[发明专利]一种基于生物质厌氧干发酵后沼渣活性炭制备超级电容器的方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学领域，具体涉及一种基于生物质厌氧干发酵后沼渣活性炭制备超级电容器的方法。

背景技术

我国是农业大国，每年生产农业固体废弃物约为40多亿吨，其中禽畜粪便为30多亿、农作物秸秆总量为7亿吨、蔬菜废弃物为1-1.5亿吨。这些废弃物既是严重的污染源又是宝贵的生物质能源。但如今这些废弃物大都是被随意焚烧、丢弃或者直接排放到环境中，造成环境污染的同时又造成了资源的浪费。如何有效处理农业废弃物已成为国内外必须面对的重大环境难题。

目前，厌氧发酵技术是国内外比较成熟的农业废弃物资源化利用技术之一。该方法使秸秆在受控条件下进行生物发酵、产生沼气等，且过程中不需要供应氧气和大量能量，而且可以将发酵物质90％的能量储存在甲烷中。厌氧发酵技术分为厌氧湿发酵和厌氧干发酵。同厌氧湿发酵相比，厌氧干发酵具有节约用水、方便管理、提高容积产气率、处理成本低等优点，同时发酵后沼液产生量少、处理容易、无二次污染、运行费用低、过程稳定。但是在厌氧干发酵过程中产生的沼渣的利用途径较为有限，缺少高值化产品的转化。沼渣中含有有机质、腐殖酸、氮磷钾等多种元素，同时还含有抗生素、除草剂、杀虫剂等难降解的有机污染物，在最终的产品中仍有部分残留。沼渣目前的利用主要分养殖业和土地利用，但是沼渣的养殖业利用因食品安全的考虑而愈来愈受到限制。因为各种添加剂的使用有可能造成沼渣中重金属、抗生素的累积，农田生态系统长期使用沼渣存在污染的隐患。而利用沼渣制备化学原料或能源产品的研究很少，仅有少量利用沼渣制备乙醇(农业机械学报，2015,46(5)：156-163)、生物柴油(Biotechnol Biofuels,2016,(9):253)、生物农药(农业工程学报，2013,29(8)：212-217)的研究报道，其缺陷在于产品的产率较低，而且制备工艺仍然会产生废弃沼渣。所以如何高效率的利用与处理沼渣是目前比较受关注的问题。

因为沼渣中含有未腐熟的原料以及难降解的纤维素等，而纤维素和木质素可以作为制备微孔生物质碳材料的很好的原材料。专利CN103839699A公开了一种利用甘蔗渣制备超级电容器碳气凝胶的方法。专利CN104576077A公开了一种石墨烯/木质素基活性炭的制备及在超级电容器中应用的方法。专利CN105819416A公开了一种生物基多孔碳的制备及其在在超级电容器中应用的方法。生物质碳材料由于其原料广泛，其表面含有大量的含氧官能团，可以提供额外的赝电容等优点，成为碳材料的重要来源。

发明内容

本发明提供了一种价格低廉、合成工艺简单的基于生物质厌氧干发酵后沼渣活性炭制备超级电容器的方法，旨在使沼渣得到合理利用的同时，获得结构稳定、高导电性、孔隙发达的高性能电极材料。

为解决技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明基于生物质厌氧干发酵后沼渣活性炭制备超级电容器的方法，其特在于，包括以下步骤：

(1)收集生物质厌氧干发酵后沼渣，通过去离子水洗涤、酸浸泡或碱浸泡的方法进行预处理，然后在100-105℃烘干10-12h，粉碎过40-100目筛，获得备用沼渣颗粒；

或：收集生物质厌氧干发酵后沼渣，通过去离子水洗涤、酸浸泡或碱浸泡的方法进行预处理，然后在100-105℃烘干10-12h，再加入占烘干后沼渣质量0.1％-2％的铁氧化物，粉碎过40-100目筛，获得备用沼渣颗粒；

(2)将步骤(1)所得备用沼渣颗粒置于高温管式炉中，在惰性气体保护下，以2-15℃/min的升温速率升温至350-550℃，恒温碳化0.5-2h，然后停止加热，继续在惰性气体保护下冷却至室温，取出并研磨成粉状，获得碳化料粉末；

(3)将步骤(2)所得碳化料粉末与活化剂按质量比1:1-4混合，然后加入与碳化料粉末质量体积比为1g:30～150mL的去离子水，超声分散均匀，再在80℃下水浴加热10-12h，最后放入干燥箱中100℃下干燥2-3h；

所得产物置于高温管式炉中，在惰性气体保护下，以2-15℃/min的升温速率升至650-900℃，恒温活化0.5-2h，然后停止加热，继续在惰性气体保护下冷却至室温，获得活化产物；

(4)将步骤(3)所得活化产物置于浓酸中，超声浸泡10-30min，然后用80℃去离子水洗涤至中性，再将产物置于烘箱中100℃下干燥10-12h，最后过200-400目筛，即获得用作超级电容器电极材料的活性炭；