竹炭的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種竹炭的制備方法，包括以下步驟：S100：將竹材在堿性溶液中浸泡8h～24h；S200：將所述浸泡后的竹材進(jìn)行干燥處理；S300：將所述干燥處理后的竹材在無氧氣氛中于600℃～900℃下焙燒1h～4h，得到竹炭毛坯；S400：將步驟S300中得到的竹炭毛坯清洗、干燥，得到竹炭。本發(fā)明工藝簡單、成本低廉、產(chǎn)率高，得到的竹炭產(chǎn)品具有較高的比表面積和吸附性能，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說明】
竹炭的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及材料的制備領(lǐng)域，特別是涉及一種竹炭的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]竹炭是以竹材為原料經(jīng)高溫炭化獲得的固體產(chǎn)物，具有細(xì)密多孔、比表面積大、吸附力強(qiáng)、遠(yuǎn)紅外發(fā)射等特點(diǎn)，廣泛用于燃料、空氣凈化除臭、環(huán)保凈水、果蔬保鮮、衛(wèi)生保健、土壤改良、環(huán)境調(diào)濕等領(lǐng)域，也用作抗輻射與電磁屏蔽材料、阻燃復(fù)合材料、鋰離子電池負(fù)極材料及工業(yè)用半導(dǎo)體材料等高新技術(shù)領(lǐng)域。
[0003]但是，竹材在高溫碳化過程中產(chǎn)生大量的竹焦油會(huì)堵塞竹炭的孔道，降低竹炭的比表面積。直接碳化得到的竹炭的比表面積不到400m2/g，性能較差。一般采用活化法將所含竹焦油氣化，疏通孔道，提高竹炭的比表面積。活化方法分為物理活化法和化學(xué)活化法。物理活化法是利用水蒸氣和二氧化碳、空氣或這些氣體的混合物在一定溫度下通過氧化反應(yīng)將竹焦油氣化?；瘜W(xué)活化法則是將竹炭與活化劑充分混合后在一定溫度下進(jìn)行反應(yīng)。無論是物理法還是化學(xué)法，活化過程增加了竹炭的生產(chǎn)工序，造成能源浪費(fèi)，而活化氣體或活化劑的大量使用則提高了竹炭的生產(chǎn)成本。此外，部分竹炭在活化過程中被氧化，降低了產(chǎn)率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種竹炭的制備方法，僅一步碳化即可得到比表面積較高的竹炭，且制備過程簡單，成本低廉。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]—種竹炭的制備方法，包括以下步驟:
[0007]SlOO:將竹材在堿性溶液中浸泡8h?24h ；
[0008]S200:將所述浸泡后的竹材進(jìn)行干燥處理；
[0009]S300:將所述干燥處理后的竹材在無氧氣氛中于600 °C?900 °C下焙燒Ih?4h，得到竹炭毛坯；
[0010]S400:將步驟S300中得到的竹炭毛坯清洗、干燥，得到竹炭。
[0011]在其中一個(gè)實(shí)施例中，在步驟SlOO之前，還包括以下步驟:
[0012]將竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片。
[0013]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述堿性溶液為堿金屬的氫氧化物溶液。
[0014]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述堿性溶液為氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液或二者的混合溶液。
[0015]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述氫氧化鈉溶液或所述氫氧化鉀溶液的濃度為10g/L ?500g/Lo
[0016]在其中一個(gè)實(shí)施例中，步驟S200中，所述干燥處理的條件為:
[0017]將所述浸泡后的竹材自然風(fēng)干或于50°C?120°C下進(jìn)行烘干。
[0018]在其中一個(gè)實(shí)施例中，步驟S400中，所述清洗、干燥條件為:將所述竹炭毛坯清洗至中性，并于80 °C?120 °C下進(jìn)行干燥。
[0019]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述無氧氣氛為真空氣氛、氮?dú)鈿夥栈蚨栊詺怏w氣氛。
[0020]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述竹炭的比表面積大于1000m2/g。
[0021]本發(fā)明的有益效果如下:
