一种咖啡渣活性炭及其制备方法

本发明属于废料回收利用，具体涉及一种咖啡渣活性炭及其制备方法。

背景技术：

1、随着国内外咖啡消费市场逐步扩大，全世界每年的咖啡渣产量约为960吨。在各国提倡低碳、绿色循环的理念影响下，咖啡消费产业链亟需构建一条闭环的绿色产业链，为推动社会经济高质量发展提供新理念和新思路。目前来看，咖啡渣的处置方式以传统的填埋、焚烧为主，二者均会产生大量的温室气体如二氧化碳、甲烷等。同时，上述处置方式会产生次生的环境问题如土壤与水体污染。因此，开发一种资源化利用咖啡渣废弃物的方法极为关键。

2、目前已有的资源化利用方式包括咖啡纸、油脂提取、高价值有机物分离、生物炭或活性炭等。其中，制成活性炭可以广泛应用于多个行业，同时实现碳固定和碳减排等，实现了低碳高值转化的目标。已有发明专利公开了利用磷酸活化、氯化锌活化、环糊精改性等方式制备活性炭。例如，cn109970058a公开了一种咖啡渣基质活性炭制备方法，包括如下步骤：(a)将咖啡渣用蒸馏水多次浸泡，烘干过滤得到干咖啡渣；(b)将干咖啡渣放入容器，加入质量百分比浓度为8-12％磷酸溶液，磷酸溶液体积用量以干燥咖啡渣质量计为4-6ml·g-1，搅拌后超声振荡3-4h，过滤后将咖啡渣水洗至中性，100-110℃烘干，得到酸处理咖啡渣；(c)将酸处理咖啡渣放入马弗炉中活化，控制升温速率为8-12℃·min-1，逐渐升温至580-620℃，保温1-2h，自然冷却至室温后取出，用蒸馏水清洗至中性，干燥、过筛后即为咖啡渣基质活性炭。cn110143592a公开了一种咖啡渣活性炭的制备方法，属于咖啡渣废物利用技术领域。制备方法包括：清洗、干燥预处理；高温热解碳化；磷酸溶液浸渍；干燥；活性增强剂活化；蒸馏水清洗至中性。cn112707396a公开了一种磷酸改性咖啡渣活性炭及其制备方法。其中本活性炭制备工艺包括：咖啡渣经蒸馏水清洗，并在105℃烘箱中烘干24h后，用85％的磷酸h3po4配制50％的磷酸溶液，以浸渍比1:1混合，浸渍24h后置于管式炉中并持续通入氮气流速为0.1l/min，500℃炭化1h，冷却后清洗活性炭至ph为7,置于105℃烘箱烘干24h，制得咖啡渣活性炭。

3、上述活性炭制备方法使用了大量的化学物质，需对上述活性炭进行深度清洗或酸洗等操作，使操作步骤复杂化，同时增加生产成本。

4、因此，如何简化操作步骤，降低生产成本，实现咖啡渣低碳资源化与高值利用，是当下亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种咖啡渣活性炭及其制备方法。本发明以咖啡渣为原料，通过炭化和水蒸气活化等简单的操作步骤调控制备得到了一种原位氮掺杂的咖啡渣活性炭。基于该制备方法得到的咖啡渣活性炭孔径分布集中，灰分值极低，无需酸处理，有效节省了成本，且不产生废酸，应用安全性高。此外，该制备方法为低碳转化过程，该过程强化了活性炭表面的碱性、极性、亲水性及分子间的作用力等，进而提升了亲水性较强、酸性较强的有机物去除性能，有效实现了咖啡渣低碳资源化与高值利用，具有良好的发展前景。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种咖啡渣活性炭的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

4、(1)将咖啡渣进行热解炭化，得到咖啡渣炭化料；

5、(2)将所述咖啡渣炭化料和水蒸气活化剂混合，进行活化反应，得到所述咖啡渣活性炭。

6、为克服目前咖啡渣填埋等低效处置技术而产生的温室气体排放、资源浪费及次生环境污染等问题，本发明以咖啡渣为原料，以水蒸气为活化剂，通过炭化和活化等简单的操作步骤调控制备得到了一种原位氮掺杂的咖啡渣活性炭。基于该制备方法得到的咖啡渣活性炭无需扩孔，灰分值极低，无需酸处理，有效节省了成本，且不产生废酸，应用安全性高。此外，该制备方法为低碳转化过程，该过程强化了活性炭表面的碱性、极性、亲水性及分子间的相互作用力等，进而提升了亲水性较强、酸性较强的有机物去除性能，有效实现了咖啡渣低碳资源化与高值利用，具有良好的发展前景。

7、需要说明的是，咖啡渣中的氮含量相对于一般生物质废弃物的氮含量更高，更有利于产生氮掺杂结构的碳材料。经氮掺杂后，固相表面的碱性、极性等均有所增强，可以克服普通活性炭对液相体系中酸性、极性强的物质去除效能低的问题。

