炭纤维。[0014]按上述方案，所述丝瓜络的制备工艺是:将正常生长成熟后的植物丝瓜果实，经过自然风干或烘干后，切割成5?IOcm长的圆柱状体，除去表皮以及孔隙内部的丝瓜种子，得到圆柱状体丝瓜络；[0015]按上述方案，所述氢氧化钠水溶液的质量分数为2%?5%。[0016]按上述方案，步骤2)中所述水溶性酚醛树脂固含量在35%?37%之间。[0017]按上述方案，步骤3)中所述预氧化的温度160_200°C[0018]按上述方案，步骤3)中所述炭化的温度600_850°C。[0019]按上述方案，步骤4)中所述的稀酸是盐酸、硫酸、醋酸、硝酸等常用酸的水溶液，浓度为0.5?1.5mol/L。[0020]按上述方案，步骤2)、步骤3)和步骤4)中所述烘干的温度为100?105°C，时间为10?20h。[0021]针对现在利用生物质为原料制备的高性能生物质活性炭纤维，制备出来的产品多数都是粉末状。本发明所述的生物质活性炭纤维是一种以丝瓜络为主要原料，水溶性酚醛树脂改性，再进行炭化、活化、后处理而成的一种圆柱体形的活性炭，制备出来的产品，很好的保持了原有的形态，具有一定的抗压强度，而且在整个生产过程中，不产生任何有毒有害的物质。[0022]本发明的原理是:酚醛树脂在与脱胶后丝瓜络进行混合时，丝瓜络中的大量孔隙被酚醛树脂所填充，从而使丝瓜络的孔隙减少，密度增加，也就意味着强度一定程度上增强。丝瓜络经水溶性酚醛树脂改性后，随着炭化温度的升高，酚醛树脂生成玻璃炭与丝瓜络生成的软质无定形炭在高温下会生长在一起，界面逐渐消失，两种炭之间的结合强度增加，使生物质活性炭纤维抗压强度增加；并且玻璃炭的力学性能要优于无定形炭，玻璃炭越多，抗压强度就越高。[0023]与现有技术相比，本发明的有益效果是:[0024]以农作物的产品丝瓜成熟果实为原料制备生物质活性炭纤维，开拓了天然植物活性炭纤维制备原料的种类和制备途径，与现有生物质活性炭纤维的制备途径相比，制备工艺简单明了，耗时短，耗能少，制备成本低，吸附性能好，回收和再生简单方便，具有一定的抗压强度，可以作为滤料和电极使用。[0025]在我国丝瓜的栽种数量庞大，因此利用丝瓜络为原料来开发制备生物质活性炭纤维，与现有的其他原料与技术相比，具备成本低(经济)、便利和环保(清洁)的特点，对于提高我国生物质活性炭纤维制备的手段、途径和创新性都具有重大的意义。【专利附图】【附图说明】[0026]图1是本发明的工艺流程图。[0027]图2是本发明实施例1制备的产品碘吸附值等温线。[0028]图3是对比例制备的产品碘吸附值等温线。[0029]图4是本发明实施例1制备的产品高性能生物质活性炭纤维的照片。[0030]图5是对比例制备的产品照片。【具体实施方式】[0031]为了更好地理解本发明，以下结合具体实施例进一步描述本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。[0032]下述实施例中采用正常生长成熟后的植物丝瓜果实，经过自然风干或烘干后，切割成5?IOcm长的圆柱状体，除去表皮以及孔隙内部的丝瓜种子，得到圆柱状体丝瓜络[内部交织呈网状的植物纤维维管束柱体(质地坚韧)]。