竹炭的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种竹炭的制备方法，包括以下步骤：S100：将竹材在碱性溶液中浸泡8h～24h；S200：将所述浸泡后的竹材进行干燥处理；S300：将所述干燥处理后的竹材在无氧气氛中于600℃～900℃下焙烧1h～4h，得到竹炭毛坯；S400：将步骤S300中得到的竹炭毛坯清洗、干燥，得到竹炭。本发明工艺简单、成本低廉、产率高，得到的竹炭产品具有较高的比表面积和吸附性能，适合工业化生产。
【专利说明】
竹炭的制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及材料的制备领域，特别是涉及一种竹炭的制备方法。
【背景技术】
[0002]竹炭是以竹材为原料经高温炭化获得的固体产物，具有细密多孔、比表面积大、吸附力强、远红外发射等特点，广泛用于燃料、空气净化除臭、环保净水、果蔬保鲜、卫生保健、土壤改良、环境调湿等领域，也用作抗辐射与电磁屏蔽材料、阻燃复合材料、锂离子电池负极材料及工业用半导体材料等高新技术领域。
[0003]但是，竹材在高温碳化过程中产生大量的竹焦油会堵塞竹炭的孔道，降低竹炭的比表面积。直接碳化得到的竹炭的比表面积不到400m2/g，性能较差。一般采用活化法将所含竹焦油气化，疏通孔道，提高竹炭的比表面积。活化方法分为物理活化法和化学活化法。物理活化法是利用水蒸气和二氧化碳、空气或这些气体的混合物在一定温度下通过氧化反应将竹焦油气化。化学活化法则是将竹炭与活化剂充分混合后在一定温度下进行反应。无论是物理法还是化学法，活化过程增加了竹炭的生产工序，造成能源浪费，而活化气体或活化剂的大量使用则提高了竹炭的生产成本。此外，部分竹炭在活化过程中被氧化，降低了产率。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种竹炭的制备方法，仅一步碳化即可得到比表面积较高的竹炭，且制备过程简单，成本低廉。
[0005]为达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]—种竹炭的制备方法，包括以下步骤:
[0007]SlOO:将竹材在碱性溶液中浸泡8h?24h ；
[0008]S200:将所述浸泡后的竹材进行干燥处理；
[0009]S300:将所述干燥处理后的竹材在无氧气氛中于600 °C?900 °C下焙烧Ih?4h，得到竹炭毛坯；
[0010]S400:将步骤S300中得到的竹炭毛坯清洗、干燥，得到竹炭。
[0011]在其中一个实施例中，在步骤SlOO之前，还包括以下步骤:
[0012]将竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片。
[0013]在其中一个实施例中，所述碱性溶液为碱金属的氢氧化物溶液。
[0014]在其中一个实施例中，所述碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或二者的混合溶液。
[0015]在其中一个实施例中，所述氢氧化钠溶液或所述氢氧化钾溶液的浓度为10g/L ?500g/Lo
[0016]在其中一个实施例中，步骤S200中，所述干燥处理的条件为:
[0017]将所述浸泡后的竹材自然风干或于50°C?120°C下进行烘干。
[0018]在其中一个实施例中，步骤S400中，所述清洗、干燥条件为:将所述竹炭毛坯清洗至中性，并于80 °C?120 °C下进行干燥。
[0019]在其中一个实施例中，所述无氧气氛为真空气氛、氮气气氛或惰性气体气氛。
[0020]在其中一个实施例中，所述竹炭的比表面积大于1000m2/g。
[0021]本发明的有益效果如下:
