以馬鈴薯為碳源制備高比表面積活性炭的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種以馬鈴薯為碳源制備高比表面積活性炭的方法。本發(fā)明采用馬鈴薯為原料，先預(yù)氧化得到預(yù)產(chǎn)物，而后炭化得到炭化物，將預(yù)產(chǎn)物或者炭化物與堿性介質(zhì)混合均勻，在氬氣中活化，最后洗滌干燥后得到超高比表面積的活性炭。制備的活性炭的比表面積約為1000~3500m2g-1，孔體積1~2cm3g-1，平均孔徑為1~3nm，有望作為一種新型的多孔活性炭材料在電池、超級(jí)電容器、氣體吸附劑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】以馬鈴薯為碳源制備高比表面積活性炭的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及活性炭材料的制備技術(shù)，具體為以生物質(zhì)廢物資源一馬鈴薯制備高比表面積的活性炭的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]活性炭是一種含炭材料，具有比表面積大，內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，吸附能力強(qiáng)、耐酸堿、可再生等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛的應(yīng)用于化工、冶金、軍事防護(hù)、電池、環(huán)境保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域。圍繞活性炭的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究仍然是科學(xué)研究的重要課題之一。
[0003]活性炭原料的選擇一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，因?yàn)檫@直接關(guān)系到材料的品質(zhì)和后續(xù)應(yīng)用。制備活性炭的原料種類繁多，目前商業(yè)應(yīng)用和科學(xué)研究較多的主要有煤炭(A.G.Pandolfo, A.F.Hollenkamp, Journal of Power Sources, 2006, 157, 11-27)、石油焦(J.Wang, Μ.M.Chen, C.Y.Wang, J.Z.Wang, J.M.Zheng, Journal of PowerSources, 2011，196，550-558)、高分子聚合物(J.Yan, Tong, Wei, ff.M.Qiao, Z.J.Fan, L.J.Zhang, T.Y.Li, Q.K.Zhao, Electrochemistry Communicat1ns, 2010,12，1279-1282 )、生物質(zhì)原料(木材(F.C.ffu, R.L.Tseng, C.C.Hu, C.C.Wang,Journal of Power Sources, 2004, 138, 351-359 )、杏殼(B.Xu, Y.F.Chen, G.Wei,
G.P.Cao, H.Zhang, Y.S.Yang, Materials Chemistry and Physics, 2010, 124,504-509)、谷殼(M.S Balathanigaimani, ff.G.Shin, M.J.Lee, C.Kim, J.ff.Lee,
H.Moon, Electrochemistry Communicat1ns, 2008, 10, 868-871 )、椰殼(李艷芳，梁大明，劉春蘭，君7矣緩發(fā)術(shù)，2009，15,5-13)等等)。這些碳源經(jīng)過(guò)炭化和活化后，都能獲得一定比表面積的活性炭材料。相比較而言，生物質(zhì)原料展示良好的應(yīng)用前景，具有來(lái)源豐富、成本較低、可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。但是目前利用上述提到的生物質(zhì)原料制備的活性炭材料，比表面積仍較低，這就限制了它的潛在應(yīng)用價(jià)值。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是提出一種利用生物質(zhì)碳源一馬鈴薯制備出高比表面的活性材料的途徑，方法具有成本低，流程簡(jiǎn)單，可大量制備等優(yōu)點(diǎn)，因此可作為一種適于制備高比表面積的活性炭的理想方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