[0033]实施例1:[0034]一种高性能生物质活性炭纤维的制备方法，它包括如下步骤:[0035]I)预处理:将圆柱状体丝瓜络在2%氢氧化钠水溶液中浸泡24h(去除表面蜡质、灰分和其他小分子)，然后将溶液滤掉，将丝瓜络反复清洗至中性，最后将丝瓜络放入烘箱在105°C烘干12h，得到圆柱状体碱处理过的干丝瓜络；[0036]2)改性:从烘箱中取出以上碱处理过的干丝瓜络，放入烧杯中，往烧杯中加入固含量为35%的水溶性酚醛树脂，充分浸没，浸溃24h以上，浸溃过后的丝瓜络放入烘箱在105°C烘干12h；[0037]3)炭活化:将浸溃后的丝瓜络放入高温电阻炉里面，在200°C下预氧化2h，然后放入高温电阻炉里面进行炭化活化，往高温电阻炉中通保护气体N2,N2的速率控制在0.61/min，活化温度为850°C，得生物质活性炭纤维；[0038]4)后处理:将所得生物质活性炭纤维用IM盐酸溶液浸泡lh，以除去产物中的灰分，再用热的去离子水将产物反复洗涤至中性，放入烘箱在105°C烘干12h，即得生物质活性炭纤维(最终产品，密封保存于干燥器，备用)。[0039]为了更好的表明此生物质活性炭纤维的性能和效果，对它进行碘吸附值测定与抗压强度测定。[0040]碘吸附值的测定方法采用国标《GB/T7702.7-2008煤质颗粒活性炭实验方法碘吸附值的测定》来测定。根据吸附等温线，见图2，取剩余浓度c=0.02mol/L时的E值为碘吸附值，计算得E=341.084mg/g。抗压强度测试采用液压万能试验机测试样品破碎时的压力，抗压强度P=198Mpa。[0041]对比例:[0042]与实施例1的不同之处在于:用质量浓度为30%的(NH4)2HPO4代替固含量为35%的水溶性酚醛树脂。[0043]碘吸附值的测定方法采用国标《GB/T7702.7-2008煤质颗粒活性炭实验方法碘吸附值的测定》来测定。根据吸附等温线，见图3，得出E值。E=471mg/g。[0044]将实施例1与对比例相比较可知，从碘吸附值上看，两者的吸附性能相差不大，都具有良好的吸附性能，但是对比例中制备出来的产品是粉末状的，实施例1中制备出来的产品能很好的维持原有的形态，也就使得产品的回收和再生简单方便，具有了一定的抗压强度，可以作为滤料和电极使用。也就是说，本发明制备得到的高性能生物质活性炭纤维产品由于能够维持丝瓜络的这种原材料的原始形态，具有了抗压强度好、使用回收方便、用途更广泛等一系列优点。[0045]实施例2:[0046]—种高性能生物质活性炭纤维的制备方法，它包括如下步骤:[0047]I)预处理:将圆柱状体丝瓜络在2%氢氧化钠水溶液中浸泡24h(去除表面蜡质、灰分和其他小分子)，然后将溶液滤掉，将丝瓜络反复清洗至中性，最后将丝瓜络放入烘箱在105°C烘干12h，得到圆柱状体碱处理过的干丝瓜络；[0048]2)改性:从烘箱中取出以上碱处理过的干丝瓜络，放入烧杯中，往烧杯中加入固含量为35%的水溶性酚醛树脂，充分浸没，浸溃24h以上，浸溃过后的丝瓜络放入烘箱在105°C烘干12h；[0049]3)炭活化:将浸溃后的丝瓜络放入高温电阻炉里面，在200°C下预氧化2h，然后放入高温电阻炉里面进行炭化活化，往高温电阻炉中通保护气体N2,N2的速率控制在0.61/min，活化温度为800°C，得生物质活性炭纤维；[0050]4)后处理:将所得生物质活性炭纤维产物用IM盐酸溶液浸泡lh，以除去产物中的灰分，再用热的去离子水将产物反复洗涤至中性，放入烘箱在105°C烘干12h，即得生物质活性炭纤维。[0051]为了更好的表明此生物质活性炭纤维的性能和效果，对它进行碘吸附值测定与抗压强度测定。[0052]碘吸附值的测定方法采用国标《GB/T7702.7-2008煤质颗粒活性炭实验方法碘吸附值的测定》来测定。根据吸附等温线，取剩余浓度c=0.02mol/L时的E值为碘吸附值，E=301.23mg/g。抗压强度测试采用液压万能试验机测试样品破碎时的压力，得出抗压强度，P=165Mpa。