[0022]本发明的竹炭的制备方法，在对竹材进行碳化之前(即进行无氧焙烧之前)，首先将竹材进行碱化润胀，在碱化润胀过程中，碱性溶液渗入到竹材内部，穿入竹材纤维素的无定形区，到达竹材的结晶区外表面，破坏了竹材中水分子与纤维素分子之间、以及纤维素分子与纤维素分子之间的氢键结合，暴露出大量的游离羟基，从而抑制了碳化过程中竹焦油的产生，大大减少了竹焦油的生成量，从而避免了竹焦油对竹炭的孔道的堵塞，有效提高了竹炭的比表面积及吸附能力，进而提高了竹炭的实际应用价值。同时，本发明的制备方法简单，仅一步碳化即可得到竹炭产品，简化了生产工序，提高了竹炭的产量；此外，本发明的制备方法中，消耗的碱量远低于一般活化工艺中碱活化剂的消耗量，可以显著降低生产成本。
【附图说明】
[0023]图1为实施例1中得到的竹炭透射电镜照片。
【具体实施方式】
[0024]以下对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0025]本发明提供了一种竹炭的制备方法，包括以下步骤:
[0026]SlOO:将竹材在碱性溶液中浸泡8h?24h。
[0027]该步骤为本发明制备方法中的关键步骤，其目的在于使碱性溶液与竹材中的纤维素发生反应，从而破坏竹材中水分子与纤维素分子之间、以及纤维素分子与纤维素分子之间的氢键，避免聚合度较高的纤维素分子在碳化过程中生成大量的竹焦油，减少竹焦油的生成量。该步骤在室温下即可进行，无需加热过程，简化了生产工序，节约了生产成本。
[0028]作为优选，在步骤SlOO之前，还包括以下步骤:将竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片。该方式增加了竹材与碱性溶液的接触面积，能够使竹材与碱性溶液充分反应，提高了反应效率。
[0029]其中，碱性溶液是指pH值大于7的呈碱性的溶液(一般为水溶液)。较佳地，作为一种可实施方式，步骤SlOO中的碱性溶液为碱金属的氢氧化物溶液。碱金属的氢氧化物溶液在水中具有较高的溶解度，同时，碱金属是一类高效的碳气化催化剂，可以促进竹焦油的气化，提高竹炭的产量。此外，步骤SlOO中的碱性溶液也可以为碱土金属的氢氧化物溶液或其他碱性溶液(如氨水)中的至少一种。
[0030]优选地，步骤SlOO中的碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或二者(氢氧化钠和氢氧化钾)的混合溶液。氢氧化钠和氢氧化钾在水中溶解度较高，且二者制备简单，安全系数较高。
[0031]进一步地，氢氧化钠溶液和氢氧化钾溶液的浓度为100g/L?500g/L。若氢氧化钠或氢氧化钾的浓度过高，会消耗过多的竹材，导致竹炭产率下降；若氢氧化钠或氢氧化钾的浓度过低，得到的竹炭含过多的竹焦油，致使比表面积和吸附性能下降。
[0032]优选地，碱性溶液的pH值为8?10，在该pH值范围下，碱性溶液能够更好地与竹材中的高聚合度的纤维素发生反应，从而更好地抑制碳化过程中竹焦油的生成。
[0033]S200:将所述浸泡后的竹材进行干燥处理。
[0034]较佳地，作为一种可实施方式，可将浸泡后的竹材风干，也可以将浸泡后的竹材于50°C?120 °C下进行烘干。
[0035]S300:将干燥处理后的竹材在无氧气氛中于600°C?900°C下焙烧Ih?4h，得到竹炭毛坯。
[0036]该步骤为竹材的碳化步骤，为了防止竹材的有氧燃烧，提高竹炭产量，本步骤在无氧气氛中进行。较佳地，无氧气氛可以为真空气氛、氮气气氛或惰性气体气氛。
[0037]S400:将步骤S300中得到的竹炭毛坯清洗、干燥，得到竹炭。
[0038]竹材在经过碳化后，会产生少量杂质，因此需要将得到的竹炭毛坯进行清洗干燥。由于竹炭中可能存在残留的碱性分子，为了提高最终产品的质量，需要将竹炭清洗至中性，并在80°C?120°C下进行干燥。
[0039]在将竹炭毛坯进行清洗干燥后，即可得到所需的竹炭。较佳地，本发明中得到的竹炭的比表面积大于1000m2/g，碘吸附值大于900mg/g。
