[发明专利]一种多功能化生物炭及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于生物炭技术领域。具体涉及一种多功能化生物炭及其制备方法。

技术背景

生物炭是生物质经隔绝空气或供氧不足条件下加热分解所得富碳的固体产物。生物炭与普通的炭相比，具有以下优点：①天然赋予N、O、S、P等杂原子官能团，是固定重金属离子优质吸附剂。?天然赋存发达的毛细管结构有利于形成中孔或大孔，以便提高吸附过程的动力学特性。?生物炭作为土壤改良剂，不仅可以用作有机肥，增进土壤肥效，还由于大量有机碳的添加，能改善土壤微团结构的健康，还能吸附稳定土壤中重金属离子，改善土壤溶液与相界面的相互作用条件，有利于降低植物对重金属离子的利用率。此外，生物炭以废弃物为原料，不仅能化害为利、综合利用、变废为宝和减轻对环境的污染，还能起到固碳、储碳、减轻碳排放的作用。

生物炭是以生物质为原料、在供氧不足条件下于350~700°C范围内进行热分解所得的富炭产物，是活性炭制品的一种。在活性炭生产过程中，为增大孔容积和比表面积，根据所用活化方法不同，通常采用不同活化剂，如水蒸汽、二氧化碳、KOH、NaOH、HNO₃、H₃PO₄和ZnCl₂等。其中KOH是一种很强的亲水试剂，与疏水性的炭表面作用时，可起造孔作用（Ru-Ling Tseng，Szu-Kung Tseng，KOH活化对炭的孔隙结构和吸附性能的影响，胶体与界面科学，2005，287：428-437）。然而，KOH活化法制备活性炭在工业化的过程中，遭遇三大技术难题：一是KOH消耗大，反应过程中KOH转化以K₂CO₃为主要产物形态，难以回收，生产成本很高；二是高温条件下KOH对反应器腐蚀性强，只有镍合金才能抵抗KOH的高温腐蚀，设备建造成本高，使用寿命短；三是洗涤用水量大，有时还需使用氢氟酸，造成大量高浓度碱性含氟废水排放，严重环境污染。

为改善活性炭的孔径分布，在制备技术上采用最为有效的方法是纳米模板法和动力学模板法（Shitang Tong, Lei Mao, Xiaohua Zhang,Charles Q. Jia，采用纳米二氧化硅模板法和KOH活化法相结合从煤沥青中合成中孔炭，工业工程与化学研究，2011,50,13825–13830)，采用上述方法可以制备出中孔率很高的中孔炭，如采用纳米模板法的“一种介孔活性炭及其制备方法”（ZL200810186027.9)。但由于采用KOH活化的同时使用大量纳米二氧化硅为模板, 炭化、印模、KOH活化分步进行，过程复杂，模板和KOH用量大，产量低，并且需要在酸性或碱性的条件下洗去模板。这种改善孔径分布的方法，虽然调控活性炭孔径分布非常有效，但由于存在上述问题，目前只能在实验室进行小批量生产。采用动力学模板进行孔径分布调控的方法，主要是通过采用控制反应过程活化剂浓度、温度、升温速率和时间等动力学因素对孔径分布进行调控。有助于微孔的生成，同时也会促进从微孔向中孔和大孔的发展，特别是活化时间总是有利于微孔成长的重要因素。然而动力学模板法调控孔径分布时由于反应过程动力学的复杂性，反应条件是较难掌控的。

 表面功能化的方法很多，较多采用的方法：如采用硝酸氧化法向生物炭表面引入酸性官能团（Rumi Chand,Takanori Watari, Katsutoshi Inoue