CN110734063A - 一种稻壳基掺氮活性炭的制备方法 - Google Patents

一种稻壳基掺氮活性炭的制备方法 Download PDF

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肖欢
石贵滨
陈光楠
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Abstract

本发明涉及一种稻壳基掺氮活性炭的制备方法，具体步骤为：1)稻壳用清水清洗后，搅拌状态下分别在碱性溶液和酸性溶液中浸泡5～20min，重复2～4次，用清水清洗至中性后，干燥、粉碎、筛分后，在氮气氛围下进行活化前的炭化处理，其中炭化温度为300～400℃，时间为30～120min；然后炭化后的稻壳与含氮原料、KOH混合均匀后，氮气氛围下升温至400～900℃，保温时间为30～120min；样品冷却至室温后，依次用碱性溶液和酸性溶液洗涤，水洗至中性，过滤，干燥即得稻壳基掺氮活性炭。所得活性炭比表面积和微孔孔体积大，CO2吸附作用良好，工艺简单，原料低廉，成本低。

Description

一种稻壳基掺氮活性炭的制备方法
技术领域
本发明属于个体防护领域，具体涉及一种稻壳基掺氮活性炭的制备方法。
背景技术
随着社会的快速发展和科技的进步，人类对材料的探索和使用越来越多，而由于各种新型材料的出现及使用，事故也是日益频发，产生的有毒气体也日渐增多，对毒气的吸附产品的要求也是越来越高。
活性炭具有丰富的内部孔隙结构和较高的比表面积，是一种优良的吸附材料。它由炭形成的六环物堆积而成，主要化学成分是碳元素，含有少量的氢、氮、氧及灰分。其物理、化学性质稳定，耐酸碱，能经受水湿、高温及高压，不溶于水和有机溶剂，使用失效后可以并容易再生，是一种循环经济型材料。
活性炭的生产原料以木材和煤为主，生产成本高是制约活性炭发展的因素之一。近些年，国内外相继在探索利用生产成本低廉、来源广泛的生物质制备活性炭，其中稻壳及其衍生物制备活性炭成为热门，但稻壳及其衍生物制备活性炭也存在着处理步骤复杂、活性剂价格昂贵或比表面积小吸附性不佳等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稻壳基掺氮活性炭的制备方法，该方法操作简单，成本低，所得活性炭比表面积和微孔体积大，吸附性能良好。
为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
提供一种稻壳基掺氮活性炭的制备方法，包括如下步骤：
1)稻壳用清水清洗后，搅拌状态下浸泡在碱性溶液中5～20min，重复2～4次；
2)将步骤1)中得到的碱处理后的稻壳用清水清洗至中性后，搅拌状态下浸泡在酸性溶液中5～20min，重复2～4次；
3)将步骤2)中得到的酸处理后的稻壳用清水清洗至中性后，干燥、粉碎、筛分后，在氮气氛围下进行活化前的炭化处理，其中炭化温度为300～400℃，时间为30～120min；
4)将步骤3)炭化后的稻壳与含氮原料、KOH按一定质量比混合均匀后，在氮气氛围下升温至400～900℃，保温时间为30～120min；
5)将步骤4)得到的样品冷却至室温后，碱性溶液洗涤一次，水洗至中性，再用酸性溶液洗涤一次，水洗至中性，过滤，干燥即得稻壳基掺氮活性炭。
按上述方案，步骤1)中碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或氨水，浓度为0.01～2mol/L。
按上述方案，步骤2)中酸性溶液为盐酸溶液、硫酸溶液、磷酸溶液或硝酸溶液，浓度为0.01～2mol/L。
按上述方案，步骤3)中筛分出的稻壳为100～200目。
按上述方案，步骤3)中干燥温度为40～70℃，干燥时间为12h～36h。
按上述方案，步骤3)中升温速率为5～10℃/min。
按上述方案，步骤4)中炭化后的稻壳与KOH的质量比为1:1～8。
按上述方案，步骤4)中含氮原料可为三聚氰胺、壳聚糖、尿素。
按上述方案，步骤4)中炭化后的稻壳与含氮原料的质量比为1:1～4。
按上述方案，步骤4)中升温速率为5～10℃/min。
按上述方案，步骤5)中干燥温度为80～120℃，干燥时间为24～36h。
按上述方案，步骤5)中碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或氨水，浓度为0.01～2mol/L；酸性溶液为盐酸溶液、硫酸溶液、磷酸溶液或硝酸溶液，浓度为0.01～2mol/L。
