[发明专利]一种利用废弃活性炭制备掺氮活性炭的方法

说明书

技术领域

本发明属于废弃活性炭回收再生制备新材料领域，具体是涉及一种利用食品行业精制脱色过程所产生的废弃活性炭制备掺氮炭材料及其应用。

背景技术

我国的粮食转化工业如发酵工业得到了飞速发展，其中淀粉糖产量约近200万吨/年，柠檬酸40万吨/年，味精产量100万吨，这些产品在生产和精制过程中势必需要用到活性炭。据粗略统计，仅味精精制过程用炭量一年就要3.5万～4.0万吨，另外山梨酸、柠檬酸、医药中间体、食品添加剂及染料中间体等等，需木质活性炭的年用量也达约3.0万～3.5万吨。这些吸附饱和后的活性炭作为废弃物大多直接丢弃或进行焚烧、填埋处理，这不仅增加生产成本还造成了环境的极大污染，其中所吸附的有机物质也未得到合理的处理及回收利用，同时也造成了资源的浪费。

活性炭作为一种具有高比表面积、孔隙发达的材料，具有耐酸碱腐蚀、价格低廉等优点。在工业生产食品、医药等领域中，脱色工序是必不可少的环节，而活性炭作为一种具有高吸附能力的吸附剂更是得到了广泛的应用，如在生产味精领域中，活性炭常用来吸附色素、铁离子，其表面还会吸附谷氨酸钠、蛋白质、氨基酸等含氮物质；热原(pyrogen)作为一种医药产物中伴生的致病菌，常通过针用活性炭(针剂活性炭、药用活性炭)在进行脱色的同时吸附脱除；L-色氨酸是人和动物必需氨基酸,对人和动物的生长发育、新陈代谢起着重要作用，目前色氨酸的提取工艺包括微滤、离子交换、脱色、蒸发、结晶，其中脱色工序多采用活性炭吸附脱色。这些吸附饱和后的活性炭作为废弃物大多直接丢弃或进行焚烧、填埋处理，这不仅增加生产成本还造成了环境的极大污染，其中所吸附的含氮物质也未得到合理的处理及回收利用，同时也造成了资源的浪费。

将吸附了有机物的废活性炭进行再生的办法是将有机物浸出、分解或者原位炭化。目前，此类废炭的常用再生方式为高温法、酸碱洗涤法、氧化再生法、微波辐照法、溶剂再生法、生物再生法等，这几种方法能使废炭在一定程度上得以再生，但也存在一定的问题，如高温法的再生率不高，酸碱洗涤法对设备存在一定的腐蚀问题，溶剂再生法同时会产生大量的废液，微波再生法难以实现工业化生产，生物再生法也存在活性炭的表面留存有机物等缺点。此外，高温法、酸碱洗涤法处理并不能根本上解决“危固”的问题，而只是将其转变为“危气”、“危液”等，目前仍缺乏一种有效的处理工业脱色废弃活性炭的手段。吸附在活性炭上的组分复杂，需要使用大量的有机溶剂及复杂的工艺才能够提纯，极大的提高了能耗及环保成本。如果能够直接将废弃的活性炭转化为可以功能化的活性炭，一方面能够恢复活性炭的骨架结构，另一方面在再生的过程中可对活性炭进行改性，提高其的附加值，如作为催化剂载体，这也可以大大降低生产成本，实现资源的再利用。

掺氮炭材料作为一种新型碱性炭材料，在吸附及催化领域展现出了优良的性能，目前掺氮炭材料尚未实现产业化生产，文献中关于掺氮炭材料的制备方法较多，但是大都是对已合成好的炭材料通过浸渍额外的有机或者无机氮源如氨水、尿素、碳酸氢铵、三聚氰胺等进行改性而得，此类方法均需要额外耗费含氮试剂，如发明专利[申请公开号CN106115698A]以废炭为碳源，草酸铵为氮源，经机械研磨及炭化制备出掺氮炭材料。发明专利[申请公开号CN105819443A]选用废弃植物基生物质为原材料与活化剂、含氮磷酸盐混合浸渍，经干燥、炭化制备出掺氮炭材料。发明专利[申请公开号CN103922306A]选用生物质原料为碳源，在惰性气氛下进行炭化后，又在氨气气氛下进行二次炭化处理，得到高氮掺杂量的改性多孔炭材料。发明专利[申请公开号CN105948045A]采用淀粉为碳源与外加氮源经水热、活化后，经过高温炭化得到掺氮活性炭纳米微球。这些方法都在一定程度上存在着成本高，工艺复杂，额外消耗大量的有机原料等缺点，同时对反应器存在一定的腐蚀问题，难以实现产业化生产。

本发明针对以上问题，提出了一种变废为宝制备氮掺杂的碱性活性炭思路，利用废弃活性炭中所吸附的有机物(谷氨酸、甘氨酸、对乙酰氨基酚、酒糟等)作为氮源，通过欠氧条件下热处理将含氮有机物裂解，一步得到掺氮的活性炭。本发明在对废弃物进行资源循环化利用的同时实现了活性炭的改性，在恢复活性炭的孔隙结构的同时将氮元素引入到活性炭的表面，得到掺氮的碱性活性炭，

本发明一种利用废弃活性炭制备掺氮活性炭的方法可以一举三得，在处理废炭的同时，恢复了孔隙结构，同时引入了活性中心，一步实现了废炭的资源化利用；可以节约成本，减少三废排放，变废为宝，是一个绿色环保的固体废弃物资源化利用的新途径。

发明内容