一种废纸纤维制备含硫炭微球的方法与流程

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种废纸纤维制备含硫炭微球的方法。

背景技术：

废纸的再生利用，本身就是一项有利于社会的措施，它可以节约大量的森林资源，避免了废纸的弃用和对环境造成的危害。在国内，办公废纸的利用率较低，主要原因是传统的化学脱墨技术过于落后，不仅对纸浆纤维破坏较大，影响再生纸的质量，而且造成环境的二次污染。废纸利用的历史非常悠久，我国在宋朝时期就对废纸进行回收利用。美国和欧洲则在机械造纸出现之初就开始回收利用废纸。但由于当时废纸处理技术还不成熟，废纸浆的质量差，只能用来配抄一些低质的纸和纸板，因而发展速度慢。

进入20世纪90年代以来，废纸浆己成为增长最快的浆种，这主要是因为：①原生纤维原料供应紧张，迫使更多的企业改用废纸作原料。②低成本吸引更多的企业选用废纸作为原料。再生纤维造纸的原料成本比木浆低30％～50％，同时可以大幅减少汽、电、水的消耗，还可以减少有毒物质的排放。③废纸处理技术的进步，使废纸浆质量得以提高，可以用来配抄更多的纸种以及使用更大的配加量，为废纸的广泛利用提供了可靠的技术支持。④环保、可持续发展、循环经济等观念日益深入人心，督促着造纸工业对废纸进行更为有效的利用。⑤相关政策法规的出台，为废纸的回收利用创造了良好的条件。

在废纸的处理中，对于办公废纸的处理大部分用于再次制造纸浆，这种处理方法成本高，而且产品的附加值并不高，因此，更合理有效的回收利用办公废纸成为有待研究的一大问题。

炭微球作为一种新型炭材料，在磁学、电学、光学和医学等领域有着较好的应用前景。目前，炭微球的制备方法主要有炭化法、电弧放电法以及化学气相沉积法等，但这些方法所使用的炭源多为苯、甲苯和乙快等从煤矿或石油中提取的非可再生资源，无法实现可持续发展，并且这些方法得到的炭微球的表面都比较难功能化，在具体应用时还需进行化学修饰或者活化处理。利用糖类物质的水热炭化过程在密闭体系中进行反应可以制备出粒径均匀，分散性较好的炭微球，但糖类物质本身是一种工业产品，应用其制备功能性炭微球材料生产成本相对较高、经济效益不显著，因此寻找一种来源广泛的炭源成为目前研究的重点。而废纸中大量的纤维可以作为制备含硫炭微球的炭源，其主要成分为半纤维素、纤维素和木质素，并且废纸的来源非常广泛。因此，利用废纸作为炭源制备含硫炭微球具有广泛的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种废纸纤维制备含硫炭微球的方法，解决了享有办公废纸利用回收率低的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种废纸纤维制备含硫炭微球的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，按质量百分比分别称取：办公废纸0.4％～0.9％、浓硫酸5.7％～6.2％、去离子水92.9％～93.9％，上述组分质量百分比之和为100％；

步骤2，将办公废纸蒸煮碎解后浆料及时脱墨，得到废纸纤维；

步骤3，将步骤2得到的废纸纤维加入去离子水中制成纸浆，使用超声分散后搅拌，制成均匀分散的纸浆；

步骤4，将浓硫酸滴入步骤3得到的纸浆中，搅拌均匀后倒入水热反应釜中反应，然后冷却至室温进行抽滤，用乙醇和去离子水反复清洗、干燥后进行炭化处理，得到含硫炭微球。

本发明的特点还在于，

步骤2中脱墨是将办公废纸浆料先超声脱墨50～70min，然后采用浮选法脱墨。

步骤3中超声分散时间为45～60min；搅拌为磁力搅拌，搅拌时间为10～20min。

步骤4中搅拌时间为5～10min。

步骤4中在水热反应釜中进行反应时温度为210℃～260℃，反应时间18～24h。

步骤4中炭化处理的具体参数为：在氮气保护下，先以3～5℃/min升温至320～350℃，保温55～65min，再以8～10℃/min升温至750～900℃，保温100～140min。

本发明的有益效果是，本发明利用回收的办公废纸采用水热炭化法制备出粒径均匀的含硫炭微球，提高了办公废纸的利用回收率，赋予其较高的附加值，为办公废纸的处理提供了一个很有效的渠道。

附图说明

图1是本发明实施例2制备的含硫炭微球扫描电镜(SEM)图；

图2是本发明实施例2制备的单个含硫炭微球扫描电镜图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明废纸纤维制备含硫炭微球的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，按质量百分比分别称取：办公废纸0.4％～0.9％、浓硫酸5.7％～6.2％、去离子水92.9％～93.9％，上述组分质量百分比之和为100％；