本发明的有益效果为：
1.本发明通过碱性溶液与酸性溶液对稻壳进行预处理，除去了稻壳中的灰分及金属杂质，进行炭化后又掺氮活化，增加了活性炭的含氮量与含氮基团，酸碱后处理后得到的活性炭比表面积和微孔孔体积大，CO2吸附作用良好。
2.工艺简单，操作方便，原料低廉，成本低。
具体实施方式
下面具体实施例来对本发明作进一步地描述。
实施例1
1)选取一定量的废弃农作物稻壳，先使用0.1mol/L的NaOH溶液浸泡十分钟、搅拌清洗，重复三次。
2)接着用去离子水清洗至溶液呈中性，随后用0.1mol/L的HCl溶液浸泡十分钟、搅拌清洗，重复三次。
3)再次用去离子水清洗至溶液呈中性，在鼓风干燥箱里50℃干燥24h后粉碎，经200目筛分后取一定量倒入刚玉坩埚中，置于管式炉中，在氮气氛围下以10℃/min的升温速率升至400℃，维持90min。
4)待程序结束后，在管式炉中降至室温取出，将得到的样品与三聚氰胺、KOH按质量比为1:2:2混合均匀，倒入刚玉坩埚中，在氮气氛围下置于管式炉中，以10℃/min的升温速率升至800℃，维持90min。
5)在程序结束后，在管式炉中冷却至室温取出，将得到的样品进行60℃的水浴加热，维持15min，过滤，然后分别用0.1mol/L的氢氧化钠溶液、盐酸溶液及去离子水进行洗涤，直至中性；在80℃干燥箱内干燥24h，得到粉末状稻壳活性炭。
本实施例中制得的活性炭，比表面积为1325.67m2/g，孔体积为0.46cm3/g，微孔孔体积为0.38cm3/g，含氮量为4.33％，CO2吸附量为157.82mg/g。
对比例1
1)选取一定量的废弃农作物稻壳，用去离子水反复清洗多次。
2)在鼓风干燥箱里50℃干燥24h后粉碎，经200目筛分后取一定量倒入刚玉坩埚中，置于管式炉中，在氮气氛围下以10℃/min的升温速率升至400℃，维持90min。
3)待程序结束后，在管式炉中降至室温取出，将得到的样品与三聚氰胺、KOH按质量比为1:2:2混合均匀，倒入刚玉坩埚中，置于管式炉中，在氮气氛围下以10℃/min的升温速率升至800℃，维持90min。
4)在程序结束后，在管式炉中冷却至室温取出，将得到的样品进行60℃的水浴加热，维持15min，过滤，然后分别用0.1mol/L的氢氧化钠溶液、盐酸溶液及去离子水进行洗涤，直至中性；在80℃干燥箱内干燥24h，得到粉末状稻壳活性炭。
本实施例中制得的活性炭，其比表面积为583.25m m2/g，孔体积为0.23cm3/g，微孔孔体积为0.15cm3/g，含氮量为2.53％，CO2吸附量为77.36mg/g。
对比例2
1)选取一定量的废弃农作物稻壳，先使用0.1mol/L的NaOH溶液浸泡十分钟、搅拌清洗，重复三次。
2)接着用去离子水清洗至溶液呈中性，随后用0.1mol/L的HCl溶液浸泡十分钟、搅拌清洗，重复三次。
3)再次用去离子水清洗至溶液呈中性，在鼓风干燥箱里50℃干燥24h后粉碎，经200目筛分后取一定量与三聚氰胺、KOH按质量比为1:2:2混合均匀，倒入刚玉坩埚中，置于管式炉中，在氮气氛围下以10℃/min的升温速率升至800℃，维持90min。
4)在程序结束后，在管式炉中冷却至室温取出，将得到的样品进行60℃的水浴加热，维持15min，过滤，然后分别用0.1mol/L的氢氧化钠溶液、盐酸溶液及去离子水进行洗涤，直至中性；在80℃干燥箱内干燥24h，得到粉末状稻壳活性炭。
本实施例中制得的活性炭，其比表面积为678.35m2/g，孔体积为0.21cm3/g，微孔孔体积为0.09cm3/g，含氮量为3.25％，CO2吸附量为83.37mg/g。
实施例2
1)取一定量的废弃农作物稻壳，先使用0.01mol/L的NaOH溶液浸泡十分钟、搅拌清洗，重复四次。
2)接着用去离子水清洗至溶液呈中性，随后用0.01mol/L的HCl溶液浸泡十分钟、搅拌清洗，重复四次。
3)再次用去离子水清洗至溶液呈中性，在鼓风干燥箱里60℃干燥12h后粉碎，经150目筛分后取一定量倒入刚玉坩埚中，置于管式炉中，在氮气氛围下以5℃/min的升温速率升至300℃，维持30min。
4)待程序结束后，在管式炉中降至室温取出。得到的样品与壳聚糖、KOH按质量比为1:3:3混合均匀，倒入刚玉坩埚中，置于管式炉中，在氮气氛围下以5℃/min的升温速率升至600℃，维持30min。
