[发明专利]高摩尔质量生物材料的水热处理方法

说明书

本发明涉及一种将生物材料转化为结构性碳产品的方法，特别是将水热处理步骤用在具有>40重量％碳含量干物质的高摩尔质量有机起始物料中进行。本发明还涉及一种通过所述方法获得的结构性碳产品，其具有明确的理化性能，例如在表面积、碳含量、密度、尺寸和性状的方面，以及该方法在生产包含所述碳产品的橡胶或塑料产品或颜料中作为添加剂的应用。

发明背景

发明领域

本发明涉及一种高摩尔质量生物材料的水热处理方法，其进一步具有高碳含量。此外，本发明还涉及通过所述方法获得的结构性碳产品，以及这些产品的应用。

相关技术说明

碳化是将生物材料转化为更高碳含量产品的常用方法的一般术语。这些方法能够利用热作为一种热裂解进行。然而，也可使用水，以及有时使用催化剂。

水热碳化(Hydrothermal carbonization，HTC)是涉及使用中热和中压的技术。所述技术自20世纪初期就已经使用。其基于将水相中的生物材料转化为含煤产品的放热反应，利用适度升高的温度和压力，同时产生极少量的CO₂排放。水热液化(Hydrothermalliquefaction，HTL)是一种与HTC方法类似的转化方法，但其使用的工艺条件(温度和压力)比HTC方法中的略微严苛。

以往的各种出版物已描述了这些类型的方法。JP 2011178851公开了木质素在300℃下水热处理生成碳化木质素方法，所述碳化木质素可用于电线或电缆护套。相应地，DE102009015257公开了在至少5bar的压力和至多100℃的温度下水热碳化动植物源(包括木片)生物材料，其中的工艺条件在加热和供水方面进行了改进。

通常还会使用催化剂，特别是为了加速转化或降低所需的温度或压力。WO2008095589A1涉及在加压条件下水热碳化生物质的方法，并优选地在140–240℃的温度下使用催化剂，其中根据转化所需的时间改进了工艺条件。相应地，WO2009127727A1涉及两步法水热碳化包括动植物源材料的生物质以获得类煤材料，其中，第一步在加热下进行，优选温度210–250℃，第二步在催化剂(聚合引发剂)下进行，因此可降低温度。在出版物中，声称所述方法被改进了，除了其他以外，在转化需要时间和质量控制方面进行了改进。

在过去，很多种类的生物质，也包括木质素，已应用于HTC。实际上，不同于其他常规方法，例如燃烧，HTC能够使用具有相对高的水含量的生物质原材料，例如木质材料，包括纸或纸板浆(board pulp)以及各种植物源废料。Zhang，J等人的文章(Journal ofChemical Technology and Biotechnology(2011),86(9),1177-1183)描述了从纸浆黑液生产球状木质素和类球状微孔或介孔活性炭的方法。类似的，Kang等人的文章(2012)涉及含有30重量％的原木质素含量的黑液在220–285℃进行水热碳化的方法，其中使用甲醛作为聚合剂来生产提高了收率和碳回收效率的水热生物炭(hydrochar)。

因此，此前已经进行了改进水热处理的很多尝试。部分是因为这些方法能够应用于高含水量的生物质的事实，没有找到将生物质分裂成碎片(fractions)的原因。事实上，在所述方法中利用有效生物质的所有含碳废组分来减少进一步废料的量被认为是有利的。

然而，本发明的发明人发现仅使用生物质的高摩尔质量部分作为水热处理的起始物料能够获得产量和效率的提高。

出乎意料地发现本发明的新方法获得的产品具有改进的形态控制和更好的特定理化性能(例如，在表面积、碳含量、密度、尺寸和形状方面)。

发明内容

本发明的目的是提供一种将生物材料转化为纯碳产品的改进方法。

特别地，本发明的目的是提供一种利用高碳含量的材料作为水热处理的起始物料的方法。