[发明专利]生物质基多孔碳复合材料及制备与在CO2

说明书

本发明涉及一种生物质基多孔碳复合材料及制备与在CO₂吸附中的应用，生物质基多孔碳复合材料以制浆造纸黑液固形物为前驱体，通过电弧处理后得到，具有可物理吸附CO₂的多孔碳结构、以及可化学吸附CO₂的碱性物种，所述多孔碳结构以所述前驱体中的木质素为碳源，以前驱体中的氢氧化钠、钠盐及小分子碳水化合物降解物为模板剂和活化剂，受电弧热炭化并自活化后得到，所述碱性物种为前驱体中的氢氧化钠、钠盐受电弧热分解后得到。还涉及一种生物质基多孔碳复合材料在CO₂吸附中的应用。本发明实现了制浆造纸黑液全利用，获得兼具CO₂吸附物理位点和化学位点的高性能多孔碳复合材料，避免从黑液中分离、提取、纯化木质素的步骤及成本。

技术领域

本发明涉及碳基复合材料，尤其是一种生物质基多孔碳复合材料及制备与在CO₂吸附中的应用。

背景技术

利用可再生的生物质资源制备高品质生物炭是现如今的发展趋势和研究热点，生物炭一般通过热解炭化和水热炭化两种方法制备得到，生物质水热炭的炭化程度不及热解炭，一般只能应用于如水体污染物吸附剂等底端应用场合中，高端应用往往需要二次热解炭化。由于生物质的特征属性，其在炭化过程中一般需要借助模板剂造孔，所得炭化产物还需进一步活化，以获得高端应用所需的性能。总体而言，生物质炭化存在工艺过程复杂、能耗高、副产物多(VOC、有机废水等)、成本高、产品需进一步精制等问题，严重制约了其规模化生产与应用。

木质素是木质纤维类生物质的三大组成之一，其碳含量高，且丰富的芳香结构使得其更易制备高性能生物炭，利用工业木质素为原料制备生物炭能同步实现工业废弃物的无害化处理与高值化利用，意义重大。

现有技术中，木质素基生物炭大多以纯化的工业木质素为原料，通过添加模板剂、活化剂制备得到(期刊论文ACS Sustainable ChemistryEngineering 6(2018)10454-10462、期刊论文ChemSusChem 8(2015)428-432、学位论文“模板法制备木质素基中孔碳材料及电化学性能研究[D]，中国林业科学研究院，2018”、学位论文“造纸黑液木质素活性炭的制备、表征及吸附应用[D]，山东大学，2018”、学位论文“以木质素为碳源介孔碳及其复合材料制备和电化学中的应用[D]，浙江工业大学，2015”、专利ZL201210207757.9、专利ZL201811376052.3等)，忽视了工业木质素的来源问题，避开了从制浆造纸黑液中提取、纯化木质素的成本及使用化学药剂带来的环境负担。专利CN202010522079.X、专利CN201610697874.6和专利ZL201210207757.9虽然提及了黑液木质素多孔碳，但也只是以制浆造纸黑液为原材料，实质还是先分离得到木质素，再进行后续的多孔碳制备。虽然，木质素是制浆造纸黑液的主要固形物成分，但制浆造纸黑液固形物中还包含其他有机质(碳水化合物降解物)和无机成分，现有的木质素多孔碳制备都忽略了对制浆造纸黑液的全组分直接利用。

CO₂在多孔碳表面的吸附得益于其比表面积和孔体积，即主要利用多孔碳中的微孔和介孔进行物理吸附，通过调控多孔碳的制备工艺可以获得更多的微孔和介孔结构，进而提高CO₂的吸附量，但单纯的物理吸附存在吸附瓶颈、难以大幅突破。为进一步增加多孔碳对CO₂的吸附量，通常在多孔碳中引入杂原子(S、N、P等)创造碱性位点，或与其他碱性材料组合成复合材料，使CO₂更易吸附在多孔碳的表面；然而这些额外的试剂和材料无疑增加了多孔碳吸附CO₂的成本。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种生物质基多孔碳复合材料及制备与在CO₂吸附中的应用，目的是实现制浆造纸黑液全利用，获得兼具CO₂吸附物理位点和化学位点的高性能多孔碳复合材料，避免从黑液中分离、提取、纯化木质素的步骤及成本。

本发明采用的技术方案如下：