[0040]本发明的竹炭的制备方法，在将竹材碳化之前，首先将竹材在碱性溶液中进行浸泡。在浸泡过程中，碱性溶液渗入到竹材的内部，穿过竹材的纤维素无定形区，到达竹材的结晶区外表面，从而破坏了竹材中水分子与纤维素分子之间、以及纤维素分子与纤维素分子之间的氢键结合。一方面，碱性溶液能够促使竹材中纤维素无定形区膨胀，利于碱性溶液的渗透，另一方面，碱性溶液可引发纤维素结晶区的部分溶解，溶解出半纤维素和低聚合度的纤维素，暴露出更多的游离羟基，增加纤维素结晶区中的羟基的可及性，提高了竹材的反应性。由于竹焦油主要是在碳化过程中由聚合度较高的纤维素生成，而本发明中通过碱性溶液的浸泡，大大降低了竹材中纤维素的聚合度，从而有效减少了碳化过程中竹焦油的生成量，提高了竹炭的比表面积和吸附能力。
[0041]同时，本发明的竹炭的制备方法过程简单，仅一步碳化即可得到比表面积较高的竹炭产品，简化了生产工序，提高了竹炭产量；此外，在碱性溶液的浸泡步骤中消耗的碱量远低于一般活化工艺中碱性活化剂的消耗量，可以显著降低生产成本，适合工业化生产，具有广阔的产业化前景。
[0042]为了更好地理解本发明，下面通过具体的实施例对本发明的竹炭的制备方法进一步说明。
[0043]实施例1
[0044]将竹材在400g/L的氢氧化钾溶液中浸泡24h。将竹材从氢氧化钾溶液中沥出，120°C下烘干。在氮气气流中800°C焙烧2h，然后水洗至中性，120°C下烘干，得到竹炭。其中，本实施例中竹炭的产率为20.1%，比表面积为1310.8m2/g，碘吸附值为1250mg/g。图1给出了竹炭的透射电镜照片，可以看到该实施例得到的竹炭的石墨微晶结构。
[0045]实施例2
[0046]将竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片，在100g/L的氢氧化钾溶液中浸泡20h。将竹材从氢氧化钾溶液中沥出，自然风干。在氩气气流中600°C焙烧4h，然后水洗至中性，80°C下烘干，得到竹炭。其中，本实施例中竹炭的产率为25.4%，比表面积为1100.5m2/g，碘吸附值为1032mg/g。
[0047]实施例3
[0048]将竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片，在300g/L的氢氧化钾溶液中浸泡8h。将竹材从氢氧化钾溶液中沥出，80°C下烘干。在氮气气流中700°C焙烧lh，然后水洗至中性，120°C下烘干，得到竹炭。其中，本实施例中竹炭的产率为15.2%，比表面积为1421.8m2/g，碘吸附值为1357.6mg/go
[0049]实施例4
[0050]将竹材在180g/L的氢氧化钠溶液中浸泡24h。将竹材从氢氧化钠溶液中沥出，自然风干。在真空气氛中800°C焙烧2h，然后水洗至中性，100°C下烘干，得到竹炭。其中，本实施例中竹炭的产率为17.1%，比表面积为1029.lm2/g，碘吸附值为921mg/g。
[0051]实施例5
[0052]将竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片，在500g/L的氢氧化钠溶液中浸泡12h。将竹材从氢氧化钠溶液中沥出，50°C下烘干。在氮气气流中900°C焙烧lh，然后水洗至中性，120°C下烘干，得到竹炭。其中，本实施例中竹炭的产率为12.1%，比表面积为1211.8m2/g，碘吸附值为1095.2mg/g0
[0053]实施例6
[0054]将竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片，在400g/L的氢氧化钠与氢氧化钾的混合溶液中浸泡12h。将竹材从混合溶液中沥出，90 °C下烘干。在氮气气流中900 0C焙烧3h，然后水洗至中性，110°C下烘干，得到竹炭。其中，本实施例中竹炭的产率为12.4%，比表面积为1216.8m2/g，碘吸附值为 1075.4mg/g。
[0055]实施例7
[0056]将竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片，在氢氧化钙饱和溶液中浸泡24h。将竹材从氢氧化钙饱和溶液中沥出，95°C下烘干。在氮气气流中850°C焙烧2.5h，然后水洗至中性，60°C下烘干，得到竹炭。其中，本实施例中竹炭的产率为12.6%，比表面积为1136.4m2/g，碘吸附值为1045.4mg/g0
