一种采用废弃烟草秸秆制备多孔活性炭的方法

技术领域

本发明涉及碳材料制备技术领域，具体涉及一种采用废弃烟草秸秆制备多孔活性炭的方法。

背景技术

我国是烟草种植大国，每当收获烟叶后会产生大量的废弃烟草秸秆；废弃烟草秸秆如果处理不当，将会导致环境污染；如何有效的利用废弃烟草秸秆，一方面可以解决废弃烟草秸秆污染环境的问题，另一方面还可以提高烟草的附加经济价值。

目前，以废弃烟草秸秆制备多孔活性炭的报道较少；中国发明专利CN113213450A公开了一种制备烟秆基多级孔径结构碳材料的方法；其具体方法为：(1)将烟秆粉、硝酸锰以及次磷酸钾分散在去离子水中，形成分散液；(2) 将分散液去除溶剂，得活性炭前驱体粉末；(2)将活性炭前驱体粉末置于管式炉中，在惰性气体气氛下，经加热后得产物；将产物洗涤干燥后即得烟秆基多级孔径结构碳材料。该发明以烟秆粉为原料制备得到了同时具有微孔、中孔和大孔结构的烟秆基多级孔径结构碳材料。但是发明人在进一步研究中发现，该方法制备得到的碳材料虽然具有不同的孔径，但是其比表面积还有待进一步提高。

发明内容

鉴于此，本发明提供了采用废弃烟草秸秆制备多孔活性炭的方法；由该方法制备得到的多孔活性炭具有较高的比表面积。

本发明的技术方案如下：

一种采用废弃烟草秸秆制备多孔活性炭的方法，其包含如下步骤：

(1)将废弃烟草秸秆洗净、干燥后粉碎成烟草秸秆粉；

(2)将烟草秸秆粉加入到活化溶液中，形成混合物；

(3)将混合物进行球磨得混合浆料；

(4)将混合浆料进行冷冻干燥，得多孔活性炭前驱体；

(5)将多孔活性炭前驱体，在惰性气体环境下，进行加热反应，反应结束后得多孔活性炭。

优选地，步骤(1)中所述的烟草秸秆粉的目数为80～200目。

最优选地，步骤(1)中所述的烟草秸秆粉的目数为100目。

优选地，步骤(2)中的活化溶液是含有碳酸钾和氢氧化钾的水溶液。

优选地，活化溶液中碳酸钾的质量分数为3～5％；氢氧化钾的质量分数为 5～10％。

最优选地，活化溶液中碳酸钾的质量分数为4％；氢氧化钾的质量分数为6％。

发明人在研究中表明，以废气烟草秸秆为原料制备多孔活性炭，能否得到具有较大比表面积的多孔活性炭，这和活化溶液的组成有着重要的关系；发明人在大量的试验中

大量的试验过程中惊奇的发现，将烟草秸秆粉在含碳酸钾和氢氧化钾的活化溶液中进行研磨后制备得到的多孔活性炭与将烟草秸秆粉仅仅在含碳酸钾或仅仅含氢氧化钾的活化溶液中，或其它活化溶液中进行研磨后制备得到的多孔活性炭相比，其比表面积有着显著的提高。

优选地，活化溶液的重量为烟草秸秆粉重量的5～15倍。

最优选地，活化溶液的重量为烟草秸秆粉重量的10倍。

优选地，步骤(4)冷冻干燥中的冷冻是指在0～-100℃下冷冻4～12h。

最优选地，步骤(4)冷冻干燥中的冷冻是指在-80℃下冷冻6～8h。

优选地，步骤(4)冷冻干燥中的冷冻为三级冷冻。

进一步优选地，所述的三级冷冻具体为：首先在-1～-5℃下冷冻1～2h；接着在-50～-60℃下冷冻2～3h；最后在-70～-80℃下冷冻3～5h。

最优选地，所述的三级冷冻具体为：首先在-3℃下冷冻1h；接着在-55℃下冷冻2h；最后在-80℃下冷冻4h。

优选地，步骤(5)中的加热反应是指在600～800℃下反应2～4h。

最优选地，步骤(5)中的加热反应是指在700℃下反应3h。

进一步地，烟草秸秆粉在含碳酸钾和氢氧化钾的活化溶液中进行研磨后，冷冻干燥步骤中的冷冻时间，对于能否进一步提高制备得到的多孔活性炭的比表面积有着重要的影响；发明人在大量的实验中惊奇的发现：烟草秸秆粉在含碳酸钾和氢氧化钾的活化溶液中进行研磨后，经本发明的上述三级冷冻条件后制备得到的多孔活性炭，其比表面积与在其它冷冻条件下制备得到的多孔活性炭有着大幅度的提高。

有益效果：本发明提供了一种全新的采用废弃烟草秸秆制备多孔活性炭的方法；由该方法制备得到的多孔活性炭具有较高的比表面积。且该方法制备工艺简单，适合大规模工业化生产；一方面可以解决废弃烟草秸秆污染环境的问题，另一方面还可以提高烟草的附加经济价值。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行进一步解释，但实施例对本发明不做任何形式的限定。

