一种非均匀炭化农林生物质的方法
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202410883683.3 | 申请日 | 2024-07-03 |
| 公开(公告)号 | CN118599560A | 公开(公告)日 | 2024-09-06 |
| 申请人 | 生态环境部南京环境科学研究所; 南京林业大学; | 申请人类型 | 科研院所 |
| 发明人 | 纪荣婷; 程虎; 李鹏; 朱长银; 刘臣炜; 陆海鹰; 李威; 苏良湖; 张龙江; 韩建刚; | 第一发明人 | 纪荣婷 |
| 权利人 | 生态环境部南京环境科学研究所,南京林业大学 | 权利人类型 | 科研院所 |
| 当前权利人 | 生态环境部南京环境科学研究所,南京林业大学 | 当前权利人类型 | 科研院所 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：江苏省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：江苏省南京市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：江苏省南京市玄武区蒋王庙街8号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：210042 |
| 主IPC国际分类 | C10B53/02 | 所有IPC国际分类 | C10B53/02 ; B01J20/20 ; C02F1/28 ; B01J20/30 ; C02F101/34 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 9 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 南京经纬专利商标代理有限公司 | 专利代理人 | 唐循文; |
| 摘要 | 一种非均匀炭化农林 生物 质 的方法，属于农林生物质废弃物资源化领域。该方法针对传统的一次性全量活化路径，提出了一种更高效的低温预炭化耦合非均匀分段式多次高温炭化路径，在活化剂总量不变的情况下，致孔性能再次显著提升，充分发挥活化剂的功效。此外，非均匀炭化可促进孔径结构的优化，实现了基于单一活化剂的分级多孔 生物炭 的制备。本 发明 不仅为农林生物质高值资源化提供了一种新的方式方法，对多孔炭工艺的升级、换代也起到了重要的技术 支撑 。 | ||
| 权利要求 | 1.一种非均匀炭化农林生物质的方法，其特征在于，包括以下步骤：a）低温预炭化：农林生物质置于水热反应釜中，加水密封，低温炭化1 8 h，冷却后取出，过滤，获得产物A；b）~ |
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| 说明书全文 | 一种非均匀炭化农林生物质的方法技术领域[0001] 本发明涉及固体废弃物处理技术领域，更具体地说，涉及一种非均匀炭化农林生物质方法。 背景技术[0002] 农林生物质资源化是农业环境领域的重点和难点。近些年，热裂解（炭化）农林生物质制备生物炭进行高值资源化备受关注，成本低、性能高，极具前景。然而，在工业废水、废气净化；污染场地土壤修复；挥发性有机污染物去除等方面，生物炭不发达的孔隙结构限制了其应用性能。高孔隙结构生物炭的研发与应用成为了有待突破的重点。在孔隙结构优化技术中，活性炭的制备过程给予了一定的启发。应用活化剂高温炭化‑活化农林生物质可被视为简单、有效的多孔生物炭制备路径。然而，活化剂常为强碱或强酸溶液，腐蚀性强，具有成本高、工业化难度大的限制因素。如何在一定的活化剂基础上，强化其致孔效率是该工艺进一步优化的重要方向。 发明内容[0003] 解决的技术问题：本发明针对强腐蚀性活化剂低效率炭化的问题，旨在提高活化剂在炭化农林生物质中致孔的效率，提供一种非均匀炭化农林生物质的方法。