[发明专利]果壳生物质分组分制备高得率活性炭的方法

说明书

一种果壳生物质分组分制备超高比表面积和高得率活性炭的方法，包括如下工艺步骤：（1）将果壳原料干燥粉碎后，与一定比例碱性溶液混合搅拌加热煮溶后过滤，分别得到滤液、滤渣备用；（2）滤液调整pH值为弱酸性析出果壳木质素，碱活化后得到超高比表面积果壳木质素活性炭；（3）滤渣直接高温活化得到高比表面积果壳木质活性炭。活性炭水洗液可回收用于配置果壳木质素分离的碱液。本发明实现果壳分组分制备活性炭，得率增加，分别可制备超高比表面积活性炭和市售活性炭，在超级电容器、贵金属催化剂载体、生物医药等高要求领域和食品医药、空气净化、冶金回收、化工环保等领域均有较好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种制备活性炭的方法，尤其是涉及利用果壳原料分组分制备超高比表面积果壳木质素活性炭和果壳活性炭的方法。

背景技术

果壳生物质资源如椰壳、杏壳、油茶壳、棕榈壳、橄榄果壳等，也是由木质素、纤维素、半纤维等组分组成。由于果壳颗粒均匀、质地坚硬、高温热解后得率较高，尤其是属于绿色可再生资源，因此是作为制备活性炭的重要原料。活性炭是一种孔隙发达、比表面积大、吸附能力强的功能型炭材料，具有物理、化学性质稳定，能耐酸、耐碱、耐热，且在使用失效以后可以再生等特点，因此可作为优良的吸附剂，已广泛应用于食品、饮料、医药、水处理、气体净化与回收、化工、环保、冶金、国防、农业等领域。我国的活性炭产业规模和产量位居世界第一位，但是我国活性炭进口量也逐年增加，国内的一些新型活性炭尤其是超高比表面积的活性炭的产量远远无法满足需求。

我国当前果壳活性炭年产量约5万吨，采用的生成方法是物理活化法为主。首先将原料先炭化，再利用气体进行炭的氧化反应，形成众多微孔结构，炭化温度一般在500℃左右，活化温度一般在850~1000℃左右，工业上常用气体有水蒸气、二氧化碳、烟道气等。果壳活性炭的比表面积在800~1100m²/g之间，得率为15~20%，而比表面积超过2000m²/g以上的超级活性炭，多采用氢氧化钾活化的化学法或是通过二次活化法，但活性炭的得率会急剧下降，得率一般在8~15%之间，使成本增加、产量受限、应用受阻。

木质类活性炭得率较低的原因要从生物质的组成分析。生物质组成是纤维素、半纤维、木质素等组分组成的，纤维素占30～40%，半纤维素占10～30%，木质素占20～35%。生物质在高温炭化或活化时发生热解，生物质内各个组分的热分解活性和热解后炭的得率不同。半纤维是由几种不同类型五碳糖构成的聚合度较低的异质多聚体，同时还含有各种支链，热稳定性较差，一般会首先发生分解，在180~200℃开始分解成小分子化合物。纤维素是由吡喃葡萄糖苷通过β-(1→４)-糖苷键连接而形成的线性大分子，在250~350℃之间发生剧烈分解。木质素是由苯丙烷单元以非线性、随机方式连接组成的稳固空间网状结构的复合体，其热稳定性是三大组分中最稳定的，热分解区间为200~600℃。南京林业大学顾洁等人（顾洁, 刘斌, 张齐生, 等. 基于TG-FTIR技术的油茶壳及其三组分热解特性研究[J]. 林产工业, 2015, 42(09): 11-15+27.）研究油茶壳及其组分纤维素、半纤维素、木质素热重曲线，在800℃时的残炭率分别为30.0%、9.3%、20.3%、41.4%。

发明专利CN201110257913.8公开了一种电化学电容器用活性炭材料的制备方法，该方法以花生壳为原料，氢氧化钾为活化剂，通过微波辅助加热活化制备活性炭材料，所制得的活性炭比表面积为990-1277m²/g，总孔容为0.47-0.63cm³/g，得率介于14.2-24.4%之间。

综上所述，果壳原料在直接高温活化制备超高比表面积活性炭得率较低，原料中纤维素、半纤维素等组分高温下裂解成小分子组分逸出，质量损失严重难以形成孔隙发达的活性炭多孔材料。本专利是一种将生物质组分分离后分别制备超高比表面积果壳木质素活性炭和果壳木质活性炭的新方法，较稳定的木质素组分可以活化制备高得率的高比表面积活性炭，其他组分可以降低至较适宜的活化温度提高活性炭得率，实现果壳资源的全组分利用，提高活性炭的整体得率，增加产量，降低工业应用的成本。

发明内容