[0022]本發(fā)明的竹炭的制備方法，在對竹材進(jìn)行碳化之前(即進(jìn)行無氧焙燒之前)，首先將竹材進(jìn)行堿化潤脹，在堿化潤脹過程中，堿性溶液滲入到竹材內(nèi)部，穿入竹材纖維素的無定形區(qū)，到達(dá)竹材的結(jié)晶區(qū)外表面，破壞了竹材中水分子與纖維素分子之間、以及纖維素分子與纖維素分子之間的氫鍵結(jié)合，暴露出大量的游離羥基，從而抑制了碳化過程中竹焦油的產(chǎn)生，大大減少了竹焦油的生成量，從而避免了竹焦油對竹炭的孔道的堵塞，有效提高了竹炭的比表面積及吸附能力，進(jìn)而提高了竹炭的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，本發(fā)明的制備方法簡單，僅一步碳化即可得到竹炭產(chǎn)品，簡化了生產(chǎn)工序，提高了竹炭的產(chǎn)量；此外，本發(fā)明的制備方法中，消耗的堿量遠(yuǎn)低于一般活化工藝中堿活化劑的消耗量，可以顯著降低生產(chǎn)成本。
【附圖說明】
[0023]圖1為實(shí)施例1中得到的竹炭透射電鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的【具體實(shí)施方式】僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
[0025]本發(fā)明提供了一種竹炭的制備方法，包括以下步驟:
[0026]SlOO:將竹材在堿性溶液中浸泡8h?24h。
[0027]該步驟為本發(fā)明制備方法中的關(guān)鍵步驟，其目的在于使堿性溶液與竹材中的纖維素發(fā)生反應(yīng)，從而破壞竹材中水分子與纖維素分子之間、以及纖維素分子與纖維素分子之間的氫鍵，避免聚合度較高的纖維素分子在碳化過程中生成大量的竹焦油，減少竹焦油的生成量。該步驟在室溫下即可進(jìn)行，無需加熱過程，簡化了生產(chǎn)工序，節(jié)約了生產(chǎn)成本。
[0028]作為優(yōu)選，在步驟SlOO之前，還包括以下步驟:將竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片。該方式增加了竹材與堿性溶液的接觸面積，能夠使竹材與堿性溶液充分反應(yīng)，提高了反應(yīng)效率。
[0029]其中，堿性溶液是指pH值大于7的呈堿性的溶液(一般為水溶液)。較佳地，作為一種可實(shí)施方式，步驟SlOO中的堿性溶液為堿金屬的氫氧化物溶液。堿金屬的氫氧化物溶液在水中具有較高的溶解度，同時(shí)，堿金屬是一類高效的碳?xì)饣呋瘎?，可以促進(jìn)竹焦油的氣化，提高竹炭的產(chǎn)量。此外，步驟SlOO中的堿性溶液也可以為堿土金屬的氫氧化物溶液或其他堿性溶液(如氨水)中的至少一種。
[0030]優(yōu)選地，步驟SlOO中的堿性溶液為氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液或二者(氫氧化鈉和氫氧化鉀)的混合溶液。氫氧化鈉和氫氧化鉀在水中溶解度較高，且二者制備簡單，安全系數(shù)較高。
[0031]進(jìn)一步地，氫氧化鈉溶液和氫氧化鉀溶液的濃度為100g/L?500g/L。若氫氧化鈉或氫氧化鉀的濃度過高，會(huì)消耗過多的竹材，導(dǎo)致竹炭產(chǎn)率下降；若氫氧化鈉或氫氧化鉀的濃度過低，得到的竹炭含過多的竹焦油，致使比表面積和吸附性能下降。
[0032]優(yōu)選地，堿性溶液的pH值為8?10，在該pH值范圍下，堿性溶液能夠更好地與竹材中的高聚合度的纖維素發(fā)生反應(yīng)，從而更好地抑制碳化過程中竹焦油的生成。
[0033]S200:將所述浸泡后的竹材進(jìn)行干燥處理。
[0034]較佳地，作為一種可實(shí)施方式，可將浸泡后的竹材風(fēng)干，也可以將浸泡后的竹材于50°C?120 °C下進(jìn)行烘干。
[0035]S300:將干燥處理后的竹材在無氧氣氛中于600°C?900°C下焙燒Ih?4h，得到竹炭毛坯。
[0036]該步驟為竹材的碳化步驟，為了防止竹材的有氧燃燒，提高竹炭產(chǎn)量，本步驟在無氧氣氛中進(jìn)行。較佳地，無氧氣氛可以為真空氣氛、氮?dú)鈿夥栈蚨栊詺怏w氣氛。
[0037]S400:將步驟S300中得到的竹炭毛坯清洗、干燥，得到竹炭。
[0038]竹材在經(jīng)過碳化后，會(huì)產(chǎn)生少量雜質(zhì)，因此需要將得到的竹炭毛坯進(jìn)行清洗干燥。由于竹炭中可能存在殘留的堿性分子，為了提高最終產(chǎn)品的質(zhì)量，需要將竹炭清洗至中性，并在80°C?120°C下進(jìn)行干燥。
[0039]在將竹炭毛坯進(jìn)行清洗干燥后，即可得到所需的竹炭。較佳地，本發(fā)明中得到的竹炭的比表面積大于1000m2/g，碘吸附值大于900mg/g。
