一种富含氮和氧的生物质活性炭的制备方法

摘要

本发明属于特殊功能活性炭材料技术领域。本发明提供了一种富含氮和氧的生物质活性炭的制备方法，具体步骤为：将一定量的生物质原料加入到有含氮物和碱性物质的溶液中，之后将所有物质移入水热反应釜中，在一定温度下反应一段时间，反应结束后自然冷却至室温，将产物取出干燥，再将干燥后的产物在高温管式炉中在保护性气体气氛下高温碳化活化一定时间，反应结束后自然冷却，将产物反复水洗后干燥即得到富含氮的生物质活性炭产物。采用该方法制备的富含氮和氧的生物质活性碳由于引入了氮、氧杂原子从而提高了碳材料本身对水的浸润性和对电解液离子的吸附性能，可以广泛应用于污染物处理，混合物的分离以及电极材料等，具有广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于特殊功能活性炭材料技术领域，具体涉及一种富含氮和氧的生物质 活性炭的制造方法。

背景技术

富含氮、氧的活性炭是碳结构中一部分碳原子被氮原子和氧原子所取代，因而 具有独特的表面化学性质，富含氮、氧的活性炭相对不含氮的活性炭具有更好的亲 水性和吸附能力，对硫系及氮系化合物有着较高的吸附性能，同时由于氮原子、氧 原子电子层离域能力更强因而具有更高的电化学性能。目前制备含氮、含氧活性炭 的常见制备方法有模板法、碳化/活化含氮前驱体的方法等。其中最主要的研究是以 含氮前驱体作为原料研究不同工艺的影响。

专利CN102553641B发明名称为一种含氮活性炭催化剂的制备方法的专利，将 碳化料用强氧化剂浸渍或回流处理，之后与含氮试剂以一定比例共混，移入高温管 式炉在惰性气氛下进行活化，制备富含氮的活性炭产品。专利CN102360959A利用 富含氮元素的脲醛树脂作原料，将原料在惰性气氛下碳化后与氢氧化钾共混后炭化、 活化制备富含氮元素的活性炭。专利CN103408007A利用普通活性炭或碳材料加入 乙醇溶液中，再加入三聚氰胺废弃物共混搅拌超声处理，之后在高温炉中惰性气氛 下碳化活化处理，制备含氮活性炭。专利CN104681307A利用富含脲醛树脂的废弃 的刨花板碳化之后用磷酸进行活化制备了富含氮和氧元素的活性炭。但是上述方法 或者只引入了氮杂原子，或者采取不同步骤分别引入氮原子和氧原子，工艺较繁琐， 不利于工业化生产。利用水热反应同时增加活性炭中氮元素和氧元素含量的生物质 活性炭的研究还没有公开报道。

发明内容

针对现有技术问题，本发明利用水热反应法，提供一种富含氮和氧的生物质活 性炭的制备方法。

本发明的技术方案如下：

本发明的富含氮和氧的生物质活性炭的制备方法，包括以下步骤：

1)将一定量的生物质原料加入到一定浓度的含氮物质和碱性物质的混合溶液 中，之后将所有物质在一定温度下进行水热反应一段时间，反应结束后自然冷却至 室温；

2)将步骤1)的产物取出干燥，再将干燥后的产物高温碳化活化一定时间，反 应结束后自然冷却；

3)将步骤2)碳化活化后的产物水洗后干燥即得到富含氮和氧的生物质活性炭 产物。

根据本发明的制备方法，其中，所述的生物质原料包括林业垃圾、农作物秸秆、 果实外壳、麻类或其它植物茎叶中的一种或几种。具体优选地，所述的林业垃圾可 以包括木材边角料、锯末和刨花板中的一种或几种；所述农作物秸秆可以包括小麦 秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆和高粱秸秆中的一种或几种；所述果实外壳可以包括核 桃壳、杏仁壳、花生壳、椰子壳和松子壳中的一种或几种；所述麻类可以是剑麻和 大麻中的一或两种。

根据本发明的制备方法，其中，所述的含氮物质包括氨水、肼水，碳酸铵、硫 酸铵和尿素中的一种或几种。优选地，所述混合溶液中的含氮物质的质量分数在 10％-30％。

根据本发明的制备方法，其中，所述的碱性物质包括氢氧化钾、氢氧化钠、碳 酸钾、碳酸钠中的一种或几种。优选地，所述混合溶液中的碱性物质的质量分数 2％-20％。

根据本发明的制备方法，其中，所述的生物质原料和含氮物质和碱性物质的混 合溶液的质量比为1：5～1：20。

根据本发明的制备方法，其中，步骤1)所述的水热反应温度为180-240℃，所 述水热反应的时间为1-6小时。

根据本发明的制备方法，其中，步骤2)所述的高温碳化活化温度为500-900℃， 高温碳化活化时间为30分钟-3小时。作为优选地，步骤2)所述高温碳化活化在高 温管式炉内进行，步骤2)所述的保护性气体为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙 气和氡气的一种或几种。

