一种木质素基成型活性炭及其制备方法

技术领域

本发明属于新型活性炭制备技术领域，具体涉及一种木质素基成型活性炭及其制备方法。

背景技术

木质素是木质纤维三大组分之一，它来源广泛，是制浆造纸工业的主要副产物，也是生物质水解、纤维素乙醇生产过程中的主要副产物，是重要的可再生能源。据估计，全世界每年因造纸、纤维素乙醇工业而产生的工业木质素超过5×10

虽然当前的研究已经使木质素基原料制备活性炭成为可能，但仍然存在众多问题。以ZnCl

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明要解决的一个技术问题是提供一种制备木质素基成型活性炭的方法，该方法通过对木质素基原料进行烘焙预处理，制备木质素基高性能成型活性炭，木质素原料经烘焙后，降低木质素聚合度，打开了磷酸渗透活化作用路径，使磷酸与原料充分接触作用，可有效提高活性炭的性能；烘焙后木质素大分子部分解聚炭化，释放一部分气体，有效降低了木质素大分子的聚合度和分子量，改变了木质素基原料的玻璃化转变温度和软化点，降低了木质素膨胀发泡反应，有利于成型和保持活性炭的耐磨强度。本发明要解决的另一个技术问题在于提供一种木质素基成型活性炭，该活性炭以中孔为主，适合液相大分子物质的吸附，为环境友好型净化材料，可具体应用于液相脱色、水体和大气污染治理中，具有较高的环境效益和经济效益。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种制备木质素基成型活性炭的方法，在磷酸活化法制备木质素基成型活性炭时，首先将木质素基原料进行烘焙预处理，然后再与磷酸混合、捏合、造粒、活化；所述烘焙温度240-280℃，烘焙时间1-5h。具体包括以下步骤：

(1)将木质素基原料破碎筛分至颗粒尺寸大于40目，然后在高温炉内隔绝空气进行烘焙预处理；

(2)烘焙结束后，将烘焙后的木质素基原料与磷酸按照浸渍比1:1～1:4混合，并在120～160℃温度下捏合；捏合过程是在密闭的捏合机料仓中进行，捏合过程避免水分流失，捏合结束后转移至烘箱中调整物料干湿状态；所述磷酸浓度为45％～65％；

(3)转移到成型模具中造粒，造粒后在70℃的温度下烘至硬化，然后升温至140℃烘干，烘干后移至活化炉中进行活化，活化后经漂洗、干燥，即得木质素基成型活性炭；所述活化温度为450～650℃，活化时间为0.5～3h。

所述制备木质素基成型活性炭的方法，所述木质素基原料为玉米芯提取木糖后的残渣、玉米芯提取木糖后再经碱提取的木质素、纤维素乙醇副产物木质素或造纸黑液木质素中的任一种。

所述制备木质素基成型活性炭的方法，所述木质素基原料中木质素含量大于40％，半纤维素含量小于5％。

所述制备木质素基成型活性炭的方法，所述烘焙温度为250～270℃。

所述制备木质素基成型活性炭的方法，所述磷酸溶液浓度为50％～60％，浸渍比1:1.5～1:2.5。

所述制备木质素基成型活性炭的方法，所述活化温度为500～600℃。

上述方法制备得到的木质素基成型活性炭。

所述木质素基成型活性炭，所述活性炭为柱状活性炭或球形活性炭。

有益效果：与现有的技术相比，本发明的优点包括：

(1)本发明通过对木质素基原料进行烘焙预处理，制备出了木质素基高性能成型活性炭产品；木质素原料经烘焙后，打开了磷酸渗透活化作用路径，使磷酸与原料充分接触作用，可有效提高活性炭的性能；烘焙后木质素大分子部分解聚炭化，释放一部分气体，有效降低了木质素大分子的聚合度和分子量，改变了木质素基原料的玻璃化转变温度和软化点，降低了木质素膨胀发泡反应，有利于成型和保持活性炭的耐磨强度。

(2)本发明制备得到的木质素基高性能成型活性炭产品，以中孔为主，适合液相大分子物质的吸附，作为环境友好型净化材料可用于液相脱色、水体和大气污染治理，具有较高的环境效益和经济效益；活性炭的碘吸附值大于800mg/g、亚甲基蓝吸附值大于180mg/g，耐磨强度大于85％。