本發(fā)明采用馬鈴薯為原料，先預(yù)氧化得到預(yù)產(chǎn)物A，而后炭化得到炭化物B，將預(yù)產(chǎn)物A或者炭化物B與堿性介質(zhì)混合均勻，在氬氣中活化，最后洗滌干燥后得到超高比表面積的活性炭C或者活性炭D。
[0006]一種以馬鈴薯為碳源制備高比表面積活性炭的方法，其特征在于，具體步驟為:
A、馬鈴薯預(yù)氧化:將馬鈴薯干燥、脫水，然后在馬弗爐中預(yù)氧化，得到預(yù)產(chǎn)物A，預(yù)氧化溫度為 10(T800°C ；
B、炭化預(yù)產(chǎn)物:將產(chǎn)物A在管式爐中氬氣保護(hù)下，炭化預(yù)產(chǎn)物A，從而得到炭化物B，炭化升溫速度為I?20 V /min，炭化溫度為100?1000 °C，保溫時(shí)間為I?10 h ；
C、KOH活化:將預(yù)產(chǎn)物A或者炭化物B研磨，并與氫氧化鉀和水混合均勻，自然干燥后，轉(zhuǎn)入管式爐，在氬氣保護(hù)下，進(jìn)行活化從而獲得高比表面積的活性炭C或者活性炭D，采用逐步升溫方法對(duì)預(yù)產(chǎn)物A或者炭化物B進(jìn)行活化，升溫速度為f 20 V /min,活化溫度為500^1000 °C，保溫時(shí)間為flO h，將產(chǎn)物冷卻、洗滌至中性、干燥后得到活性炭。
[0007]本發(fā)明預(yù)氧化優(yōu)選溫度為10(T300°C，預(yù)氧化時(shí)間優(yōu)選為廣3 h。
[0008]本發(fā)明采用逐步升溫方法對(duì)預(yù)產(chǎn)物A進(jìn)行炭化，升溫速度優(yōu)選為Γ10 °C /min,炭化溫度優(yōu)選為40(T800 °C，保溫時(shí)間優(yōu)選為1?3 h。
[0009]本發(fā)明采用逐步升溫方法對(duì)預(yù)產(chǎn)物A或者炭化物B進(jìn)行活化，其中KOH與產(chǎn)物A的質(zhì)量比為1:廣10:1，KOH與產(chǎn)物B的質(zhì)量比為1:1?10:1。
[0010]本發(fā)明采用逐步升溫方法對(duì)預(yù)產(chǎn)物A或者炭化物B進(jìn)行活化，升溫速度優(yōu)選為2?10 °C/min，活化溫度優(yōu)選為700?900 °C，保溫時(shí)間優(yōu)選為0.5?3 h。
[0011]本發(fā)明采用Micromeritics ASAP 2020測(cè)試了該系列活性炭材料的比表面積,制備的活性炭的比表面積約為100(T3500 m2 g_\孔體積廣2 Cm3g4，平均孔徑為廣3 nm，有望作為一種新型的多孔活性炭材料在電池、超級(jí)電容器、氣體吸附劑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
[0012]本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果是:
實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能源廢物再利用，整體工藝簡(jiǎn)單，可控性強(qiáng)，選用的原料價(jià)格低廉，適合低成本、大規(guī)模生產(chǎn)；所制備的活性炭具有超高比表面積，孔體積較高，孔徑均一等優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為實(shí)施例1制備的活性炭的掃描電子顯微鏡照片。
[0014]圖2為實(shí)施例2制備的活性炭的掃描電子顯微鏡照片。
[0015]圖3為活性炭的吸脫附曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0016]實(shí)施例1:
將冷凍干燥的馬鈴薯，取6 g放入馬弗爐中，在250 1:下預(yù)氧化兩小時(shí)，待冷卻至室溫。將得到的預(yù)氧化物放入管式爐當(dāng)中，通入氬氣(40 sccm),以5 OmirT1升溫速度至600 °C，保溫兩小時(shí)，然后降至室溫，得到炭化馬鈴薯。稱取炭化后馬鈴薯衍生炭2 g，加入8 g KOH并直接研磨(樣品編號(hào)為AC-600-800，其中AC代表活性炭，600代表炭化馬鈴薯的溫度和800代表活化溫度)。將上述混合物在氬氣(40 sccm)保護(hù)下，以5 °C min—1升溫速度至800 °C，保溫一小時(shí)，然后降至室溫，取出活化產(chǎn)物，先用鹽酸清洗，然后用水洗滌多余的雜質(zhì)和副產(chǎn)物，干燥后可得到超高比表面積活性炭材料AC-600-800。如圖3所示，所制備的上述樣品的吸脫附曲線為I型曲線，展示所制備的活性炭的孔為介孔結(jié)構(gòu)，其比表面積為 2908 m2 g'
[0017]實(shí)施例2:
將冷凍干燥的馬鈴薯，取6 g放入馬弗爐中，在250 °C下進(jìn)行預(yù)氧化兩小時(shí)，待冷卻至室溫。直接稱取2 g預(yù)氧化物馬鈴薯，加入8 g KOH直接研磨(樣品編號(hào)為AC-800，其中AC代表活性炭，800代表直接活化溫度)。將上述混合物在氬氣(40 sccm)保護(hù)下，以5 OmirT1升溫速度至800 °C，保溫一小時(shí)，然后降至室溫，取出活化產(chǎn)物，先用鹽酸清洗，然后用水洗滌多余的雜質(zhì)和副產(chǎn)物，干燥后可得到超高比表面積活性炭材料AC-800。如圖3所示，上述所制備的樣品的吸脫附曲線為IV型曲線，展示所制備的活性炭的孔為介孔結(jié)構(gòu)，其比表面積為 3285 m2 g 1O
[0018]電鏡觀察結(jié)果表明:通過(guò)炭化活化(AC-600-800)和直接活化(AC-800)所制備的多孔活性炭的微觀形貌呈現(xiàn)直徑為數(shù)納米至數(shù)十納米的小顆粒。氮?dú)馕摳綔y(cè)試表明通過(guò)簡(jiǎn)化制備工藝(無(wú)炭化步驟)所制備的多孔活性炭具有較高的比表面積和孔體積。
[0019]如圖1所示，通過(guò)實(shí)施例1制備的多孔活性炭AC-600-800的微觀表面均勻分布著數(shù)納米至數(shù)十納米的小顆粒，說(shuō)明該方法可以制備高質(zhì)量的活性炭材料。
[0020]如圖2所示，通過(guò)實(shí)施例2制備的多孔活性炭AC-800的微觀表面均勻分布著數(shù)納米至數(shù)十納米的小顆粒，說(shuō)明該方法可以制備高質(zhì)量的活性炭材料。
[0021]如圖3所示，實(shí)施例1中多孔活性炭AC-600-800脫附測(cè)試呈現(xiàn)I型曲線；實(shí)施例2中多孔活性炭AC-800脫附測(cè)試呈現(xiàn)IV型曲線。AC-600-800和AC-800的比表面積分別為2908 m2 g_1和3285 m2 g_1 ;相應(yīng)的孔體積分別為1.3 cm3 g_1和1.8 cm3 g'表明通過(guò)簡(jiǎn)化工藝，仍可獲得較高比表面積和孔體積的多孔活性炭材料。
【權(quán)利要求】
1.一種以馬鈴薯為碳源制備高比表面積活性炭的方法，其特征在于，具體步驟為: A、馬鈴薯預(yù)氧化:將馬鈴薯干燥、脫水，然后在馬弗爐中預(yù)氧化，得到預(yù)產(chǎn)物A，預(yù)氧化溫度為 10(T800°C ； B、炭化預(yù)產(chǎn)物:將產(chǎn)物A在管式爐中氬氣保護(hù)下，炭化預(yù)產(chǎn)物A，從而得到炭化物B，炭化升溫速度為I?20 V /min，炭化溫度為100?1000 °C，保溫時(shí)間為I?10 h ； C、KOH活化:將預(yù)產(chǎn)物A或者炭化物B研磨，并與氫氧化鉀和水混合均勻，自然干燥后，轉(zhuǎn)入管式爐，在氬氣保護(hù)下，進(jìn)行活化從而獲得高比表面積的活性炭C或者活性炭D，采用逐步升溫方法對(duì)預(yù)產(chǎn)物A或者炭化物B進(jìn)行活化，升溫速度為f 20 V /min,活化溫度為500^1000 °C，保溫時(shí)間為flO h，將產(chǎn)物冷卻、洗滌至中性、干燥后得到活性炭。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，預(yù)氧化溫度為10(T300°C，預(yù)氧化時(shí)間為f3h0
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，采用逐步升溫方法對(duì)預(yù)產(chǎn)物A進(jìn)行炭化，升溫速度為4?10 °C/min，炭化溫度為400?800 °C，保溫時(shí)間為I?3 h。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，采用逐步升溫方法對(duì)預(yù)產(chǎn)物A或者炭化物B進(jìn)行活化，其中KOH與產(chǎn)物A的質(zhì)量比為1:1?10:1，KOH與產(chǎn)物B的質(zhì)量比為1:1?10:1。
5.如權(quán)利要求1或4所述的方法，其特征在于，采用逐步升溫方法對(duì)預(yù)產(chǎn)物A或者炭化物B進(jìn)行活化，升溫速度為2?10 V /min,活化溫度優(yōu)選70(Γ900 V，保溫時(shí)間為0.5^3 h。
【文檔編號(hào)】C01B31/12GK104445191SQ201310416168
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】閻興斌, 彭超, 王儒濤, 郎俊偉, 薛群基 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所