一种生物质茎叶分离制备活性炭材料的方法与流程

本发明涉及生物质活性炭材料及其制备的技术领域，具体地说，是涉及一种生物质茎叶分离制备活性炭材料的方法。

背景技术：

炭材料按原料来源可以分为基于化石原料的炭材料和基于生物质原料的炭材料，其中生物质炭材料以可再生的廉价生物质为碳源，通过简单地热处理就可以得到比表面积比较大的活性炭。

我国的生物质资源丰富，每年被丢弃的可再生资源如农业秸秆、林业废弃物以及其他垃圾等具有很高的剩余价值。现有技术中直接将这些资源焚烧、堆积或排入水体中，不仅浪费了资源还污染了环境，导致了环境的恶化。如果将生物质和其他有机废弃原料碳化，可以产出油、气和固体碳，不仅解决了环境污染还得到了附加值很高的产品。

活性炭材料由于具有较高的电导率、对酸碱及水热稳定性强、比表面积较大和孔结构发达等特点广泛应用于化工、环保、军事化学防护等领域。但由于直接碳化得到的炭材料比表面积都不高，现在在制备活性炭时，都会加入活化剂如：KOH、ZnCl₂或H₃PO₄等化学活化剂。在活化过程中加入活化剂的确可以增加炭材料的比表面积，但是活化剂的加入不仅会增加对设备的腐蚀和产物产率的降低，活化结束后还需要大量的化学试剂和水洗涤除去，这样不仅增加了成本还会污染环境。

技术实现要素：

鉴于以上内容，有必要提供一种生物质茎叶分离制备活性炭材料的方法。经过分析我们发现:由于生物质本身都含有一定量的金属元素，而且这些金属元素会在碳化过程中起到原位活化碳材料的作用。生物质不同部位具有不同的功能，比如茎部主要起将根部吸收的离子和水分传输到叶子，而叶子主要起光合作用，因此，茎部的离子浓度比叶子要高，碳化茎部得到的碳比碳化叶子得到的碳的比表面积会大很多。所以为了直接获得非活化的高比表面积的活性炭材料，我们选择生物质的茎的部分做为前驱体，因为其含有的金属元素的量较多，对于得到高比表面积的活性炭材料更加有利。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种生物质茎叶分离制备活性炭材料的方法；分离生物质前驱体的茎和叶等部分，只选取生物质的茎的部分进行干燥；将干燥的生物质茎放入管式炉中，在惰性气氛保护下，以1-20℃/min的升温速率升温至600-1500℃，保温时间为0.5-30h，冷却后酸洗12-72h；将最终得到的样品分别经水洗、干燥后得到活性炭材料。

所述的的生物质包括睡莲科睡莲目植物,例如荷叶，伞形科芹属植物，例如芹菜，莴苣属植物，例如莴苣等。

所述干燥及处理方法可为CO₂超临界干燥，CO₂超临界干燥条件40～55℃、11～16MPa，可得干燥的生物质前驱体；加热干燥，干燥条件40～200℃，可得干燥的生物质前驱体；或冷冻干燥，冷冻干燥条件为-60～-40℃、-0.1～-0.09MPa下，得到干燥的生物质前驱体。

惰性气体保护或吹扫固体粉末至室温时，所选用的惰性气体为氮气、氩气或二氧化碳气体中的一种或二种以上的体积混合比例任意的混合气体。

采用酸洗处理材料去除杂质时，所选用的酸可为盐酸、硫酸、硝酸、草酸、醋酸、氢氟酸、高氯酸中的一种或二种以上的体积混合比例任意的混合酸，氢离子总浓度控制在0.1～10mol/L，酸洗时间为12～72h，水浴温度控制在15～90℃。水洗后的样品干燥。

与现有的活性炭制备技术相比，本发明的优点在于：

本发明在制备活性炭材料前，先分离生物质前驱体的茎和叶等部分，选取金属离子含量较高的生物质的茎的部分为原料，在活性炭的制备过程中不使用活化剂，就可以制备出具有高比表面积的活性炭材料。

