[发明专利]一种生物质制备活性炭的方法

说明书

技术领域

本发明属于生物质能源化工技术领域，特别涉及一种生物质制备活性炭的方法。

技术背景

生物质是通过光合作用而形成的各种有机体，它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，它分布广泛、可利用量大，是一种可再生能源，并且也是唯一一种可再生的含有碳氢组分和热能的、可储存的自然原料。生物质价格低廉且容易获得，含有大量富含碳素的纤维素、半纤维素和木质素等特殊结构的大分子物质，无机物含量低。利用生物质进行能源利用和化工生产，具有CO₂零排放的特征，发展潜力巨大。

活性炭(Activated carbon，简称AC)是一种利用生物有机物质制备的具有发达孔隙结构和大比表面积的多孔碳素材料，主要是以石墨微晶为基础的无定型结构。活性炭具有发达的微孔结构。活性炭孔径范围是10^-1～10^-4nm。按物理形态分类，活性炭可分为粉末活性炭、颗粒活性炭、活性炭纤维和活性炭纤维布。

活性炭作为最古老和最重要的工业吸附剂之一，与其他吸附剂(树脂类、硅胶、沸石等)相比，具有许多优点：①高度发达的孔隙结构和巨大的内比表面积；②炭表面上含有(或可以附加)多种官能团；③具有催化性能；④性能稳定，可以在不同温度、酸碱度中使用；⑤可以再生。活性炭既是优良的吸附剂，也可广泛应用于工业生产、农业、催化剂载体、环境保护、国防、气体分离、水质净化、医药中间体与原料中间体的脱色、空气净化、储氢、膜分离、化工分离、分析传感器等诸多领域。

传统的制备活性炭原料可以分为3类。①矿物类。如烟煤、石油沥青、石油焦等。②塑料类。如聚氯乙烯、聚丙烯、呋喃树脂、酚醛树脂、聚碳酸脂、聚四氯乙烯等。③其他含碳废弃物。如废轮胎、除尘灰、剩余污泥等。但传统的制备活性炭的原料价格一般比较昂贵，而且无论是矿物类原料还是塑料类原料，都会对环境，尤其是大气环境造成严重的污染。因此，寻找价格低廉、产量丰富且环境友好的原料是目前活性炭开发研究的重点。

活性炭的原料应满足碳含量高、有机物含量低、环境友好、来源广、成本低、数量大、易活化、降解速率慢等条件。植物生物质则能很好的满足上述要求，因而是一种非常有前景的生产活性炭的原料。按不同的来源，制备活性炭的植物生物质原料可以分为以下4类。①农业废物类。如椰壳、花生、米糠、玉米杆、稻壳、甘蔗渣等。②木材类。如松木锯屑、松针、油橄榄枝等。③竹类原料。如各种竹子和竹屑等。④木质素。主要源于工业纸浆的副废物。对于不同植物生物质原料，其用于制备活性炭的方法也各不相同。

把生物质通过炭化和活化反应转化为工业产品，可以取得双重的有效效果，一是使生物质废物得到充分利用，减少资源浪费，二是可以减轻由于传统的活性炭制备方法所带来的环境污染问题，为建设资源节约型社会和环境友好型社会起到积极作用。

活性炭的制备一般包括两个主要的阶段：即炭化和活化。在制备过程中，这两个过程可以分开单独依次进行的，即一步炭化活化法．或者两个过程同时进行的，即两步炭化法。炭化是指有机物通过热解而导致生成含碳量不断增加的化合物的一个长过程。温度是炭化过程中的重要因素，炭化温度一般为450～1000°C。一般情况下，随着温度的升高，木炭和活性炭的产量逐渐减少。但是，随着温度的升高，产物中灰分和固定碳的比例增加，挥发性物质的比例减少。因此，温度越高，活性炭的性能越好。活化的目的是利用蒸气或化学物质来清除炭化过程中积蓄在孔隙结构中的焦油物质及裂解产物及与炭原子氧化，扩大炭化料裂孔隙及创造微孔以提高孔洞体积或比表面积，产生高吸附量的活性炭。活性炭的活化方法可分为3种：物理活化法、化学活化法和蒸气裂解活化法。其中物理活化法指将炭化材料在高温下用水蒸气、二氧化碳或空气等氧化性气体与碳材料发生反应，使碳材料中部分无序碳氧化刻蚀成孔，在材料内部形成发达的微孔结构。化学活化法是指将化学药品加入到原料中，然后在惰性气体的保护下加热，同时进行炭化和活化的方法。蒸气裂解活化法指中温(500～800°C)条件下，通入纯蒸气或蒸气进行活化的过程。目前，物理活化法和化学活化法应用较多，而蒸气活化方法由于对设备要求比较高，过程不易操作控制，应用和研究比较少，只在实验室范围内进行一些研究。

发明内容

本发明的目的是要克服传统的活性炭制备方法所产生的环境污染问题，提出一种简单、高效、节能的生物质催化热解活化制备活性炭的方法。

为了达到上述目的，本发明活性炭制备方法，包括生物质炭化和焦炭活化步骤，详细描述如下：