5)在程序结束后，在管式炉中冷却至室温取出，分别用1mol/L的氢氧化钠溶液、盐酸溶液及去离子水进行洗涤，直至中性，其中利用盐酸溶液洗涤时重复洗涤；在100℃干燥箱内干燥24h，得到粉末状稻壳活性炭。
本实施例中制得的活性炭，其比表面积为1125m2/g，孔体积为0.37cm3/g，微孔孔体积为0.25cm3/g，含氮量为2.71％，CO2吸附量为113.52mg/g。
实施例3
1)取一定量的废弃农作物稻壳，先使用1mol/L的NaOH溶液浸泡十分钟、搅拌清洗，重复三次。
2)接着用去离子水清洗至溶液呈中性，随后用1mol/L的HCl溶液浸泡十分钟、搅拌清洗，重复三次。
3)再次用去离子水清洗至溶液呈中性，在鼓风干燥箱里70℃干燥36h后粉碎，经100目筛分后取一定量倒入刚玉坩埚中，置于管式炉中，在氮气氛围下以5℃/min的升温速率升至350℃，维持60min。
4)待程序结束后，在管式炉中降至室温取出，得到的样品与尿素、KOH按质量比为1:4:4混合均匀，倒入刚玉坩埚中，置于管式炉中，在氮气氛围下以10℃/min的升温速率升至700℃，维持60min。
5)在程序结束后，在管式炉中冷却至室温取出，分别用0.01mol/L的氢氧化钠溶液、盐酸溶液及去离子水进行洗涤，直至中性。在120℃干燥箱内干燥24h，得到粉末状稻壳活性炭。
本实施例中制得的活性炭，其比表面积为1223m2/g，孔体积为0.35cm3/g，微孔孔体积为0.24cm3/g，含氮量为3.37％，CO2吸附量为133.42mg/g。
应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种稻壳基掺氮活性炭的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)稻壳用清水清洗后，搅拌状态下浸泡在碱性溶液中5～20min，重复2～4次；
2)将步骤1)中得到的碱处理后的稻壳用清水清洗至中性后，搅拌状态下浸泡在酸性溶液中5～20min，重复2～4次；
3)将步骤2)中得到的酸处理后的稻壳用清水清洗至中性后，干燥、粉碎、筛分后，在氮气氛围下进行活化前的炭化处理，其中炭化温度为300～400℃，时间为30～120min；
4)将步骤3)炭化后的稻壳与含氮原料、KOH按一定质量比混合均匀后，在氮气氛围下升温至400～900℃，保温时间为30～120min；
5)将步骤4)得到的样品冷却至室温后，碱性溶液洗涤一次，水洗至中性，再用酸性溶液洗涤一次，水洗至中性，过滤，干燥即得稻壳基掺氮活性炭。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或氨水，浓度为0.01～2mol/L；步骤2)中酸性溶液为盐酸溶液、硫酸溶液、磷酸溶液或硝酸溶液，浓度为0.01～2mol/L。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中，炭化后的稻壳与KOH的质量比为1:1～8；炭化后的稻壳与含氮原料的质量比为1:1～4。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中含氮原料可为三聚氰胺、壳聚糖、尿素。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中碱性溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或氨水，浓度为0.01～2mol/L；酸性溶液为盐酸溶液、硫酸溶液、磷酸溶液或硝酸溶液，浓度为0.01～2mol/L。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，筛分出的稻壳为100～200目；干燥温度为40～70℃，干燥时间为12h～36h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中升温速率为5～10℃/min。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中升温速率为5～10℃/min。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中干燥温度为80～120℃，干燥时间为24～36h。
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