8、需要说明的是，咖啡渣固有大孔结构。

9、本发明中，水蒸气活化剂在造孔的同时，对氮的消耗更低。

10、作为本发明一种优选的技术方案，在步骤(1)所述热解炭化之前，对所述咖啡渣进行前处理。

11、优选地，所述前处理包括干燥和研磨。

12、优选地，所述干燥的方式为鼓风干燥。

13、作为本发明一种优选的技术方案，所述干燥后，咖啡渣中水分≤10％，例如可以是10％、8％、6％、4％或2％等。

14、优选地，所述研磨后，咖啡渣的目数为40-200目，例如可以是40-80目、80-100目或100-200目等。

15、作为本发明一种优选的技术方案，步骤(1)所述热解炭化在保护气氛中进行。

16、优选地，所述保护气氛中的气体包括氮气。

17、优选地，步骤(1)所述热解炭化的温度为400-600℃，例如可以是400℃、450℃、500℃、550℃或600℃等。

18、优选地，步骤(1)所述热解炭化的时间为30-120min，例如可以是30min、60min、90min或120min等。

19、优选地，步骤(1)所述热解炭化的升温速率为2.0-7.5℃/min，例如可以是2.0℃/min、3.0℃/min、4.0℃/min、5.0℃/min、6.0℃/min或7.5℃/min等。

20、作为本发明一种优选的技术方案，步骤(2)所述水蒸气活化剂的气体流量为0.05-0.30ml/min，例如可以是0.05ml/min、0.10ml/min、0.20ml/min或0.30ml/min等。

21、本发明中，若水蒸气活化剂的气体流量过大，则咖啡渣生物炭气化程度较大，导致活性炭得率较低；若水蒸气活化剂的气体流量过小，则咖啡渣生物炭气化程度较低，孔结构不完善，比表面积较低，吸附能力不足。

22、作为本发明一种优选的技术方案，步骤(2)所述活化反应的温度为800-950℃，例如可以是800℃、820℃、840℃、860℃、880℃、900℃、910℃、930℃或950℃等。

23、本发明中，若活化反应的温度过低，则咖啡渣生物炭活化不足，孔结构发展不足，比表面积过低，有效吸附面积不足；若活化反应的温度过高，则咖啡渣生物炭气化反应程度过高，活性炭产率较低，碳排放量过大。

24、优选地，步骤(2)所述活化反应的时间为30-120min，例如可以是30min、40min、50min、60min、70min、80min、90min、100min、110min或120min等。

25、优选地，步骤(2)所述活化反应的升温速率为3-10℃/min。例如可以是3.0℃/min、4.0℃/min、5.0℃/min、6.0℃/min、7.0℃/min、8.0℃/min、9.0℃/min或10℃/min等。

26、作为本发明一种优选的技术方案，所述制备方法包括以下步骤：

27、(ⅰ)前处理：将咖啡渣烘干，使其水分降低至10％以下，然后将烘干后的咖啡渣研磨，使其目数为40-200目，得到研磨后的咖啡渣；

28、(ⅱ)热解炭化：在氮气气氛中，将研磨后的咖啡渣进行热解炭化，时间为30-120min，得到咖啡渣炭化料；

29、其中，热解炭化的温度为400-600℃，热解炭化的升温速率为2.0-7.5℃/min；

30、(ⅲ)活化：将所述咖啡渣炭化料和水蒸气活化剂混合，进行活化反应，时间为30-120min，得到所述咖啡渣活性炭；

31、其中，活化反应的温度为800-950℃，活化反应的升温速率为3-10℃/min。

32、第二方面，本发明提供一种咖啡渣活性炭，所述咖啡渣活性炭采用如第一方面任一项所述的制备方法制备得到。

33、作为本发明一种优选的技术方案，所述咖啡渣活性炭具有孔结构，所述孔结构包括介孔和微孔。

34、本发明中，咖啡渣活性炭中形成的孔结构有利于有机物大分子的扩散。

35、优选地，所述介孔的平均孔径为3.18-4.37nm，例如可以是3.18nm、3.2nm、3.4nm、3.6nm、3.8nm、4.0nm、4.2nm或4.37nm等。

36、优选地，所述介孔的孔容占比为10-20％，例如可以是10％、12％、14％、16％、18％或20％等。

37、本发明中，孔容占比为10-20％的介孔结构有利于有机物大分子的扩散。若介孔的孔容占比过少，则导致有机物大分子的扩散阻力增大，不利于其吸附；若介孔的孔容占比过多，则导致活性炭自身吸附能力减弱，降低对污染物分子的吸附效率。

38、优选地，所述微孔的平均孔径为0.52-0.68nm，例如可以是0.52nm、0.55nm、0.6nm、0.65nm或0.68nm等。

39、作为本发明一种优选的技术方案，所述咖啡渣活性炭中氮元素的掺杂量为0.3-1.0％，例如可以是0.3％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％或1.0％。

40、本发明所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

41、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

42、本发明以咖啡渣为原料，通过炭化和水蒸气活化等简单的操作步骤调控制备得到了一种原位氮掺杂的咖啡渣活性炭。基于该制备方法得到的咖啡渣活性炭无需扩孔，灰分值极低，无需酸处理，有效节省了成本，且不产生废酸，应用安全性高。此外，该制备方法为低碳转化过程，该过程强化了活性炭表面的碱性、亲水性及分子间的作用力等，进而提升了亲水性较强、酸性较强的有机物去除性能，有效实现了咖啡渣低碳资源化与高值利用，具有良好的发展前景。