[发明专利]一种利用硫酸活化生物质制备高机械强度炭颗粒的方法及其应用

说明书

本发明提供了一种利用硫酸活化生物质制备高机械强度炭颗粒的方法及其应用，包括以下步骤：(1)将洁净干燥的生物质粉碎得到生物质粉，加入硫酸混合均匀，活化得到浆料；(2)将浆料放入制条机中制成条状物后再搓成球状颗粒，再低温烘干以实现表面硬化；(3)在惰性气体氛围中，将表面硬化的球状颗粒置于管式炉内进行热解，随后冷却至室温、洗涤、干燥，得到高机械强度炭颗粒。本发明中的生物质经硫酸活化后可自粘结成型，制备的炭颗粒抗压强度高，比表面积大，性能稳定，生产成本低。可作为电极材料构建微生物电化学系统。

技术领域

本发明属于生物质技术领域，具体涉及一种利用硫酸活化生物质制备高机械强度炭颗粒的方法及其应用。

背景技术

生物炭是一种由各类生物质在限氧的条件下热解形成的富含碳元素的黑色固体物质。生物炭的制备原料来源十分广泛，包括椰子壳、芦苇、木屑、农林废弃物、污泥等。生物炭比表面积较大，其表面含有大量羧基、羰基、内酯基、羟基、酮基等官能团，从而使生物炭具备良好的吸附、离子交换和电化学活性等特性，另外生物炭的成本较低，在环境修复领域日益受到广泛关注，被作为水处理吸附剂、土壤修复改良剂等。但通常情况下，与市场上所使用的活性碳相比，生物炭对污染物的吸附能力相对较低。此外，由于生物炭密度较低，颗粒度小，在污水处理过程中很难从水体中进行分离，施用于土壤后容易随水迁移、下渗，从而可能造成环境二次污染，这大大限制了生物炭技术的推广及应用。因此开展高密度、高强度的成型生物炭材料的研究对生物炭的推广应用非常必要。

在生物炭材料的应用方面，已有研究将生物炭材料作为微生物电化学系统的电极，微生物电化学技术能够利用废水中的有机物将化学能转化为电能，在水处理方面具有较大的应用潜力，其中电极材料的成本较高是限制其应用的因素之一。相比于活性炭、石墨等，生物炭的成本大大降低，但生物炭电极构建的微生物电化学系统的性能与活性炭、石墨电极系统相当，因而将生物炭作为电极材料具有优势。将天然材料如植物洋麻、柚子皮、苍耳子等碳化作为三维电极材料，天然材料直接碳化后的机械强度不足，易破碎而导致性能不稳定。而将生物炭制成粉末再加入粘结剂辊压或压制成电极，制备工艺繁琐。基于此，生物炭材料在微生物电化学系统中的应用形式也需要拓展。

目前常见成型生物炭材料的制备方法主要包括三种：第一种方法是以天然生物质原料为前驱体，直接炭化得到成型生物炭；第二种方法是先加入粘结剂将生物质原料挤压成型，再热解已成型原料；第三种方法是先制备生物炭粉，再加入有机粘结剂(如腐殖酸及其钠盐、酚醛树脂、纤维素基粘结剂、煤焦油沥青和聚乙烯醇等)或无机粘结剂(膨润土、蒙脱土、高岭石和硅藻土等)挤压成型。这三种方法均存在一定的局限性：第一种方法制得的成型生物炭抗压强度和硬度都很差；第二种方法粘结剂在炭化或活化过程的高温作用下(500℃)易失活，使得终产物抗压强度和密度下降，使用过程中易破碎；第三种方法粘结剂直接加入到生物炭中会破坏孔径结构、降低比表面积，减少活性吸附位点，额外加入的粘结剂也增加了生物炭的制备成本。

此外，将生物炭应用于污染物吸附、微生物载体等水处理过程中，材料的机械强度、比表面积、表面活性位点的含量(包括孔径、边缘缺陷、拓扑缺陷及表面官能团等)直接影响材料的性价比。因此，在材料制备过程中，针对如何实现高比表面积、高机械性能、低成本的生物炭颗粒的有效制备的研究是非常有意义的。

发明内容

本发明涉及一种利用生物质前驱体制备高机械强度生物炭颗粒的方法及其应用，具体涉及以硫酸活化废弃生物质水解形成自粘结成型炭颗粒的方法，及其在微生物电化学系统电极材料的应用。本发明的技术方案具体如下：

一种利用硫酸活化生物质制备高机械强度炭颗粒的方法，包括以下步骤：

(1)将洁净干燥的生物质粉碎得到生物质粉，加入硫酸搅拌均匀，活化得到浆料；

(2)将所述浆料放入制条机中制成条状物后再搓成球状颗粒，再低温烘干以实现表面硬化；