一种经熔盐介质阳离子调控比表面积的生物炭及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及固体废弃物生物质资源化利用和碳材料制备领域，具体涉及一种经熔盐介质阳离子调控比表面积的生物炭及其制备方法和应用。

背景技术

通过燃烧化石燃料和工业活动排放的二氧化碳是全球变暖的主要原因之一，当浓度过大时，甚至影响人的呼吸。因此，人们非常重视发展低成本和可持续的方法来捕获和储存二氧化碳，以减少其排放到大气中。现有的CO

相比之下，吸附法是应用最广泛的二氧化碳捕集工业技术。且具有工艺简单、能耗较低和无腐蚀等优点。近年来，使用固体材料吸附已成为一种低成本和高吸附量的CO

生物炭源于生物质，因此其碳材料往往拥有更为丰富的表面官能团，会比非极性的活性炭等碳基材料具有更好的表面性能，有利于其发挥表界面吸附作用。但是生物炭的孔结构调控没有活性炭成熟，其比表面积、孔容孔径等微观结构有待提高，开发一种有效地可调控的制备方法在研发新型生物炭、生产物美价廉的碳材料等方面意义重大。不同于固相高温煅烧法，本发明引入熔盐介质采用固液方式制备高比表面积的生物炭材料，可通过调控反应参数实现比表面积的调控，并应用于二氧化碳的吸附捕获，为二氧化碳吸附剂的开发提供有效的合成途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种经熔盐介质阳离子调控比表面积的生物炭及其制备方法和应用，本发明制得的生物炭材料具有高比表面积和丰富的微孔孔隙结构特性，为开发一种二氧化碳吸附捕获剂提供新的合成途径。

所述的一种经熔盐介质阳离子调控比表面积的生物炭的制备方法，包括以下步骤：

1）将生物质废弃物作为原材料，经打碎、浸泡洗净、离心、烘干脱水步骤，采用研磨机制粉，用50~200目数筛网细筛粒径，得到生物质粉末；

2）将步骤1）得的生物质粉末，按质量比例1 : 0.1~ 10与事先调制的粉体混盐经机械制匀，在惰性气体气氛下，调控升温速率5~20 ℃/分钟，从室温升温至反应温度400~800 ℃，然后在反应温度下恒温保持100~200分钟进行炭化反应，得到生物炭；

其中，所述事先调配的混盐是由三种金属盐按质量比例10~80 : 10~80 : 10~80组成，并用研磨机打粉过筛，所述三种金属盐的阴离子选自卤素离子、NO

所述碱金属包括Na、K或Li，碱土金属包括Ca或Mg，Fe族元素包括Fe或Ni；

3）将步骤2）所得的生物炭置于稀盐酸溶液中，置于水浴锅中并采取搅拌，过滤所得产物用超纯水洗涤至近中性，即得高比表面积的碳基材料。

进一步地，步骤2）中生物质粉末与粉体混盐的质量比为1：1~3，优选为1 : 2；所述生物质为木屑；步骤2）中，升温速率为14~15℃，反应温度为550~600℃，恒温保持时间为110~120分钟。

进一步地，所述卤素离子为Cl

进一步地，三种金属盐的阳离子元素均为碱金属，碱金属包含K和Na，K和Na的摩尔比为1:0.5~2.0。

进一步地，三种金属盐的阳离子元素包括碱金属和其他阳离子，碱金属和其他阳离子的摩尔比为1~6:1，优选为3.2~5.5:1；所述其他阳离子优选为Zn。所述碱金属包含K和Na，K和Na的摩尔比为1:0.5~2.0，优选为1:0.7~1.3。

进一步地，步骤3）中，采用0.1~0.2 mol/L的盐酸溶液浸泡，水浴温度80~95℃，搅拌时间5~10小时。

本发明提供的生物炭能够很好的应用于二氧化碳捕获中，应用方法是：高压釜反应器内填充所述碳基材料二氧化碳捕获剂，通入CO

相较于现有技术，本发明取得的有益效果是：

1）本发明通过熔融盐液相介质与生物质发生固液相反应时设计调控熔融盐阳离子配制，可实现生物质转碳材料过程中比表面积的有效调控，使得形成的生物炭比表面积达到固相煅烧法的10倍、甚至几十倍以上。