实施例1多孔活性炭的制备

(1)将废弃烟草秸秆洗净、干燥后粉碎成100目的烟草秸秆粉；

(2)将烟草秸秆粉加入到10倍重量的活化溶液中，形成混合物；

(3)将混合物放入球磨机中进行球磨3h，得混合浆料；

(4)将混合浆料在-80℃下冷冻7h，然后进行真空干燥，得多孔活性炭前驱体；

(5)将多孔活性炭前驱体，在氮气气氛中，于700℃下反应3h，反应结束后得多孔活性炭；

步骤(2)中的活化溶液为含有碳酸钾和氢氧化钾的水溶液，其中，碳酸钾的质量分数为4％，氢氧化钾的质量分数为6％。

实施例2多孔活性炭的制备

(1)将废弃烟草秸秆洗净、干燥后粉碎成100目的烟草秸秆粉；

(2)将烟草秸秆粉加入到10倍重量的活化溶液中，形成混合物；

(3)将混合物放入球磨机中进行球磨3h，得混合浆料；

(4)将混合浆料首先在-3℃下冷冻1h，接着在-55℃下冷冻2h，最后在-80℃下冷冻4h；然后进行真空干燥，得多孔活性炭前驱体；

(5)将多孔活性炭前驱体，在氮气气氛中，于700℃下反应3h，反应结束后得多孔活性炭；

步骤(2)中的活化溶液为含有碳酸钾和氢氧化钾的水溶液，其中，碳酸钾的质量分数为4％，氢氧化钾的质量分数为6％。

实施例2与实施例1的区别在于，冷冻干燥步骤中的冷冻条件不同；实施例 2的冷冻条件为三级冷冻条件，即：首先在-3℃下冷冻1h，接着在-55℃下冷冻2h，最后在-80℃下冷冻4h；而实施例1的冷冻条件为一级冷冻条件，即直接在 -80℃下冷冻7h。

