[发明专利]一种高吸附性活性炭的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种活性炭的制备方法，尤其涉及秸秆木质素制备活性炭的方法。

背景技术

活性炭作为一种多孔性含炭素材料，其内部具有十分发达的孔隙结构和巨大的比表面积，表面具有不同种类的含氧基团，具有脱色精制、消毒除臭和去污提纯等功能，已广泛应用于食品工业、制药业、化工、能源和环保等领域。据最新报告显示，未来5年全球活性炭需求有望以年均9.9％的速度快速增长，到2014年全球活性炭需求将达到170万吨。其中，全球最大的活性炭市场美国将以年均超过15％的速度增长，到2014年美国活性炭需求将达到69万吨。中国是世界上最大的活性炭生产国，活性炭的产量占世界产量的三分之一，但现有的制备活性炭的材料主要是煤质和木质两大类。在能源危机和环境问题日益严重的今天，利用资源丰富、价格低廉的农林废弃物制备活性炭不仅有利于解决日益增长的活性炭的需求与原材料不足的矛盾，而且是一种有效的实现固体废物资源化的途径。

木质素又称木素，是自然界产量仅次于纤维素的天然高分子物质，是最为丰富的、能从可再生资源取得的芳香族化合物。但是，目前以植物纤维为原料的产业，如纺织、制浆造纸、木材水解、生物质材料、生物质能源等，木质素基本上都作为废弃物排出。据估计，全世界每年排出约1.5～1.8亿吨工业木质素，其中绝大部分作为热源利用，只有不足1％(主要是木质素磺酸盐)作为有机化学资源被再利用，另外还有一部分被排放成为环境污染物，这不仅造成了严重的环境污染还造成资源的大量浪费。

木质素具有较高的碳含量和与烟煤相似的分子结构，是生产活性炭较理想的前驱体。以木质素为原料生产活性炭，既可促进木质素的高值化利用，又可减轻废液排放对环境的污染。

课题组采用相对温和的脱木质素方法(专利号：ZL201010141040.X)，不仅可获得高品位的纤维素，而且可回收木质素。分离出的秸秆木质素与传统木质素相比，不仅不含硫，而且聚糖含量低，是一种环境友好又便宜的制备活性炭的前驱体。

目前，以木质素为原料制备活性炭，尚处于实验室研究阶段，未见成熟的生产工艺出现，报道的活化剂主要包括H₃PO₄[E Gonzalez-Serrano，T Cordero，et al.Removal of water pollutants with activated carbons prepared from H₃PO₄ activation of lignin from kraft black liquors.Water Research，2004，38：2543-2550.]、ZnC1₂[周建斌，张齐生，等.水解木质素制备药用活性炭的研究.南京林业大学学报(自然科学版)，2003，27(5)：40-42.]、K₂CO₃[Y Sun，J Wei，Y S Wang，et al.Production of activated carbon by K₂CO₃ activation treatment of cornstalk lignin and its performance in removing phenol and subsequent bioregeneration.Environmental Technology，2010，31(1)：53-61.]、KOH[P J M Carrott，M M L Ribeiro Carrott，Suhas.Comparison of the Dubinin-Radushkevich and Quenched Solid Density Functional Theory approaches for the characterisation of narrow microporosity in activated carbons obtained by chemical activation with KOH or NaOH of Kraft and hydrolytic lignins.Carbon，2010，48：4l62-4169.]和NaOH[蒋莉，马飞，梁国斌，等.木质素活性炭的制备及工艺优化.新型炭材料，2011，26(5)：396-400.]。虽然H₃PO₄(CN201110006484.7，CN201010223398.7)和ZnCl₂(CN200910254649.5，CN201010028162.8)这类脱水化学活化剂被广泛地用于活性炭的生产，但其存在潜在的环境污染以及营养盐的富集积累现象。因而，近年来钾碱活化剂在制备大比表面积活性炭方面的研究引起国内外研究者的关注。强碱活化剂(如NaOH和KOH)所制备的活性炭吸附性能较好(CN201110106742.9，CN201010514975.8，CN201110158695.2 CN200910195690.X)，但却存在对设备腐蚀严重的缺陷。因此，碱性较弱、对设备腐蚀较小的碳酸盐成为化学活化法制备活性炭过程中一种较优良的活化剂(D Adinata，W M A W Daud，M K Aroua.Preparation and characterization of activated carbon from palm shell.by chemical activation with K₂CO₃，Bioresource Technology，2007，98：145-149.II Gurten，M Ozmak，E Yagmur，et al.Preparation and characterisation of activated carbon from.Biomass and bioenergy，2012，37：73-81.)，但以木质素为原料制备活性炭的工艺未见相关专利文献。鉴于传统木质素及现有活化剂在木质素制备活性炭中的缺陷，本发明以秸秆木质素为原料，以K₂CO₃、KHCO₃中的一种或两种的混合物为活化剂进行炭化活化处理，经过简便的工艺过程，不仅可以获得高比表面积的活性炭，而且可以避免传统木质素炭化活化过程中产生的SO₂或H₂SO₄造成的环境污染和对反应设备的腐蚀。