[0057]实施例8
[0058]将竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片，在氨水与氢氧化钠的混合溶液中浸泡8h，其中，该混合溶液的pH值为8。将竹材从混合溶液中沥出，80°C下烘干。在氮气气流中于750°C下焙烧2h，然后水洗至中性，100°C下烘干，得到竹炭。其中，本实施例中竹炭的产率为16.2%，比表面积为1381.6m2/g，碘吸附值为1375.4mg/g。
[0059]实施例9
[0060]将竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片，在氨水与氢氧化钠的混合溶液中浸泡8h，其中，该混合溶液的pH值为9。将竹材从混合溶液中沥出，75°C下烘干。在氮气气流中于850°C下焙烧2h，然后水洗至中性，110°C下烘干，得到竹炭。其中，本实施例中竹炭的产率为
16.4%，比表面积为1380.2m2/g，碘吸附值为1380.2mg/g。
[0061]实施例10
[0062]将竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片，在氨水与氢氧化钠的混合溶液中浸泡8h，其中，该混合溶液的pH值为10。将竹材从混合溶液中沥出，80°C下烘干。在氮气气流中于800°C下焙烧2h，然后水洗至中性，100°C下烘干，得到竹炭。其中，本实施例中竹炭的产率为
15.8%，比表面积为1411.6m2/g，碘吸附值为1362.4mg/g。
[0063]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1.一种竹炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: SlOO:将竹材在碱性溶液中浸泡8h?24h ； S200:将所述浸泡后的竹材进行干燥处理； S300:将所述干燥处理后的竹材在无氧气氛中于600°C?900°C下焙烧Ih?4h，得到竹炭毛坯； S400:将步骤S300中得到的竹炭毛坯清洗、干燥，得到竹炭。2.根据权利要求1所述的竹炭的制备方法，其特征在于，在步骤SlOO之前，还包括以下步骤: 将竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片。3.根据权利要求1所述的竹炭的制备方法，其特征在于，所述碱性溶液为碱金属的氢氧化物溶液。4.根据权利要求3所述的竹炭的制备方法，其特征在于，所述碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或二者的混合溶液。5.根据权利要求4所述的竹炭的制备方法，其特征在于，所述氢氧化钠溶液或所述氢氧化钾溶液的浓度为100g/L?500g/L。6.根据权利要求1所述的竹炭的制备方法，其特征在于，步骤S200中，所述干燥处理的条件为: 将所述浸泡后的竹材自然风干或于50°C?120°C下进行烘干。7.根据权利要求1所述的竹炭的制备方法，其特征在于，步骤S400中，所述清洗、干燥条件为:将所述竹炭毛坯清洗至中性，并于80°C?120°C下进行干燥。8.根据权利要求1所述的竹炭的制备方法，其特征在于，所述无氧气氛为真空气氛、氮气气氛或惰性气体气氛。9.根据权利要求1?8任一项所述的竹炭的制备方法，其特征在于，所述竹炭的比表面积大于1000m2/g。
【文档编号】C01B31/12GK105984872SQ201510078201
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月13日
【发明人】张建, 张业新, 齐国禄, 伍文林
【申请人】中国科学院宁波材料技术与工程研究所