用稻草制备活性炭过程中降低灰分含量的方法

摘要

一种用稻草制备活性炭过程中降低灰分含量的方法，属于活性炭的制备领域。本发明的目的是以稻草为原料，用磷酸为活化剂制备活性炭，并能够大幅度降低灰分含量的用稻草制备活性炭过程中降低灰分含量的方法。本发明截取通过60目筛孔而不能通过80目筛孔的稻草粉末；在高压反应釜中以温度260‑300℃条件下，反应1‑2小时，冷却后以3000转/分钟的转速离心分离3分钟，得滤液和滤渣；再放入马弗炉，500℃时活化反应1小时，即制备出灰分含量3.2‑8.5%的活性炭。本发明工艺简单，通过对工艺条件的调整，能够极大的降低活性炭中灰分的含量，从而提高活性炭的质量。

说明书

技术领域

本发明属于活性炭的制备领域。

背景技术

活性炭是一种特殊的多孔炭材料，其孔隙结构发达，具有吸附能力强、化学性质稳定、使用失效后容易再生等优点。活性炭作为优异性能的吸附剂和催化剂载体被广泛使用。传统的活性炭制备是以天然植物类的木质原料和矿物类的煤和石油等自然资源为原料进行制备，随着环境及生态问题的日趋严峻，活性炭原材料来源有限，其价格也持续上涨。

稻草作为农业生产的副产物，资源非常丰富。长期以来，我国各地农村普遍对稻草进行焚烧处理，由此带来严重空气污染，尤其近几年，我国频发大范围的深度雾霾，解决稻草等农业废弃物焚烧带来的环境污染已经刻不容缓。利用稻草等废弃生物质制备活性炭材料是解决目前困局的有效途径，稻草生物质基活性炭的制备研究符合绿色化学的原则，并可大大推动可再生化学品和材料工业的发展。

发明内容

本发明的目的是以稻草为原料，用磷酸为活化剂制备活性炭，并能够大幅度降低灰分含量的用稻草制备活性炭过程中降低灰分含量的方法。

本发明步骤是：

(1) 去根和穗的稻草切成小段，水洗除尘干燥后，放入粉碎机中磨成细粉末，过筛，截取通过60目筛孔而不能通过80目筛孔的稻草粉末；

(2) 取步骤(1)中稻草粉末10 g，与150-200 mL质量百分浓度85%的磷酸混合均匀，置于旋转搅拌高压反应釜，在温度260-300℃条件下，反应1-2小时，冷却后以3000转/分钟的转速离心分离3分钟，得滤液和滤渣；

(3) 将滤渣置于瓷坩埚中，合上坩埚盖隔绝氧气，放入马弗炉，500℃时活化反应1小时；取出水洗、过滤、干燥、粉粹过筛至100目，即制备出灰分含量3.2-8.5%的活性炭。

本发明工艺简单，通过对工艺条件的调整，能够极大的降低活性炭中灰分的含量，从而提高活性炭的质量。其优点是：

采用磷酸高温水热法预处理，制备出灰分含量3.2-8.5%的稻草生物质基活性炭，显著降低了稻草中的灰分，进而可提高稻草生物质基活性炭的吸附性能；

浸渍在稻草表面的磷酸可直接作为活化剂，无需再添加其他活化剂即可制备活性炭，降低成本。

充分利用稻草废弃生物质，变废为宝，具有良好的工业前景。

具体实施方式

本发明步骤是：

(1) 去根和穗的稻草切成小段，水洗除尘干燥后，放入粉碎机中磨成细粉末，过筛，截取通过60目筛孔而不能通过80目筛孔的稻草粉末；

(2) 取步骤(1)中稻草粉末10 g，与150-200 mL质量百分浓度85%的磷酸混合均匀，置于旋转搅拌高压反应釜，在温度260-300℃条件下，反应1-2小时，冷却后以3000转/分钟的转速离心分离3分钟，得滤液和滤渣；

(3) 将滤渣置于瓷坩埚中，合上坩埚盖隔绝氧气，放入马弗炉，500℃时活化反应1小时；取出水洗、过滤、干燥、粉粹过筛至100目，即制备出灰分含量3.2-8.5%的活性炭。

