[发明专利]一种制浆预水解液制备高得率水热碳微球的方法

说明书

本发明公开了一种制浆预水解液制备高得率水热碳微球的方法。包括以下步骤：(1)向制浆预水解液中加入一定量的无机酸，使预水解液的酸浓度至合适的范围；(2)添加一定量的丙烯酸作为功能剂，在一定温度和时间下进行水热反应，过滤，洗涤，干燥得水热碳微球；(3)将上述水热碳微球分散在碱溶液中搅拌活化一定的时间，得高得率功能化的水热碳微球。本发明利用制浆预水解液中的糖类物质和木质素作为碳源，通过水热碳化反应，制备得到了高产率的水热碳微球，本发明制备的水热碳微球得率高，球形形貌良好，表面含有大量的含氧活性位点，不仅利用了预水解液中的碳水化合物和木质素资源，还减轻了造纸企业废水对环境的污染问题。

技术领域

本发明涉及一种制浆预水解液制备高得率水热碳微球的方法，属于功能材料技术领域。

背景技术

数十年来，碳材料在多个领域都受到了广泛的关注，包括在储能、吸附、催化、生物学应用等方面。由于碳球的球形形貌，使其成为一种具有特殊性质的碳材料，如：比表面积大、封装密度高、机械强度优异和流动阻力小，因此，碳球能够被广泛用作催化剂载体、电极材料和固-液或固-气接触条件下的吸附材料。但是，以石油基资源为原料(如苯乙烯、甲苯、苯、沥青等)制备碳微球不仅价格昂贵，而且原料不可再生。近年来，由于生物质水热碳化生产碳微球的价格低廉、原料可再生，使得生物质水热碳化生产碳微球吸引了广泛的关注。通过水热碳化的方法，应用多种生物质(尤其是碳水化合物)生产碳微球的研究较多。但是，直接由生物质水热碳化得到碳球的得率比较小，功能化效果比较差，需要找到简单有效的方法改善碳微球的得率和功能化。大多数研究通过添加功能性试剂对碳微球的形貌和功能进行调控，例如通过在水热碳化葡萄糖的过程中添加少量的阴离子聚丙烯酰胺，合成了单分散的、尺寸可控的碳质微球。但是，很少有研究者探究如何提高生物质水热碳化过程产生碳微球的得率。

预水解液主要产生于硫酸盐法生产溶解浆的预水解阶段，在该阶段木质纤维原料中大部分的半纤维素和少量的木质素组分通过自水解溶解或分散在预水解液中。因此，预水解液中含有大量木质纤维素中分离出的半纤维素、木质素和他们的衍生及降解产物。为了消除预水解液的污染，预水解液一般被作为废水进行处理。通常，预水解液的浓度较低，需要将预水解液与制浆产生的黑液共同浓缩，并在回收锅炉中进行燃烧。迄今为止，为了能够进一步利用预水解液，大多数研究主要集中在预水解液的分离纯化。但是，预水解液的分离纯化比较困难、价格也较昂贵。生物质的水热碳化过程所需条件温和、操作简便，是一种有前景的利用生物质的方法。由于预水解液中含有大多数的半纤维素和少量的木质素(酚类化合物)，使预水解液成为生产水热碳微球的较好原料。预水解液水热碳化生产碳微球不仅可以充分利用预水解液中的碳源物质，而且能够明显降低预水解液的污染负荷。

制浆预水解液的有效利用对于企业的清洁生产和节能减排都是相当重要的，提高生物质基水热碳微球的得率、增强水热碳微球的功能化利用，是现阶段面临的重要难题。因此，开发出一种制浆预水解液基高得率、功能化的水热碳微球具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在提供一种具有球形形貌好、得率高的制浆预水解液基高得率、功能化水热碳微球的制备方法。

本发明提出的目通过以下的技术方案实现：

(1)向制浆预水解液中加入一定量的无机酸，使预水解液的酸浓度至合适的范围；

(2)向步骤(1)得到的制浆预水解液中添加一定量的丙烯酸作为功能剂，将溶液置于反应釜中，在一定温度和时间下进行水热反应，待装置冷却后，过滤，洗涤，干燥得到高得率的水热碳微球；

(3)将上述水热碳微球分散在碱溶液中搅拌活化一定的时间，过滤，洗涤，即得高得率功能化的水热碳微球。

所述步骤(1)中所述的无机酸包括硫酸、盐酸、磷酸、硝酸等，酸性溶液(以不含水的溶液计)加入量为制浆预水解液质量分数的0.5％～10％。

所述步骤(2)中所述的丙烯酸添加量为制浆预水解液固含量的5％～15％。