步骤2，将办公废纸蒸煮碎解后浆料先超声脱墨50～70min，然后采用浮选法脱墨，得到废纸纤维；

步骤3，将步骤2得到的废纸纤维加入去离子水中制成纸浆，使用超声分散45～60min后磁力搅拌10～20min，制成均匀分散的纸浆；

步骤4，将浓硫酸滴入步骤3得到的纸浆中，搅拌5～10min均匀后倒入水热反应釜中在温度为210℃～260℃下反应18～24h，然后冷却至室温进行抽滤，用乙醇和去离子水反复清洗、干燥后进行炭化处理，炭化处理的具体参数为：在氮气保护下，先以3～5℃/min升温至320～350℃，保温55～65min，再以8～10℃/min升温至750～900℃，保温100～140min，得到含硫炭微球。

本实验中选取的是普通办公打印用纸，纸张幅面为A4或16开规格，用于制备含硫炭微球的浓硫酸浓度为98％，用于制作纸浆的是去离子水，其质量应符合规定的技术要求。

各组分及处理方式作用：

办公废纸脱墨后作为炭源，不同比例的废纸纤维和去离子水形成不同浓度的纸浆。浓硫酸作为氧化剂和催化剂，同时也作为硫源，在水热过程中使废纸纤维半水解，得到含硫炭微球的前驱体，不同浓硫酸的加入量，水解效果和含硫量不同。炭微球前驱体经炭化过程脱除小分子，就得到含硫炭微球，可以作为电池的优质电极材料。

实施例1

将0.4％办公废纸脱墨后，烘干，加入93.9％去离子水用打浆机制成纸浆，使用超声波清洗机分散45min，再使用磁力搅拌机搅拌10min，制成均匀分散的纸浆；将5.7％浓硫酸滴入100ml纸浆中人工搅拌10min，搅拌均匀后倒入水热反应釜中，将反应釜置于鼓风干燥箱中加热至210℃恒温保持18h后随干燥箱冷却至室温取出；将上步反应产物取出后进行抽滤，并使用乙醇和去离子水反复清洗至中性为止，再将产物置于鼓风干燥箱中8h烘干后，在管式炉中、在氮气保护下，先以3℃/min升温至320℃，保温55min，再以8℃/min升温至750℃，保温100min，得含硫炭微球。

实施例2

将0.5％办公废纸脱墨后，烘干，加入93.8％去离子水用打浆机制成纸浆，使用超声波清洗机分散1h，再使用磁力搅拌机搅拌12min，制成均匀分散的纸浆将5.7％浓硫酸滴入100ml上述纸浆中人工搅拌8min，搅拌均匀后倒入水热反应釜中，将反应釜置于鼓风干燥箱中加热至240℃恒温保持24h后随干燥箱冷却至室温取出；将上步反应产物取出后进行抽滤，并使用乙醇和去离子水反复清洗至中性为止，再将产物置于鼓风干燥箱中8h烘干后，在管式炉中、在氮气保护下，先以5℃/min升温至350℃，保温1h，再以10℃/min升温至800℃，保温2h，得含硫炭微球。

图1是实施例2中采用0.5％办公打印废纸、5.7％浓度为98％浓硫酸和93.8％去离子水以及采用本发明技术方案制作的含硫炭微球扫描电镜图像。图2是实施例2中利用本发明制备的单个含硫炭微球扫描电镜图像。图1表明利用办公废纸采用被发明技术制备的粒径较均匀接分散的含硫炭微球，图2能够看出含硫炭微球球直径≤1μm。

实施例3

将0.9％办公废纸脱墨后，烘干，加入92.9％离子水用打浆机制成纸浆，使用超声波清洗机分散50min，再使用磁力搅拌机搅拌20min，制成均匀分散的纸浆将6.2％浓硫酸滴入100ml上述纸浆中人工搅拌5min，搅拌均匀后倒入水热反应釜中，将反应釜置于鼓风干燥箱中加热至260℃恒温保持20h后随干燥箱冷却至室温取出；将上步反应产物取出后进行抽滤，并使用乙醇和去离子水反复清洗至中性为止，再将产物置于鼓风干燥箱中8h烘干后，在管式炉中、在氮气保护下，先以4℃/min升温至330℃，保温65min，再以9℃/min升温至900℃，保温140min，得含硫炭微球。

利用本发明技术制备含硫炭微球，以最常见的办公废纸为炭前驱，浓硫酸作为催化剂，采用水热炭化的技术方法，能够制备出粒径相对较均匀接分散的含硫炭微球，提高了办公废纸的利用率，赋予其较高的附加值，为办公废纸的处理提供了一个很有效的渠道。