[发明专利]一种生物质制备高强度炭材料的方法

说明书

本发明属于生物质能利用领域，并公开了一种生物质制备高强度炭材料的方法。该方法包括：(a)选取生物质作为原材料，一部分在惰性气氛下进行第一次热解，获得包括有固态焦和液态焦油的热解产物，另一部分水解并过滤后，获得富含糠醛和5‑羟甲基糠醛的水解液；(b)将固态焦、液态焦油和水解液混合获得混合溶液，将该混合溶液进行第二次热解，该过程中，糠醛和5‑羟甲基糠醛作为促进剂使得液态焦油和固态焦发生交联聚合反应，生成的固体物质冷却后即为所需的炭材料。通过本发明，提出了全新的原料为价廉易得的生物质制备高强度炭材料的方法，制备的炭材料强度高，实现了生物质能的高值化利用。

技术领域

本发明属于生物质能利用领域，更具体地，涉及一种生物质制备高强度炭材料的方法。

背景技术

高强度碳材料，须具有良好的强度、力学性能和电学性能等，在多种工业应用中需求量巨大，例如钢铁工业中所用的冶金焦。目前上述高强度碳材料的生产制造过程需要消耗炼焦煤、煤焦油沥青等化石燃料，对环境造成的危害较大。因此，利用环境友好型资源制造高强度碳材料的技术亟待开发。

生物质是唯一含碳的可再生资源，具有清洁、可再生、分布广泛和碳中性等特点，可替代化石燃料用于制备高强度炭材料。目前，通过生物质热解半焦可制备含有微孔及中孔的炭材料。然而，由于热解半焦的生成是伴随着挥发分析出的碳化过程，所以其多孔结构难以避免，进而导致生物质热解半焦制备的炭材料强度低，无法满足高强度炭材料的需求。大量研究通过尝试热解不同生物质原料，改变不同反应条件来降低热解半焦的孔隙率，但结果仍不满足高品质碳材料要求。

因此，亟需一种新的技术路线改善生物质基炭材料强度弱的缺点。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种生物质制备高强度炭材料的方法，该方法通过将生物质分别热解和水解，并将热解得到的焦、焦油和水解得到的水解液混合，其目的在于将水解液作为促进剂，以此促进焦油和焦的交联聚合反应，利用焦油易受热成焦的特性，使用焦油受热产生的焦填补热解焦的孔隙，焦油受热产生的焦与热解焦在化学结构上紧密相联，以此提高获得的炭材料的强度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种生物质制备高强度炭材料的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)选取生物质作为原材料，并将其分为两部分，一部分所述生物质在惰性气氛中进行第一次热解，获得包括有固态焦和液态焦油的热解产物，将另外一部分所述生物质水解并将水解产物过滤，获得含有糠醛和5-羟甲基糠醛的水解液；

(b)将所述固态焦、液态焦油和水解液混合获得混合溶液，将该混合溶液进行第二次热解，该第二次热解后生成的固体物质冷却后即为所需的炭材料，其中，所述第二次热解过程中，所述糠醛和5-羟甲基糠醛作为促进剂使得所述液态焦油和所述固态焦发生交联聚合反应，使得所述液态焦油结焦填补所述固态焦中的孔隙，以此降低所述固态焦中的孔隙率。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述第一次热解的温度范围为500℃～550℃，升温速率不小于50℃/s。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述第二次热解的温度范围为800℃～1000℃，升温速率不大于0.3℃/s。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述混合时，所述水解液的质量为所述固态焦与液态焦油质量之和的20％～40％。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述生物质优选采用低灰分的生物质。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述混合前优选将所述固体焦焦磨成粒径为不大于0.3mm的颗粒。

按照本发明的另一方面，提供了一种如上述所述的方法制备获得的炭材料产品。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：