本发明的技术特点是：创新性的将氮参杂剂加入水热反应过程，通过和含氮试 剂的反应在原料上引入含氮基团，而水热反应过程，水既作为一种反应溶剂又作为 一种氧化剂，使原料接枝上丰富的含氧基团。采用该方法制备的富含氮、氧的生物 质活性碳由于引入了氮、氧杂原子从而提高了其对水的浸润性和对电解液离子的吸 附性能，可以广泛应用于污染物处理，混合物的分离以及电极材料等，具有广泛的 应用前景。

附图说明

图1为本发明的富含氮和氧元素麦壳活性炭制备时的中间体的光学照片。

图2为本发明的富含氮和氧元素麦壳活性炭的光学照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

将10g麦壳，加入到100g含质量分数10％氨水和质量分数为5％的氢氧化钾的 混合溶液中，充分浸润后移入水热反应釜中，在240度下进行水热反应2小时，反 应结束后冷却至室温，将产物过滤取出干燥，如图1所示，将干燥后的产物放入高 温管式炉内，在600摄氏度氮气保护下反应0.5小时。反应结束后，降至室温，将产 物取出，用去离子水反复清洗，干燥后即得到富含氮和氧的剑麻活性炭纤维。如图2 所示。

实施例2

将3g玉米芯，加入到60g含质量分数30％氨水和质量分数为10％的碳酸钾的混 合溶液中，充分浸润后移入水热反应釜中，在180度下进行水热反应6小时，反应 结束后冷却至室温，将产物过滤取出干燥后，放入高温管式炉内，在600摄氏度氮 气保护下反应2小时。反应结束后，降至室温，将产物取出，用去离子水反复清洗， 干燥后即得到富含氮和氧的玉米芯活性炭。

实施例3

将10g竹子，加入到50g含质量分数20％氨水和质量分数为15％的氢氧化钾的 混合溶液中，充分浸润后移入水热反应釜中，在220度下进行水热反应4小时，反 应结束后冷却至室温，将产物过滤取出干燥后，放入高温管式炉内，在800摄氏度 氮气保护下反应1小时。反应结束后，降至室温，将产物取出，用去离子水反复清 洗，干燥后即得到富含氮和氧的竹活性炭。

实施例4

将5g锯末，加入到100g含质量分数20％肼水和质量分数为5％的氢氧化钾和质 量分数为2％含量的碳酸钾的混合溶液中，充分浸润后移入水热反应釜中，在200度 下进行水热反应2小时，反应结束后冷却至室温，将产物过滤取出干燥后，放入高 温管式炉内，在900摄氏度氮气保护下反应0.5小时。反应结束后，降至室温，将产 物取出，用去离子水反复清洗，干燥后即得到富含氮和氧的竹活性炭。

实施例5

将5g核桃壳，加入到50g含质量分数10％碳酸铵和质量分数为15％的氢氧化钾 的混合溶液中，充分浸润后移入水热反应釜中，在220度下进行水热反应3小时， 反应结束后冷却至室温，将产物过滤取出干燥后，放入高温管式炉内，在800摄氏 度氮气保护下反应2小时。反应结束后，降至室温，将产物取出，用去离子水反复 清洗，干燥后即得到富含氮和氧的竹活性炭。

实施例6

将10g麦壳，加入到100g含质量分数10％尿素和质量分数为20％的氢氧化钠的 混合溶液中，充分浸润后移入水热反应釜中，在240度下进行水热反应1小时，反 应结束后冷却至室温，将产物过滤取出干燥，将干燥后的产物放入高温管式炉内， 在500摄氏度氮气保护下反应3小时。反应结束后，降至室温，将产物取出，用去 离子水反复清洗，干燥后即得到富含氮和氧的剑麻活性炭纤维。

实施例7

将3g玉米芯，加入到60g含质量分数30％硫酸铵和质量分数为2％的碳酸钠的 混合溶液中，充分浸润后移入水热反应釜中，在200度下进行水热反应4小时，反 应结束后冷却至室温，将产物过滤取出干燥后，放入高温管式炉内，在700摄氏度 氮气保护下反应1小时。反应结束后，降至室温，将产物取出，用去离子水反复清 洗，干燥后即得到富含氮和氧的玉米芯活性炭。

当然，本发明还可以有多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下， 熟悉本领域的技术人员可根据本发明的公开做出各种相应的改变和变型，但这些相 应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。