2）本发明利用熔盐法将废弃生物质转化成有经济价值的生物炭材料，有望作为二氧化碳的吸附捕获的新材料和新方法，具有重要的社会、经济效益。

附图说明

图1为实施例1制备的生物炭1号样品的SEM图。

图2为实施例1制备的生物炭1号样品的氮气吸附-脱附曲线图。

图3为实施例1制备的生物炭1号样品的孔径分布图。

图4为实施例1-7以及对比例1-2的生物炭样品的二氧化碳吸附量图。

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，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

本发明实施例1中事先调配的粉体混盐包含Cl

实际操作时，按照摩尔比KCl : NaNO

熔盐介质阳离子调控生物炭比表面积的制备方法和应用，步骤如下：

1）将木材废屑生物质经打碎、清水浸泡1 h、清水中超声10 min去除杂质、离心、烘干等步骤，经105 ℃下12小时烘干的生物质采用研磨机制粉，用150目数筛网细筛粒径；

2）所得的生物质粉末，按质量比例1：2与事先调配的摩尔比KCl : NaNO

3）所得的生物炭在水浴温度为90 ℃下经0.1 mol/L稀盐酸酸洗、电动搅拌8小时，过滤所得产物用超纯水洗涤至近中性，即得高比表面积的生物炭材料。

实施例1制备的生物炭1号样品的SEM图显示本发明方法制备的生物炭具有丰富的孔结构，见图1；BET图显示生物炭材料的比表面积高达974 m

实施例1制备的生物炭1号样品用于二氧化碳吸附捕获实验，具体过程如下：采用微型高压釜反应器评估装置，反应器内部装有容积为25mL的聚四氟乙烯内胆，生物炭材料装填量为120 mg，通过循环水浴控制温度在25 ℃，冲入CO

实施例2

本发明实施例2中事先调配的粉体混盐包含Cl

熔盐介质阳离子调控生物炭比表面积的制备方法和应用，步骤如下：

1）将木材废屑生物质经打碎、清水浸泡1 h、清水中超声10 min去除杂质、离心、烘干等步骤，经105 ℃下12小时烘干的生物质采用研磨机制粉，用150目数筛网细筛粒径；

2）所得的生物质粉末，按质量比例1：2与事先调配的摩尔比NaCl : NaNO

3）所得的生物炭在水浴温度为90 ℃下经0.1 mol/L稀盐酸酸洗、电动搅拌8小时，过滤所得产物用超纯水洗涤至近中性，即得比表面积939.2 m

实施例2制备的生物炭2号样品用于二氧化碳吸附捕获实验，具体过程同例1一样，通过分析计算得到二氧化碳的吸附率为3.49 mmol/g，见图4。

实施例3

本发明实施例3中事先调配的粉体混盐包含Cl

熔盐介质阳离子调控生物炭比表面积的制备方法和应用，步骤如下：

1）将木材废屑生物质经打碎、清水浸泡1 h、清水中超声10 min去除杂质、离心、烘干等步骤，经105 ℃下12小时烘干的生物质采用研磨机制粉，用150目数筛网细筛粒径；

2）所得的生物质粉末，按质量比例1：2与事先调配的KCl : KNO

3）所得的生物炭在水浴温度为90 ℃下经0.1 mol/L稀盐酸酸洗、电动搅拌8小时，过滤所得产物用超纯水洗涤至近中性，即得比表面积916.5 m

实施例3制备的生物炭3号样品用于二氧化碳吸附捕获实验，具体过程同例1一样，通过分析计算得到二氧化碳的吸附率为3.34 mmol/g，见图4。

实施例4

本发明实施例4中事先调配的粉体混盐包含Cl

熔盐介质阳离子调控生物炭比表面积的制备方法和应用，步骤如下：

1）将木材废屑生物质经打碎、清水浸泡1 h、清水中超声10 min去除杂质、离心、烘干等步骤，经105 ℃下12小时烘干的生物质采用研磨机制粉，用150目数筛网细筛粒径；