实施例3多孔活性炭的制备

(1)将废弃烟草秸秆洗净、干燥后粉碎成80目的烟草秸秆粉；

(2)将烟草秸秆粉加入到5倍重量的活化溶液中，形成混合物；

(3)将混合物放入球磨机中进行球磨2h，得混合浆料；

(4)将混合浆料首先在-1℃下冷冻2h，接着在-50℃下冷冻3h，最后在-80℃下冷冻3h；然后进行真空干燥，得多孔活性炭前驱体；

(5)将多孔活性炭前驱体，在氮气气氛中，于600℃下反应4h，反应结束后得多孔活性炭；

步骤(2)中的活化溶液为含有碳酸钾和氢氧化钾的水溶液，其中，碳酸钾的质量分数为3％，氢氧化钾的质量分数为7％。

实施例4多孔活性炭的制备

(1)将废弃烟草秸秆洗净、干燥后粉碎成200目的烟草秸秆粉；

(2)将烟草秸秆粉加入到15倍重量的活化溶液中，形成混合物；

(3)将混合物放入球磨机中进行球磨4h，得混合浆料；

(4)将混合浆料首先在-5℃下冷冻1h，接着在-60℃下冷冻2h，最后在-70℃下冷冻5h；然后进行真空干燥，得多孔活性炭前驱体；

(5)将多孔活性炭前驱体，在氮气气氛中，于800℃下反应2h，反应结束后得多孔活性炭；

步骤(2)中的活化溶液为含有碳酸钾和氢氧化钾的水溶液，其中，碳酸钾的质量分数为5％，氢氧化钾的质量分数为5％。

对比例1多孔活性炭的制备

(1)将废弃烟草秸秆洗净、干燥后粉碎成100目的烟草秸秆粉；

(2)将烟草秸秆粉加入到10倍重量的活化溶液中，形成混合物；

(3)将混合物放入球磨机中进行球磨3h，得混合浆料；

(4)将混合浆料在-80℃下冷冻7h，然后进行真空干燥，得多孔活性炭前驱体；

(5)将多孔活性炭前驱体，在氮气气氛中，于700℃下反应3h，反应结束后得多孔活性炭；

步骤(2)中的活化溶液为含有碳酸钾的水溶液，其中，碳酸钾的质量分数为10％。

对比例1与实施例1的区别在于，活化溶液的组成不同；对比例1的活化液是仅仅含有碳酸钾的水溶液；而实施例1的活化液则是含有碳酸钾和氢氧化钾的水溶液。

对比例2多孔活性炭的制备

(1)将废弃烟草秸秆洗净、干燥后粉碎成100目的烟草秸秆粉；

(2)将烟草秸秆粉加入到10倍重量的活化溶液中，形成混合物；

(3)将混合物放入球磨机中进行球磨3h，得混合浆料；

(4)将混合浆料在-80℃下冷冻7h，然后进行真空干燥，得多孔活性炭前驱体；

(5)将多孔活性炭前驱体，在氮气气氛中，于700℃下反应3h，反应结束后得多孔活性炭；

步骤(2)中的活化溶液为含有氢氧化钾的水溶液，其中，氢氧化钾的质量分数为10％。

对比例2与实施例1的区别在于，活化溶液的组成不同；对比例2的活化液是仅仅含有氢氧化钾的水溶液；而实施例1的活化液则是含有碳酸钾和氢氧化钾的水溶液。

对比例3多孔活性炭的制备

(1)将废弃烟草秸秆洗净、干燥后粉碎成100目的烟草秸秆粉；

(2)将烟草秸秆粉加入到10倍重量的活化溶液中，形成混合物；

(3)将混合物放入球磨机中进行球磨3h，得混合浆料；

(4)将混合浆料首先在-3℃下冷冻3h，接着在-80℃下冷冻4h；然后进行真空干燥，得多孔活性炭前驱体；

(5)将多孔活性炭前驱体，在氮气气氛中，于700℃下反应3h，反应结束后得多孔活性炭；

步骤(2)中的活化溶液为含有碳酸钾和氢氧化钾的水溶液，其中，碳酸钾的质量分数为4％，氢氧化钾的质量分数为6％。

对比例3与实施例2的区别在于，冷冻干燥步骤中的冷冻条件不同；实施例 2的冷冻条件为三级冷冻条件，即：首先在-3℃下冷冻1h，接着在-55℃下冷冻2h，最后在-80℃下冷冻4h；而对比例3的冷冻条件为二级冷冻条件，即首先在 -3℃下冷冻3h，接着在-80℃下冷冻4h。

对比例4多孔活性炭的制备

(1)将废弃烟草秸秆洗净、干燥后粉碎成100目的烟草秸秆粉；

(2)将烟草秸秆粉加入到10倍重量的活化溶液中，形成混合物；

(3)将混合物放入球磨机中进行球磨3h，得混合浆料；

(4)将混合浆料首先在-3℃下冷冻1h，接着在-35℃下冷冻2h，最后在-80℃下冷冻4h；然后进行真空干燥，得多孔活性炭前驱体；

(5)将多孔活性炭前驱体，在氮气气氛中，于700℃下反应3h，反应结束后得多孔活性炭；

步骤(2)中的活化溶液为含有碳酸钾和氢氧化钾的水溶液，其中，碳酸钾的质量分数为4％，氢氧化钾的质量分数为6％。

对比例4与实施例2的区别在于，冷冻干燥步骤中的冷冻条件不同；实施例 2的三级冷冻条件为：首先在-3℃下冷冻1h，接着在-55℃下冷冻2h，最后在-80℃下冷冻4h；而对比例4的三级冷冻条件为：首先在-3℃下冷冻1h，接着在-35℃下冷冻2h，最后在-80℃下冷冻4h。

实施例1～4以及对比例1～4制备得到的多孔活性炭的比表面积见表1。

表1.多孔活性炭的比表面积

从表1多孔活性炭的比表面积可以看出，实施例1～4制备得到的多孔活性炭的比表面积在900m

从表1多孔活性炭的比表面积还可以看出，实施例2～4制备得到的多孔活性炭的比表面积与实施例1制备得到的多孔活性炭相比，有着大幅度提高，这说明：烟草秸秆粉在含碳酸钾和氢氧化钾的活化溶液中进行研磨后，冷冻干燥步骤中的冷冻时间，对于能否进一步提高制备得到的多孔活性炭的比表面积有着重要的影响。烟草秸秆粉在含碳酸钾和氢氧化钾的活化溶液中进行研磨后，经本发明的所述的三级冷冻条件后制备得到的多孔活性炭，其比表面积与仅仅在常规的一级冷冻条件下制备得到的多孔活性炭相比有着大幅度的提高。

从表1多孔活性炭的比表面积还可以看出，实施例1制备得到的多孔活性炭与对比例1和2制备得到的多孔活性炭相比，有着显著的提高；这说明：以废气烟草秸秆为原料制备多孔活性炭，能否得到具有较大比表面积的多孔活性炭，这和活化溶液的组成有着重要的关系；将烟草秸秆粉在含碳酸钾和氢氧化钾的活化溶液中进行研磨后制备得到的多孔活性炭与烟草秸秆粉仅仅在含碳酸钾或仅仅含氢氧化钾的活化溶液中制备得到的多孔活性炭相比，其比表面积有着显著的提高。

从表1多孔活性炭的比表面积还可以看出，对比例2和3制备得到的多孔活性炭与实施例1制备得到的多孔活性炭相比，其比表面积提高幅度不大；其提升幅度远远小于对比例2；这说明：冷冻干燥步骤中的三级冷冻条件的温度选择十分关键；只有，经本发明的所述的三级冷冻条件(即首先在-1～-5℃下冷冻1～2h；接着在-50～-60℃下冷冻2～3h；最后在-70～-80℃下冷冻3～5h)后制备得到的多孔活性炭，才能大幅度提高制备得到的多孔活性炭的比表面积；经其它三级冷冻条件后制备得到的多孔活性炭，并不能大幅度提高制备得到的多孔活性炭的比表面积。