[发明专利]固废生物质制备有序介孔碳-金属复合材料的装置与方法

说明书

本发明属于环保材料技术领域，提供了一种固废生物质制备有序介孔碳‑金属复合材料的装置与方法，包括中央控制单元、进料单元、双螺旋混料传送装置、多功能反应器、pH调节器、固液分离装置、水热耦合炭化装置和热解气循环装置。针对有序介孔碳领域苯酚、甲醛等碳前驱体有毒有害的问题，研发了稀酸耦合金属盐催化水热酸解固废生物质代替有毒试剂，并可实现固废生物质高值化利用。金属盐的原位掺杂可获得有序介孔碳‑金属盐复合材料，该产品兼备双电层和赝电容储能特质，电储量优异。金属盐的原位催化可获得高孔隙率的生物炭材料。一体化设备的设计实现了酸解、固化和炭化连续式运行，有利于实现工业化推广和应用。

技术领域

本发明属于环保材料技术领域，尤其涉及一种利用固废生物质作为碳前驱体制备有序介孔碳-金属复合材料的装置与方法，可实现高品质生物炭的同步制备。

背景技术

有序介孔碳是一种孔道排列有序，孔径尺寸可调控、孔径大小介于2～50nm之间的新型纳米结构材料，近年来被广泛应用于储能、催化、传感和水污染治理等多个领域。有序介孔碳制备的三大要素是：前驱物、结构导向剂和溶剂，其中常见的前驱物包括苯酚、间二苯酚、甲醛、苯三酚、环六亚甲基四胺等。例如，中国专利文献CN108483421A公开了一种以间氨基苯酚和对苯二甲醛为前驱物制备富氮有序介孔碳的方法；中国专利文献CN107890869A公开了一种以间苯二酚、三聚氰胺和甲醛为前驱物，硫酸钴为添加剂，高温炭化制备磁性载钴有序介孔碳的方法。上述方法均存在以下问题：苯酚和甲醛等有毒有害化学试剂作为前驱物的使用，不仅导致生产成本过高，且合成过程中会对工人及环境造成危害。

全国每年固废生物质排放量高达几十亿吨，所带来的垃圾渗滤液、大气、水体及土壤污染问题也极其严峻。中国专利文献CN107416791A曾公开一种木质素基有序介孔碳材料的制备方法，该发明利用氢氧化钠热碱溶液在120～160℃下溶解酚化木质素部分替代有毒苯酚作为前驱物制备有序介孔碳。该专利虽然避免全部使用毒性苯酚试剂，但是仍使用了甲醛试剂，且得到的有序介孔碳比表面积较低，若用于电储能方面，电容量较低，难以满足市场需求。因此，开发一种全固废生物质基无苯酚或甲醛等、高储电容量有序介孔碳的制备技术是非常具有实际意义与经济价值的。

此外，目前常规溶剂挥发诱导自组装法和水热合成法均需使用两台分离的装置来实现有序介孔碳的制备。例如中国专利文献CN10601192A公开了溶剂挥发诱导自组装法制备有序介孔碳/Ni纳米粒子块状电极的方法，首先利用玻璃容器合成低分子量有机聚合物，然后利用管式炉炭化获得产品；中国专利文献CN105523538A公开了一种二维有序介孔碳片制备方法，需要水热反应器和管式炉两种独立装置。以上两种方法均采用了两个分离的设备单独进行操作，在工业上难以实现一体化连续运行，且耗费大量的能量及制备时间。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种利用稀酸法耦合金属盐水解固废生物质生成中间体糖类、醛类及生物酚类等，这些中间水解产物可替代甲醛和苯酚等，与模板剂通过氢键、范德华力、静电力形成有序中间体，进而炭化制备有序介孔碳-金属复合材料，并可实现高品质生物炭的同步制备的一体化装置与方法。

本发明的技术方案：

一种固废生物质制备有序介孔碳-金属复合材料的装置，包括中央控制单元1、进料单元2、双螺旋混料传送装置3、多功能反应器4、pH调节器5、固液分离装置6、水热耦合炭化装置7和热解气循环装置8；

所述的中央控制单元1设有互锁式联动控制系统和程序式控制系统，并通过管线分别与双螺旋混料传送装置3、多功能反应器4和水热耦合炭化装置7连接，实时在线观察控制；

所述的进料单元2通过原料卸料阀9与双螺旋混料传送装置3的进口相连通，用于输送固废生物质原料；