2）所得的生物质粉末，按质量比例1：2与事先调配的摩尔比KCl : Zn(NO

3）所得的生物炭在水浴温度为90 ℃下经0.1 mol/L稀盐酸酸洗、电动搅拌8小时，过滤所得产物用超纯水洗涤至近中性，即得比表面积459.5 m

实施例4制备的生物炭4号样品用于二氧化碳吸附捕获实验，具体过程同例1一样，通过分析计算得到二氧化碳的吸附率为1.89 mmol/g，见图4。

实施例5

本发明实施例5中事先调配的粉体混盐包含Cl

实际操作时，按照摩尔比KCl : Ni (NO

1）将木材废屑生物质经打碎、清水浸泡1 h、清水中超声10 min去除杂质、离心、烘干等步骤，经105 ℃下12小时烘干的生物质采用研磨机制粉，用150目数筛网细筛粒径；

2）所得的生物质粉末，按质量比例1：2与事先调配的摩尔比KCl : Ni (NO

3）所得的生物炭在水浴温度为90 ℃下经0.1 mol/L稀盐酸酸洗、过滤所得产物用超纯水洗涤至近中性，即得比表面积435.6 m

实施例5制备的生物炭5号样品用于二氧化碳吸附捕获实验，具体过程同例1一样，通过分析计算得到二氧化碳的吸附率为1.74mmol/g，见图四。

实施例6

本发明实施例6中事先调配的粉体混盐包含Cl

实际操作时，按照摩尔比LiCl : Ni(NO

1）将木材废屑生物质经打碎、清水浸泡1 h、清水中超声10 min去除杂质、离心、烘干等步骤，经105 ℃下12小时烘干的生物质采用研磨机制粉，用150目数筛网细筛粒径；

2）所得的生物质粉末，按质量比例1：2与事先调配的摩尔比LiCl : Ni(NO

3）所得的生物炭在水浴温度为90 ℃下经0.1 mol/L稀盐酸酸洗、过滤所得产物用超纯水洗涤至近中性，即得比表面积426.5 m

实施例6制备的生物炭6号样品用于二氧化碳吸附捕获实验，具体过程同例1一样，通过分析计算得到二氧化碳的吸附率为1.68 mmol/g，见图四。

实施例7

本发明实施例7中事先调配的粉体混盐包含Cl

实际操作时，按照摩尔比KCl : Zn(NO

1）将木材废屑生物质经打碎、清水浸泡1 h、清水中超声10 min去除杂质、离心、烘干等步骤，经105 ℃下12小时烘干的生物质采用研磨机制粉，用150目数筛网细筛粒径；

2）所得的生物质粉末，按质量比例1：2与事先调配的摩尔比KCl : Zn(NO

3）所得的生物炭在水浴温度为90 ℃下经0.1 mol/L稀盐酸酸洗、过滤所得产物用超纯水洗涤至近中性，即得比表面积395.4 m

实施例7制备的生物炭7号样品用于二氧化碳吸附捕获实验，具体过程同例1一样，通过分析计算得到二氧化碳的吸附率为1.42 mmol/g，见图四。

对比例1

购自杭州某供应商的商用活性炭，其表面积为140 m

商用活性炭应用于二氧化碳吸附，具体过程同例1一样，通过分析计算得到二氧化碳的捕获率为0.68 mmol/g，见图4。

对比例2

无熔盐介质调控生物炭的制备方法和应用，步骤如下：

1）将木材废屑生物质经打碎、浸泡洗净、离心、烘干等步骤，经105 ℃下12小时烘干的生物质采用研磨机制粉，用150目数筛网细筛粒径；

2）所得的生物质粉末，在惰性气体氮气氛围下，升温速率15 ℃/分钟，从室温升温至反应温度550℃，然后恒温保持时间120分钟条件下进行炭化反应；

3）所得的生物炭在水浴温度为90 ℃下经0.1 mol/L稀盐酸酸洗、电动搅拌8小时，过滤所得产物用超纯水洗涤至近中性，即得比表面积为34 m

对比例2制备的生物炭8号样品用于二氧化碳吸附捕获实验，具体过程同例1一样，通过分析计算得到二氧化碳的吸附率为0.31mmol/g，见图4。

本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。