(3)本发明制备方法在对木质素基原料进行烘焙预处理过程中，无需使用化学试剂，方法简便、环保、易操作，适用范围广。

附图说明

图1为烘焙预处理制备木质素基成型活性炭工艺流程图；

图2为现有技术中木质素膨胀比与温度的关系图；

图3为本发明木质素基原料制备活性炭时的膨胀现象图；

图4为烘焙处理后玉米芯提取木糖后的残渣的XRD图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例1

一种烘焙预处理制备木质素基成型活性炭的方法，工艺流程如图1所示。该方法具体包括以下步骤：

(1)将玉米芯提取木糖后的残渣(木质素含量40.3％，半纤维素含量0.5％)进行筛分，取粒径大于40目的部分在250℃烘焙处理3h；

(2)称取烘焙处理后的玉米芯提取木糖残渣与质量分数55％的磷酸按照浸渍比1:2混合，并在140℃温度下浸渍捏合，浸渍捏合在捏合机密闭的料仓中完成，捏合结束后放入140℃烘箱中，调整物料干湿状态至能成型造粒；

(3)转移到成型模具中造粒，造粒后在70℃的温度下烘至硬化，然后升温至140℃烘干，烘干后移至活化炉中在500℃活化2h，活化后经漂洗、干燥，即得柱状活性炭。

经测试，上述成品活性炭碘吸附值932mg/g，亚甲基蓝吸附值210mg/g，耐磨强度91％。

现有技术Moustaqim等(Moustaqim M E,Abderrahmane E K,Marouani M E,etal.Thermal and thermomechanical analyses of lignin[J].Sustainable Chemistryand Pharmacy,2018,9:63-68)研究发现木质素受热体积最大可膨胀3倍(如图2所示)，膨胀的原因与木质素热解过程中化学键断裂释放气体有关；以玉米芯提取木糖后的残渣制备活性炭时，发现原料经挤出成型在烘干硬化和活化阶段膨胀明显(图3)，无法成型。由于玉米芯提取木糖后的残渣仍含有部分纤维素，本发明发现烘焙预处理也可以破坏纤维素结晶区，降低纤维素的结晶度，这对提高磷酸渗透活化作用是有利的。通过对烘焙后的原料玉米芯提取木糖后的残渣进行XRD分析(图4)，可以发现16°、22°、26°、34°左右代表纤维素晶体晶面的衍射峰明显减弱或消失。

实施例2

一种制备木质素基成型活性炭的方法，具体包括以下步骤：

(1)将玉米芯提取木糖后的残渣(木质素含量40.3％，半纤维素含量1.5％)进行筛分，取粒径大于40目的部分在260℃烘焙处理3h；

(2)称取烘焙处理后的玉米芯提取木糖残渣与质量分数55％的磷酸按照浸渍比1:1.5混合，并在140℃温度下浸渍捏合，捏合在捏合机密闭的料仓中完成，捏合结束后放入140℃烘箱中，调整物料干湿状态至能成型造粒；

(3)转移到成型模具中造粒，造粒后在70℃的温度下烘至硬化，然后升温至140℃烘干，烘干后移至活化炉中在600℃活化2h，活化后经漂洗、干燥，即得柱状活性炭。

经测试，上述成品活性炭碘吸附值876mg/g，亚甲基蓝吸附值187.5mg/g，耐磨强度92％。

实施例3

一种制备木质素基成型活性炭的方法，具体包括以下步骤：

(1)将玉米芯提取木糖后再经碱提取的木质素原料(木质素含量79.4％，半纤维素含量0.1％)进行筛分，取粒径大于40目的部分在260℃烘焙处理3h；

(2)称取烘焙处理后的玉米芯提取木糖后再经碱提取的木质素与质量分数55％的磷酸按照浸渍比1:3混合，并在140℃温度下浸渍捏合，捏合在捏合机密闭的料仓中完成，捏合结束后放入140℃烘箱中，调整物料干湿状态至能成型造粒；

(3)转移到成型模具中造粒，造粒后在70℃的温度下烘至硬化，然后升温至140℃烘干，烘干后移至活化炉中在550℃活化2.5h，活化后经漂洗、干燥，即得柱状活性炭。

经测试，上述成品活性炭碘吸附值904mg/g，亚甲基蓝吸附值202.5mg/g，耐磨强度88％。

实施例4

一种制备木质素基成型活性炭的方法，工艺流程如图1所示。具体包括以下步骤：

(1)将纤维素乙醇副产物木质素(木质素含量91％，半纤维素含量0.3％)筛分，取粒径大于40目的部分在260℃烘焙处理3h；

(2)称取烘焙处理后的纤维素乙醇副产物木质素与质量分数60％的磷酸按照浸渍比1:2混合，并在140℃温度下浸渍捏合，捏合在捏合机密闭的料仓中完成，捏合结束后放入140℃烘箱中，调整物料干湿状态至能成型造粒；

(3)转移到成型模具中造粒，造粒后在70℃的温度下烘至硬化，然后升温至140℃烘干，烘干后移至活化炉中在550℃活化1.5h，活化后经漂洗、干燥，即得柱状活性炭。

经测试，上述成品活性炭碘吸附值856mg/g，亚甲基蓝吸附值180mg/g，耐磨强度89％。