在活化剂总量不变的基础上，提高致孔效率，并将制备的多孔生物炭应用于高效吸附去除水体环境中的酞酸酯。 [0004] 技术方案：一种非均匀炭化农林生物质的方法，包括以下步骤：a）低温预炭化：农林生物质置于水热反应釜中，加水密封，低温炭化1 8 h，冷却后取出，过滤，获得产物A；b）~非均匀高温炭化：将活化剂称重并分成至少2份，产物A与第1份活化剂（N1）混合，2~10 ℃/min升温，高温炭化1 2 h，氮气10 600 mL/min，冷却后取出，研磨酸洗，去离子水洗，干燥，~ ~ 获得产物A1；产物A1与第2份活化剂（N2）混合，同样炭化条件，获得产物A2；循环下去，直到获得最终产物An，其中，N1 [0005] 优选的，步骤a）中农林生物质与水的固液比为200 400 g/L。~ [0008] 优选的，步骤b）中活化剂总量与农林生物质的重量比为（0.5 4）:1。~ [0009] 优选的，步骤b）中炭化温度为500 1000℃。~ [0010] 上述方法制得的高孔隙度生物炭。 [0011] 上述高孔隙度生物炭在水体修复中的应用。 [0012] 应用时，上述水体中含有酞酸酯。 [0013] 有益效果：（1）本发明在活化剂用量不变的前提下，显著提高了生物炭的比表面积和孔容。（2）本发明在单一活化剂的基础上可实现分级孔径结构的构筑，进而同步强化微污染物的质量传输和吸附。（3）本发明方法简单，易于操作，可以用于大规模的推广。（4）本发明提供的高孔隙度生物炭在酞酸酯污染水体修复中的应用，可高效吸附酞酸酯，实现碳封存，避免环境二次污染。附图说明 [0014] 图1为氮气吸附解吸等温线图，具体为实施例1和2中的非均匀炭化路径制备多孔生物炭（C1和C2）与传统法制备多孔生物炭（C0）、非均匀炭化（N1>N2）制备的生物炭（C3）、均匀炭化制备的生物炭（C4）的性能对比。 [0015] 图2为孔径分布图，具体为实施例1和2中的非均匀炭化路径制备多孔生物炭（C1和C2）与传统法制备多孔生物炭（C0）、非均匀炭化（N1>N2）制备的生物炭（C3）、均匀炭化制备的生物炭（C4）的性能对比。 [0016] 图3为实施例2中多孔生物炭对酞酸酯的吸附等温线图。 具体实施方式[0017] 下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。 [0018] 实施例1本实施例提供了一种非均匀炭化农林废弃物的方法，包括以下步骤： （1）低温预炭化：将采集的竹子废弃物清洗干净，105℃烘干，粉碎至100目，置于反应釜中，加入去离子水，固液比：320 g/L，240 ℃炭化4 h，冷却后，取出，过滤得竹子粉水热炭； （2）非均匀高温炭化：活化剂为KOH，总量为12 g。6 g 竹子粉水热炭，3 g KOH，900℃，5℃/min，2 h，200 mL/min氮气保护，冷却后取出，研磨碎，酸洗，去离子水洗，干燥；产物（全部）与9 g KOH混合，900℃，5℃/min，2 h，200 mL/min氮气保护，冷却后取出，研磨碎，酸洗，去离子水洗，干燥，得到最终多孔生物炭产物C1。 [0019] 实施例2本实施例提供了一种非均匀炭化农林废弃物的方法，包括以下步骤： （1）低温预炭化：将采集的竹子废弃物清洗干净，105℃烘干，粉碎至100目，置于反应釜中，加入去离子水，固液比：320 g/L，240 ℃炭化4 h，冷却后，取出，过滤得竹子粉水热炭； （2）非均匀高温炭化：活化剂为KOH，总量为12 g。6 g 竹子粉水热炭，1 g KOH，900 ℃，5 ℃/min，2 h，200 mL/min氮气保护，冷却后取出，研磨碎，酸洗，去离子水洗，干燥；产物（全部）与11 g KOH混合，900 ℃，5 ℃/min，2 h，200 mL/min氮气保护，冷却后取出，研磨碎，酸洗，去离子水洗，干燥，得到最终多孔生物炭产物C2。 [0020] 对比例1本对比例提供了传统活化炭化农林废弃物的方法，不进行均匀炭化处理，具体包括以下步骤： （1）低温预炭化：将采集的竹子废弃物清洗干净，105℃烘干，粉碎至100目，置于反应釜中，加入去离子水，固液比：320 g/L，240 ℃炭化4 h，冷却后，取出，过滤； （2）高温炭化：活化剂为KOH，总量为12 g。6 g 竹子粉水热炭，12 g KOH，900 ℃，5 ℃/min，2 h，200 mL/min氮气保护，冷却后取出，研磨碎，酸洗，去离子水洗，干燥，得到最终多孔生物炭产物C0。 [0021] 对比例2本对比例提供了一种非均匀炭化农林废弃物的方法，包括以下步骤： （1）低温预炭化：将采集的竹子废弃物清洗干净，105℃烘干，粉碎至100目，置于反应釜中，加入去离子水，固液比：320 g/L，240 ℃炭化4 h，冷却后，取出，过滤得竹子粉水热炭； （2）非均匀高温炭化：活化剂为KOH，总量为12 g。6 g 竹子粉水热炭，9 g KOH，900 ℃，5 ℃/min，2 h，200 mL/min氮气保护，冷却后取出，研磨碎，酸洗，去离子水洗，干燥；产物（全部）与3 g KOH混合，900 ℃，5 ℃/min，2 h，200 mL/min氮气保护，冷却后取出，研磨碎，酸洗，去离子水洗，干燥，得到最终多孔生物炭产物C3。 [0022] 对比例3本对比例提供了一种均匀炭化农林废弃物的方法，包括以下步骤： （1）低温预炭化：将采集的竹子废弃物清洗干净，105℃烘干，粉碎至100目，置于反应釜中，加入去离子水，固液比：320 g/L，240 ℃炭化4 h，冷却后，取出，过滤得竹子粉水热炭； （2）均匀高温炭化：活化剂为KOH，总量为12 g。6 g 竹子粉水热炭，6 g KOH，900 ℃，5 ℃/min，2 h，200 mL/min氮气保护，冷却后取出，研磨碎，酸洗，去离子水洗，干燥；产物（全部）与6 g KOH混合，900 ℃，5 ℃/min，2 h，200 mL/min氮气保护，冷却后取出，研磨碎，酸洗，去离子水洗，干燥，得到最终多孔生物炭产物C4。 [0023] 对比结果：2 2 如图1所示，C1比表面积为1976 m /g，C2比表面积为2253 m/g，C0比表面积为1329 2 m/g。活化剂总量不变的情况下，本发明的非均匀炭化方法可将比表面积再次提高70%，增 2 2 量达924 m/g，可为水体环境中污染物的去除提供足够的固定位点。C3比表面积为1320 m/ 2 g，C4比表面积为1778 m /g，表明非均匀活化，若N1>N2，其制孔效果会更差；同时也表明均匀 3 活化其比表面积小于本发明提出的非均匀活化。此外，C1孔容为1.26 cm/g，C2孔容为1.40 3 3 cm/g，C0孔容为0.70 cm/g，本发明的非均匀炭化方法可将孔容再次提高100%，可为水体环 3 3 境中污染物的吸附提供更多的存储空间。C3孔容为0.95 cm/g，C4孔容为0.97 cm/g，表明本发明提出的非均匀活化可显著提升孔容，远高于均匀活化。此外，优异的孔隙结构也可进一步提高其在电力存储等领域的应用性能。 [0024] 如图2所示，C1与C2的介孔数量远超C0，同时含有大量的微孔，实现孔径的分级。与均匀活化相比，本发明提出的非均匀活化制备的生物炭，孔隙相对更大，多出大量的1‑2 nm的孔隙，有助于吸附酞酸酯类有机污染物。 [0025] 炭基产物应用实施例本实施例提供本发明实施例2制备的多孔生物炭在用于酞酸酯污染水体的修复中的应用，具体步骤如下： 2 mg C2置于60 mL含酞酸酯水体溶液中（不同浓度），室温下200 rpm暗处振动，间隔时间采样，10000 rpm离心10 min，取上清液，液相测定酞酸酯浓度，采用差减法计算C2对酞酸酯的吸附量。 [0026] 结果如图3所示，C2可高效吸附酞酸酯，其吸附量可达750 mg/g，表明本发明的生物炭可应用于环境中污染物的吸附去除，实现碳封存。 |
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