[0040]本發(fā)明的竹炭的制備方法，在將竹材碳化之前，首先將竹材在堿性溶液中進(jìn)行浸泡。在浸泡過程中，堿性溶液滲入到竹材的內(nèi)部，穿過竹材的纖維素?zé)o定形區(qū)，到達(dá)竹材的結(jié)晶區(qū)外表面，從而破壞了竹材中水分子與纖維素分子之間、以及纖維素分子與纖維素分子之間的氫鍵結(jié)合。一方面，堿性溶液能夠促使竹材中纖維素?zé)o定形區(qū)膨脹，利于堿性溶液的滲透，另一方面，堿性溶液可引發(fā)纖維素結(jié)晶區(qū)的部分溶解，溶解出半纖維素和低聚合度的纖維素，暴露出更多的游離羥基，增加纖維素結(jié)晶區(qū)中的羥基的可及性，提高了竹材的反應(yīng)性。由于竹焦油主要是在碳化過程中由聚合度較高的纖維素生成，而本發(fā)明中通過堿性溶液的浸泡，大大降低了竹材中纖維素的聚合度，從而有效減少了碳化過程中竹焦油的生成量，提高了竹炭的比表面積和吸附能力。
[0041]同時(shí)，本發(fā)明的竹炭的制備方法過程簡單，僅一步碳化即可得到比表面積較高的竹炭產(chǎn)品，簡化了生產(chǎn)工序，提高了竹炭產(chǎn)量；此外，在堿性溶液的浸泡步驟中消耗的堿量遠(yuǎn)低于一般活化工藝中堿性活化劑的消耗量，可以顯著降低生產(chǎn)成本，適合工業(yè)化生產(chǎn)，具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。
[0042]為了更好地理解本發(fā)明，下面通過具體的實(shí)施例對本發(fā)明的竹炭的制備方法進(jìn)一步說明。
[0043]實(shí)施例1
[0044]將竹材在400g/L的氫氧化鉀溶液中浸泡24h。將竹材從氫氧化鉀溶液中瀝出，120°C下烘干。在氮?dú)鈿饬髦?00°C焙燒2h，然后水洗至中性，120°C下烘干，得到竹炭。其中，本實(shí)施例中竹炭的產(chǎn)率為20.1%，比表面積為1310.8m2/g，碘吸附值為1250mg/g。圖1給出了竹炭的透射電鏡照片，可以看到該實(shí)施例得到的竹炭的石墨微晶結(jié)構(gòu)。
[0045]實(shí)施例2
[0046]將竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片，在100g/L的氫氧化鉀溶液中浸泡20h。將竹材從氫氧化鉀溶液中瀝出，自然風(fēng)干。在氬氣氣流中600°C焙燒4h，然后水洗至中性，80°C下烘干，得到竹炭。其中，本實(shí)施例中竹炭的產(chǎn)率為25.4%，比表面積為1100.5m2/g，碘吸附值為1032mg/g。
[0047]實(shí)施例3
[0048]將竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片，在300g/L的氫氧化鉀溶液中浸泡8h。將竹材從氫氧化鉀溶液中瀝出，80°C下烘干。在氮?dú)鈿饬髦?00°C焙燒lh，然后水洗至中性，120°C下烘干，得到竹炭。其中，本實(shí)施例中竹炭的產(chǎn)率為15.2%，比表面積為1421.8m2/g，碘吸附值為1357.6mg/go
[0049]實(shí)施例4
[0050]將竹材在180g/L的氫氧化鈉溶液中浸泡24h。將竹材從氫氧化鈉溶液中瀝出，自然風(fēng)干。在真空氣氛中800°C焙燒2h，然后水洗至中性，100°C下烘干，得到竹炭。其中，本實(shí)施例中竹炭的產(chǎn)率為17.1%，比表面積為1029.lm2/g，碘吸附值為921mg/g。
[0051]實(shí)施例5
[0052]將竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片，在500g/L的氫氧化鈉溶液中浸泡12h。將竹材從氫氧化鈉溶液中瀝出，50°C下烘干。在氮?dú)鈿饬髦?00°C焙燒lh，然后水洗至中性，120°C下烘干，得到竹炭。其中，本實(shí)施例中竹炭的產(chǎn)率為12.1%，比表面積為1211.8m2/g，碘吸附值為1095.2mg/g0
[0053]實(shí)施例6
[0054]將竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片，在400g/L的氫氧化鈉與氫氧化鉀的混合溶液中浸泡12h。將竹材從混合溶液中瀝出，90 °C下烘干。在氮?dú)鈿饬髦?00 0C焙燒3h，然后水洗至中性，110°C下烘干，得到竹炭。其中，本實(shí)施例中竹炭的產(chǎn)率為12.4%，比表面積為1216.8m2/g，碘吸附值為 1075.4mg/g。
[0055]實(shí)施例7
