[发明专利]一种利用农林废弃物制备生物质炭的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用农林废弃物制备生物质炭的方法，特别涉及一种利用农林废弃物制备出碳元素含量及热值高的生物质炭材料的方法，属于炭素材料制备和生物质资源利用技术领域。

背景技术

随着能源和资源的短缺以及环境污染的日益严重，生物质资源的利用研究引起了广泛的关注。生物质资源如农业废弃物、林业生物质、能源植物、水生植物等都属于可再生资源而成为石油资源的替代品，而且大部分生物质资源含有丰富的碳元素，成为制备各种碳材料的丰富原料。这些可再生的生物质资源能转化为生物质燃料和产品，为人类提供可持续发展的机会。

生物质在水热条件下能够发生氧化、脱水、脱氢、烷基化、水合、水解和裂解等反应。水热碳化合成的碳基材料，其应用主要包括固碳、土壤改良剂、选择性吸附剂、药物传递和电极材料，而且生物质水热过程是将大气中的CO₂固定在含碳物质上的最有效的手段，其碳的利用率接近1。这些碳基材料表面富集能显著改善亲水性和化学活性的官能团。目前，该领域研究的重点已经从化石燃料转变到以生物质作为原料合成碳基材料，同时也有望为合理利用过剩的生物质，为储存碳能源和避免直接焚烧对环境的严重污染等提供新的解决方案。

目前，国内外对于生物质碳材料及其制备方法的研究众多，一般为微孔碳材的形态存在。尽管水热碳化法在合成许多具有不同结构和大量官能团的碳基材料方面取得了杰出成效，但是在最重产物的组成和详细的机理过程方面还存在着研究空白。

公开号为CN 101585532A的中国发明专利申请公开了一种利用生物质残渣制备高比面微孔碳材料的方法。该制备方法是：将干燥、粉碎后的生物质残渣与化学活性物质充分混合，再放入焙烧炉内，升温到500～900℃进行碳化处理制备成微孔结构碳材料。公开号为CN 102219204A的中国发明专利申请公开了一种生物基胶体碳的制备方法。该方法采用稀酸、浓酸分别水解生物质获得木糖和葡萄糖的糖酸溶液，再进行碳酸溶液原位缩聚碳化，制备出以木糖或葡萄糖为前驱体且粒径为180～200nm的胶体碳球。公开号为CN101428786A的中国发明专利申请公开了一种一步反应合成功能化碳材料的制备方法。具体方法是利用叠氮化合物加热分解后的氮宾的超强活性，与碳-碳双键发生反应，从而将有机组分共价键连接于碳材料表面。公开号为CN 101888970A的中国发明专利提供了一种多孔碳材料复合物及其制备方法，并介绍了吸附剂、化妆料、净化剂和光催化复合材料的性质。该多孔碳材料复合物的比表面积为10m²/g，微孔容积为0.1m³/g。授权公告号为CN100467372C的中国专利公开了一种生物质高比面积微孔碳材料的制备方法，该方法先将生物质在管式炉中300～500℃碳化3～4小时，碳化产物再用碱性溶液浸渍后在700～800℃下火花1.5～3小时，最后再用稀酸浸泡干燥后制得具有高比较面积以及较窄孔分布的微孔碳材料。授权公告号为CN 101299397B的中国专利公开了一种多孔碳电极材料的制备方法，该多孔碳电极材料采用模板碳化法和CO₂后处理结合的方法，以介孔氧化硅为模板，以蔗糖、糠醛、糠醇、聚丙烯等为前驱物，通过液相浸渍、高温碳化和模板去除等工艺，然后结合CO₂高温处理，得到超级电容器用多孔碳电极材料。授权公告号为CN 1182180C的中国专利公开了一种生物质衍生碳质中间相制备方法，采用生物质资源材料作为原料，首先通过与酚类物质、浓硫酸微波或者油浴加热，在100～300℃条件下实现酚化改性/羟基化改性，接着通过溶剂处理后再将得到的粉体在100～400℃温度下热处理或者微波处理一点时间，从而制得中间相碳微球、含中间相的自烧结性粉末和含中间相的高分子。刘志坤和叶黎佳报道了以五种典型的生物质废弃料为原料，在箱式电炉内450和550℃碳化，得到的生物质炭化材料官能团主要变化为醚键断裂(C-O-C)、羰基(C＝O)、甲基(-CH₃)和亚甲基(-CH₂)消失，但仍存有羟基(-OH)、烯烃(C＝C)和芳香族化合物(参见：刘志坤，叶黎佳.(2007)生物质炭材料制备及性能测试.生物质化学工程41(5)：28-32)。但该方法是利用空气进行碳化反应。

目前，制备的生物质炭材料存在三方面不足：一是大部分以不可再生的煤作为原材料，而且来源不广泛；二是采用多部法制备，程序复杂，生产成本高；三是制备过程中加入酸碱等催化剂，设备耐腐蚀度高，而且对环境具有一定的污染。

发明内容