以下对本发明做进一步详细说明：

本发明包括以下步骤：

(1) 去根和穗的稻草切成小段，水洗除尘干燥后，放入粉碎机中磨成细粉末，过筛，截取通过60目筛孔而不能通过80目筛孔的稻草粉末用于下步实验。

(2) 取步骤(1)中稻草粉末10 g，与150-200 mL(固液比1:15-1:20)质量百分浓度85%的磷酸混合均匀，置于旋转搅拌高压反应釜（转速500转/分钟），在温度260-300℃条件下，反应1-2小时，冷却后以3000转/分钟的转速离心分离3分钟，得滤液和滤渣。

(3) 将滤渣置于瓷坩埚中，合上坩埚盖隔绝氧气，放入马弗炉，500℃时活化反应1小时。取出水洗、过滤、干燥、粉粹过筛至100目，即制备出灰分含量3.2-8.5%的活性炭。

(4) 活性炭样品中灰分含量的测定方法参照GB/T 12496.3—1999。将干燥过的活性炭样品置于已灼烧至恒重的瓷坩埚中，保持坩埚敞开状态，放入温度不超过300℃的马弗炉中，升温至650℃灰化至恒重，用所得灰的质量与原试样质量的百分数表示灰分含量。

磷酸作为活化剂被广泛应用于活性炭的制备过程，通常将磷酸与原料按比例混合，在马弗炉中高温加热，使炭化、活化同时进行或分部进行，在活化过程中，原料中的挥发性成分以水、二氧化碳、甲烷、一氧化碳等形式排放，同时焦油的生产得到抑制，磷酸有脱除水份、氧化和刻蚀的作用，最终制备出活性炭。

但是稻草中的灰分含量高达到10-15%，稻草中的灰分是稻草纤维原料中的矿质元素以无机盐和氧化物的形式存在，主要是钾、钠、钙、镁、硫、磷、硅的氧化物、硫酸盐和磷酸盐等形式，稻草中的灰分主要是二氧化硅，占灰分含量的60%以上。由于稻草中灰分含量高，由稻草制备的活性炭也因此含有高的灰分，影响了活性炭的吸附性能。

本发明的过程是采用质量分数85%的磷酸高温水热法预处理，在260-300℃高温水热条件下，稻草与磷酸的固液比1:15-1:20，使磷酸与稻草中的灰分充分反应。反应原理如下：

灰分中的钾盐和钠盐作为可溶性盐溶解于85%磷酸溶液的水相。磷酸加热至245℃以上时，分子间失水形成焦磷酸。

2H₃PO₄→H₄P₂O₇+H₂O

灰分中的二氧化硅和焦磷酸反应形成硅磷酸的杂多酸而溶于85%磷酸溶液中。

SiO₂+>4P₂O₇→H₂Si>4)₂>2O

预处理后，离心分离滤渣和滤液，浸渍在稻草表面的磷酸可直接作为活化剂，无需再添加其他活化剂即可制备灰分含量在3.2-8.5%的稻草生物质基活性炭。

实施例1：去根和穗的稻草切成小段，水洗除尘干燥后，放入粉碎机中磨成细粉末，过筛，截取通过60目筛孔而不能通过80目筛孔的稻草粉末用于下步实验。取稻草粉末10 g不经过磷酸高温水热法的预处理过程，在瓷坩埚中与40 mL质量百分浓度85%的磷酸混合均匀，合上坩埚盖隔绝氧气，放入马弗炉， 500℃时活化反应1小时。取出水洗、过滤、干燥、粉粹过筛至100目，制备出灰分含量为21.6%的活性炭。

实施例2：去根和穗的稻草切成小段，水洗除尘干燥后，放入粉碎机中磨成细粉末。过筛，截取通过60目筛孔而不能通过80目筛孔的稻草粉末用于下步实验。取稻草粉末10 g，与150 mL (固液比1:15)质量百分浓度85%的磷酸混合，置于旋转搅拌高压反应釜（转速500转/分钟），在温度240℃条件下，反应1小时，冷却后以3000转/分钟的转速离心分离3分钟。将滤渣置于瓷坩埚中，合上坩埚盖上隔绝氧气，放入马弗炉，500℃时活化反应1小时。取出水洗、过滤、干燥、粉粹过筛至100目，制备出灰分含量含量为16.1%的活性炭。

实施例3-11：按照表1所列的工艺条件，按照实施例2的步骤，所制备的活性炭的灰分含量也列在表1中。

表1 实施例条件表

通过对实施例1-11的综合评价，稻草粉末经磷酸高温水热法预处理，即控制稻草粉末与质量百分浓度85%的磷酸固液比为1:15-1:20，260-300℃条件下反应1-2小时，显著降低了稻草中的灰分，制备出了灰分含量3.2-8.5%的稻草生物质基活性炭。