活性炭材料的制备过程简单，缩短了制备时间和工艺流程。制备的生物质活性炭材料的比表面积一般在600-2500m²/g。

附图说明

图1为实施例4制备的生物质茎活性炭材料碳化后的扫描图。

图2为实施例4制备的生物质茎活性炭材料碳化后的BET曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

将荷叶茎CO₂超临界干燥，干燥条件为44℃、11MPa。将干燥的生物质茎放入管式炉中，在N₂保护下，以1℃/min的升温速率升温至600℃，保温时间3h，冷却后加入足量0.1mol/L硫酸与草酸的混酸在15℃下酸洗72h，后经水洗至中性，然后干燥，最后研磨得到非活化生物质活性炭粉末，其碳化得到的BET比表面积为600m²/g。

实施例2

将荷叶茎CO₂超临界干燥，干燥条件为55℃、16MPa。将干燥的生物质茎放入管式炉中，在Ar保护下，以20℃/min的升温速率升温至1500℃，保温时间5h，冷却后加入足量1mol/L盐酸在90℃酸洗24h，后经水洗至中性，然后干燥，最后研磨得到非活化生物质活性炭粉末，其碳化得到的BET比表面积为2500m²/g。

实施例3

将芹菜茎加热干燥，干燥条件为40℃、常压下。将干燥的生物质茎放入管式炉中，在CO₂保护下，以10℃/min的升温速率升温至900℃，保温时间10h，冷却后加入足量1mol/L硫酸与硝酸的混酸在75℃下酸洗48h，后经水洗至中性，然后干燥，最后研磨得到非活化生物质活性炭粉末，其碳化得到的BET比表面积为1500m²/g。

实施例4

将芹菜茎加热干燥，干燥条件为200℃、常压下。将干燥的生物质茎放入管式炉中，在Ar保护下，以8℃/min的升温速率升温至800℃，保温时间30h，冷却后加入足量10mol/L醋酸与硝酸的混酸在75℃下酸洗16h，后经水洗至中性，然后干燥，最后研磨得到非活化生物质活性炭粉末，其碳化得到的BET比表面积为1600m²/g。

实施例5

将莴苣茎冷冻干燥，干燥条件为-60℃、-0.1MPa下。将干燥的生物质茎放入管式炉中，在N₂与CO₂混合气体保护下，以15℃/min的升温速率升温至1200℃，保温时间10h，冷却后加入足量1mol/L醋酸与硝酸的混酸在25℃下酸洗24h，后经水洗至中性，然后干燥，最后研磨得到非活化生物质活性炭粉末，其碳化得到的BET比表面积为1100m²/g。

实施例6

将莴苣茎冷冻干燥，干燥条件为-40℃、-0.09MPa下。将干燥的生物质茎放入管式炉中，在Ar与CO₂混合气体保护下，以3℃/min的升温速率升温至900℃，保温时间30h，冷却后加入足量5mol/L醋酸与高氯酸的混酸在50℃下酸洗36h，后经水洗至中性，然后干燥，最后研磨得到非活化生物质活性炭粉末，其碳化得到的BET比表面积为1300m²/g。

实施例7

将莴苣茎冷冻干燥，干燥条件为-50℃、-0.095MPa下。将干燥的生物质茎放入管式炉中，在Ar与CO₂混合气体保护下，以5℃/min的升温速率升温至700℃，保温时间0.5h，冷却后加入足量2mol/L醋酸与氢氟酸的混酸在30℃下酸洗12h，后经水洗至中性，然后干燥，最后研磨得到非活化生物质活性炭粉末，其碳化得到的BET比表面积为1200m²/g。

实施例8

将荷叶茎CO₂超临界干燥，干燥条件为50℃、13MPa下。将干燥的生物质茎放入管式炉中，在N₂保护下，以7℃/min的升温速率升温至1000℃，保温时间12h，冷却后加入足量2mol/L盐酸与硫酸的混酸在40℃下酸洗24h，后经水洗至中性，然后干燥，最后研磨得到非活化生物质活性炭粉末，其碳化得到的BET比表面积为1400m²/g。

实施例9

将芹菜茎加热干燥，干燥条件为100℃、常压下。将干燥的生物质茎放入管式炉中，在N₂保护下，以15℃/min的升温速率升温至1300℃，保温时间10h，冷却后加入足量2mol/L盐酸在60℃下酸洗24h，后经水洗至中性，然后干燥，最后研磨得到非活化生物质活性炭粉末，其碳化得到的BET比表面积为1500m²/g。