[发明专利]一种多级孔炭材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种多级孔炭材料及其制备方法和应用，涉及生物质炭吸附剂制备的技术领域。本发明将啤酒糟作为底物，运用黑曲霉产酶的特点，对啤酒糟进行微生物预处理，得到比表面积最高达1689m²/g，以及具备多级孔结构的炭材料。该炭材料具备高比表面积，以及微孔、介孔、大孔多孔径结构的特征，可有效提高炭材料的吸附性能。同时，该炭材料对甲苯具有很好的吸附性能，最高吸附量为0.399g/g。本发明中的底物啤酒糟和黑曲霉均为无毒无害的前体物质，制备工艺简单，绿色环保，成本低廉，可实现工业化；可广泛应用于吸附领域，也可应用于环保、催化、医药等其他领域；在吸附剂的开发以及空气的净化领域具有较大的应用前景。

技术领域

本发明涉及生物质炭吸附剂制备的技术领域，具体涉及一种利用黑曲霉预处理啤酒糟制备多级孔炭材料的方法以及制备的炭材料的应用，为挥发性有机物(VOCs)等污染物的吸附处理提供安全可靠的材料。

背景技术

啤酒糟是啤酒生产工艺中的主要副产品，以精品大麦为原料，经酵母反复发酵后的残渣。据统计，每生产1吨啤酒大约产生0.25吨的啤酒糟，我国啤酒糟年产量达1000多万吨，并且还在不断增加。啤酒糟的主要成分是麦芽的皮壳、叶芽、不溶性蛋白质、半纤维素、脂肪、灰分及少量未分解的淀粉等物质。啤酒糟是一种来源丰富，成分多样的生物质，只需要简单脱水就可以用来制备炭材料，有利于大量廉价的制备高性能的炭材料。另一方面，受自然分解过程的启发，真菌可以分解植物生物质，使生物质形成具有松散结构的前体，有利于通过随后的碳化和活化构建丰富的多孔材料。黑曲霉具备丰富的酶分泌系统，常被用做高效的细胞工厂，广泛应用于生物制造工业。

随着工业的高速发展，导致挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOCs)大量释放到大气环境中，导致温室效应、光化学烟雾等环境问题，严重危害人体健康。吸附法被广泛应用于控制挥发性有机物的扩散，能够固定大气中的挥发性有机物，有效净化空气。吸附法中的核心部件是吸附剂，最常用的吸附剂为多孔炭材料。多孔炭材料的生产成本相对较小，用来生产多孔炭材料多为废弃的植物生物质，比如柚子皮、玉米秸秆等。然而，这些生物质的前处理费用较高，制备多孔炭材料的方法较复杂，容易造成二次污染，无法大规模生产和应用。同时，制备的多孔炭材料由于比表面积、微孔等性质的限制，对挥发性有机物的吸附性能及其有限。因此，有必要开发一种比表面积高，吸附性能良好，环境友好，经济的多孔径结构的炭材料。

发明内容

为了克服现有碳质VOCs吸附剂技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种利用黑曲霉预处理啤酒糟制备多级孔炭材料的方法。该方法通过黑曲霉分解预处理，生物质原料啤酒糟的孔结构有可能被富集和调节，从而得到具有分级孔结构的碳质VOCs吸附剂。根据该方法可以制备比表面积大，多级孔径结构分布的炭材料。制备的炭材料具备良好的吸附性能和较大的吸附容量。

本发明的另一目的在于提供通过上述方法制备得到的多级孔炭材料。

本发明的再一目的在于提供上述多级孔炭材料的应用。所述的高比表面积，多级孔径结构的炭材料用于吸附挥发性有机物。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

本发明提供了一种利用黑曲霉预处理啤酒糟制备多级孔炭材料的方法，包括如下步骤：

(1)废弃生物质啤酒糟的脱水干燥处理：首先将啤酒糟经过四层纱布过滤除水，并用超纯水清洗三遍；然后将经过纱布除水洗涤的啤酒糟置于常温室内，自然风干；

(2)黑曲霉预处理啤酒糟：将黑曲霉的种子液与洗涤干燥的啤酒糟同时置于发酵培养基中，恒温震荡培养；发酵结束后，收集经过黑曲霉处理过的啤酒糟；洗涤，干燥，获得啤酒糟炭化前体物；

(3)前体物的炭化和活化：首先，将啤酒糟炭化前体物在氮气氛围下高温炭化处理，获得初级炭化物；然后，将初级炭化物在氮气氛围下进一步高温活化处理，获得炭化物；