[0056]將竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片，在氫氧化鈣飽和溶液中浸泡24h。將竹材從氫氧化鈣飽和溶液中瀝出，95°C下烘干。在氮?dú)鈿饬髦?50°C焙燒2.5h，然后水洗至中性，60°C下烘干，得到竹炭。其中，本實(shí)施例中竹炭的產(chǎn)率為12.6%，比表面積為1136.4m2/g，碘吸附值為1045.4mg/g0
[0057]實(shí)施例8
[0058]將竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片，在氨水與氫氧化鈉的混合溶液中浸泡8h，其中，該混合溶液的pH值為8。將竹材從混合溶液中瀝出，80°C下烘干。在氮?dú)鈿饬髦杏?50°C下焙燒2h，然后水洗至中性，100°C下烘干，得到竹炭。其中，本實(shí)施例中竹炭的產(chǎn)率為16.2%，比表面積為1381.6m2/g，碘吸附值為1375.4mg/g。
[0059]實(shí)施例9
[0060]將竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片，在氨水與氫氧化鈉的混合溶液中浸泡8h，其中，該混合溶液的pH值為9。將竹材從混合溶液中瀝出，75°C下烘干。在氮?dú)鈿饬髦杏?50°C下焙燒2h，然后水洗至中性，110°C下烘干，得到竹炭。其中，本實(shí)施例中竹炭的產(chǎn)率為
16.4%，比表面積為1380.2m2/g，碘吸附值為1380.2mg/g。
[0061]實(shí)施例10
[0062]將竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片，在氨水與氫氧化鈉的混合溶液中浸泡8h，其中，該混合溶液的pH值為10。將竹材從混合溶液中瀝出，80°C下烘干。在氮?dú)鈿饬髦杏?00°C下焙燒2h，然后水洗至中性，100°C下烘干，得到竹炭。其中，本實(shí)施例中竹炭的產(chǎn)率為
15.8%，比表面積為1411.6m2/g，碘吸附值為1362.4mg/g。
[0063]以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種竹炭的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: SlOO:將竹材在堿性溶液中浸泡8h?24h ； S200:將所述浸泡后的竹材進(jìn)行干燥處理； S300:將所述干燥處理后的竹材在無氧氣氛中于600°C?900°C下焙燒Ih?4h，得到竹炭毛坯； S400:將步驟S300中得到的竹炭毛坯清洗、干燥，得到竹炭。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的竹炭的制備方法，其特征在于，在步驟SlOO之前，還包括以下步驟: 將竹材破碎成厚度小于0.5cm的碎片。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的竹炭的制備方法，其特征在于，所述堿性溶液為堿金屬的氫氧化物溶液。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的竹炭的制備方法，其特征在于，所述堿性溶液為氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液或二者的混合溶液。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的竹炭的制備方法，其特征在于，所述氫氧化鈉溶液或所述氫氧化鉀溶液的濃度為100g/L?500g/L。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的竹炭的制備方法，其特征在于，步驟S200中，所述干燥處理的條件為: 將所述浸泡后的竹材自然風(fēng)干或于50°C?120°C下進(jìn)行烘干。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的竹炭的制備方法，其特征在于，步驟S400中，所述清洗、干燥條件為:將所述竹炭毛坯清洗至中性，并于80°C?120°C下進(jìn)行干燥。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的竹炭的制備方法，其特征在于，所述無氧氣氛為真空氣氛、氮?dú)鈿夥栈蚨栊詺怏w氣氛。9.根據(jù)權(quán)利要求1?8任一項(xiàng)所述的竹炭的制備方法，其特征在于，所述竹炭的比表面積大于1000m2/g。
【文檔編號(hào)】C01B31/12GK105984872SQ201510078201
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月13日
【發(fā)明人】張建, 張業(yè)新, 齊國祿, 伍文林
【申請人】中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所