[0053]实施例3:[0054]一种高性能生物质活性炭纤维的制备方法，它包括如下步骤:[0055]I)预处理:将圆柱状体丝瓜络在2%氢氧化钠水溶液中浸泡24h(去除表面蜡质、灰分和其他小分子)，然后将溶液滤掉，将丝瓜络反复清洗至中性，最后将丝瓜络放入烘箱在105°C烘干12h，得到圆柱状体碱处理过的干丝瓜络；[0056]2)浸溃:从烘箱中取出以上碱处理过的干丝瓜络，放入烧杯中，往烧杯中加入固含量为35%的水溶性酚醛树脂，充分浸没，浸溃24h以上，浸溃过后的丝瓜络放入烘箱在105°C烘干12h；[0057]3)炭活化:将浸溃后的丝瓜络放入高温电阻炉里面，在200°C下预氧化2h，然后放入高温电阻炉里面进行炭化活化，往高温电阻炉中通保护气体N2,N2的速率控制在0.61/min，活化温度为750°C，得生物质活性炭纤维；[0058]4)后处理:将所得生物质活性炭纤维产物用IM盐酸溶液浸泡lh，以除去产物中的灰分，再用热的去离子水将产物反复洗涤至中性，放入烘箱在105°C烘干12h，即得生物质活性炭纤维。[0059]实施例4:[0060]与实例I基本相同，不同之处在于水溶性酚醛树脂的固含量为35%，活性炭的活化温度为700°C。[0061]实施例5:[0062]与实例2基本相同，不同之处在于活性炭的活化温度为650°C。[0063]实施例6:[0064]与实例2基本相同，不同之处在于活性炭的活化温度为600°C。【权利要求】1.一种高性能生物质活性炭纤维制备方法，其特征在于它包括如下步骤:1)碱处理:将圆柱状体丝瓜络在氢氧化钠水溶液中浸泡脱胶，然后清洗至中性，烘干后得到碱处理过的干丝瓜络；2)改性:将碱处理过的干丝瓜络与水溶性酚醛树脂混合，充分浸溃24-48h，浸溃过后烘干；3)炭活化:先将改性后的丝瓜络在预氧化2h，然后在惰性保护气体下，将浸溃后的丝瓜络进行炭化，得生物质活性炭纤维；4)后处理:将生物质活性炭纤维用稀酸浸泡以除去产物中的灰分，再用水洗涤至中性，烘干即得高性能生物质活性炭纤维。2.根据权利要求1所述的一种高性能生物质活性炭纤维制备方法，其特征在于所述丝瓜络的制备工艺是:将正常生长成熟后的植物丝瓜果实，经过自然风干或烘干后，切割成5?IOcm长的圆柱状体，除去表皮以及孔隙内部的丝瓜种子，得到圆柱状体丝瓜络。3.根据权利要求1所述的一种高性能生物质活性炭纤维制备方法，其特征在于步骤I)中所述氢氧化钠水溶液的质量分数为2%?5%。4.根据权利要求1所述的一种高性能生物质活性炭纤维制备方法，其特征在于步骤2)中所述水溶性酚醛树脂固含量在35%?37%之间。5.根据权利要求1所述的一种高性能生物质活性炭纤维制备方法，其特征在于步骤3)中所述预氧化的温度160-200°C。6.根据权利要求1所述的一种高性能生物质活性炭纤维制备方法，其特征在于步骤3)中所述炭化的温度600-850°C。7.根据权利要求1所述的一种高性能生物质活性炭纤维制备方法，其特征在于步骤4)中所述的稀酸是盐酸、硫酸、醋酸、硝酸中的一种或任意几种的水溶液。8.根据权利要求1所述的一种高性能生物质活性炭纤维制备方法，其特征在于步骤4)中所述稀酸的浓度为0.5?1.5mol/L。9.根据权利要求1所述的一种高性能生物质活性炭纤维制备方法，其特征在于步骤2)、步骤3)和步骤4)中所述烘干的温度为100?105°C。【文档编号】C01B31/08GK103920460SQ201410143977【公开日】2014年7月16日申请日期:2014年4月11日优先权日:2014年4月11日【发明者】夏世斌,谢雨申请人:武汉理工大学