一種高性能生物質活性炭纖維的制備方法【專利摘要】本發明涉及一種利用絲瓜絡制備高性能生物質活性炭纖維的方法，它包括如下步驟：1）堿處理：將圓柱狀體絲瓜絡在氫氧化鈉水溶液中浸泡脫膠，然后清洗至中性，烘干后得到堿處理過的干絲瓜絡；2）改性：將堿處理過的干絲瓜絡與水溶性酚醛樹脂混合，充分浸漬24-48h，浸漬過后烘干；3）炭活化：先將改性后的絲瓜絡在一定溫度下預氧化2h，然后在惰性保護氣體下，將浸漬后的絲瓜絡進行炭化，得生物質活性炭纖維；4）后處理：將生物質活性炭纖維用稀酸浸泡以除去產物中的灰分，再用水洗滌至中性，烘干即得高性能生物質活性炭纖維。與現有的生物質活性炭纖維的制備方法相比，制備工藝制備成本低，無污染，環保，且產品抗壓強度好，可以用作濾料和電極。【專利說明】一種高性能生物質活性炭纖維的制備方法【
技術領域：
】[0001]本發明涉及一種活性炭的制備方法，特別涉及一種利用農業產品絲瓜絡為原料，用水溶性酚醛樹脂改性來制備高性能生物質活性炭纖維。【
背景技術：
】[0002]絲瓜(Luffacylindria)又名天羅絮、天絡和變瓜等，屬一年生葫蘆科攀援草木。絲瓜分普絲瓜(LuffacylindvicaRoem)和有棱絲瓜(LuffaacutangulaRoxb),原產印度，廣泛分布于亞洲的熱帶、亞熱帶及溫帶地區，絲瓜是夏季主要蔬菜之一，因此在我國江浙滬和廣東、廣西種植極為普遍。一般以嫩瓜作為菜用，做湯味道爽口鮮美。絲瓜絡(VegetableSpongeofLuffa)又名絲瓜網、天羅線、天羅筋等,是絲瓜成熟后的果實中厚厚的皮和多方向的纖維層組成的三維纖維管束，主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，其纖維素含量高達60%以上。目前，絲瓜絡的研究主要集中在其藥用價值和制備日常使用的沐浴、洗漱用品。《本草綱目》記載其能通人脈絡臟腑，而去風解毒，消腫化痰，袪痛殺蟲，治諸血病。在日常使用物品方面，已有多項發明，如絲瓜絡肥皂、絲瓜絡床墊、絲瓜絡清潔刷、絲瓜絡鞋墊等等。[0003]由上可知，目前對絲瓜絡的加工和處理技術都還比較原始，大多利用了其天然維管束結構。[0004]目前生物質活性炭纖維的制備按活化方法主要分為兩大類，物理活化和化學活化。[0005]物理活化大多采用CO2和水蒸氣。首先把生物質材料在惰性氣體保護下制備成為碳基體，然后在高溫下通入CO2或水蒸氣(水蒸氣需要通過其他惰性氣體載氣)，通過CO2和水蒸氣對碳基體的蝕刻作用形成孔隙，從而來制備活性炭材料。物理活化方法可以制備出大比表面積的活性炭，但是物理活化需要達到很高的活化溫度，才能出現明顯的活化效果，溫度必須達到800°c以上，才會制得大比表面積的活性炭。這對其實驗設備要求很高，并且能耗大，由于溫度高，產品的產率很低。[0006]化學法活化是采用化學活化劑浸潰碳材料，利用化學活化劑在高溫下與碳材料反應從而制得活性碳材料的方法。化學活化法一般是碳化過程與活化過程一起進行，在碳化的同時就構筑了孔隙。化學活化劑的制孔機理一般為:活化劑占據物理空間，在高溫下蝕刻碳基體，最后氣化排出。現今主要用作化學活化的活化劑主要有:ZnCl2，KOH，NaOH，H3PO4和K2CO3。化學活化相比物理活化溫度條件要求更低，只需要維持惰性氣氛，一般在900°C以下，便可得到高性能活性炭。而且由于化學活化劑的加入，制備的活性炭表面基團含量更豐富，制備出的活性炭更具功能性。但是化學活化劑的加入有可能使活性炭表面帶有特定基團，有可能對一些特征污染物的處理起到抑制作用，因此也局限了活性炭纖維的應用領域。【
發明內容】[0007]本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術存在的不足而提供一種高性能生物質活性炭纖維的制備方法，該方法具有成本低、吸附性能好、環保的特點，制備出來的產品，能保持原有的形狀，并且有較好的抗壓強度。[0008]本發明為解決上述提出的問題所采用的技術方案為:[0009]一種高性能生物質活性炭纖維制備方法，它包括如下步驟:[0010]I)堿處理:將圓柱狀體絲瓜絡在氫氧化鈉水溶液中浸泡脫膠，然后清洗至中性，烘干后得到堿處理過的干絲瓜絡；[0011]2)改性:將堿處理過的干絲瓜絡與水溶性酚醛樹脂混合，充分浸潰24_48h，浸潰過后烘干；[0012]3)炭化活化:先將改性后的絲瓜絡在一定溫度下預氧化2h，然后在惰性保護氣體下，將浸潰后的絲瓜絡進行炭化活化，得生物質活性炭纖維；[0013]4)后處理:將生物質活性炭纖維用稀酸浸泡以除去產物中的灰分，再用水洗滌至中性，烘干即得高性能生物質活性炭纖維。[0014]按上述方案，所述絲瓜絡的制備工藝是:將正常生長成熟后的植物絲瓜果實，經過自然風干或烘干后，切割成5?IOcm長的圓柱狀體，除去表皮以及孔隙內部的絲瓜種子，得到圓柱狀體絲瓜絡；[0015]按上述方案，所述氫氧化鈉水溶液的質量分數為2%?5%。[0016]按上述方案，步驟2)中所述水溶性酚醛樹脂固含量在35%?37%之間。[0017]按上述方案，步驟3)中所述預氧化的溫度160_200°C[0018]按上述方案，步驟3)中所述炭化的溫度600_850°C。[0019]按上述方案，步驟4)中所述的稀酸是鹽酸、硫酸、醋酸、硝酸等常用酸的水溶液，濃度為0.5?1.5mol/L。[0020]按上述方案，步驟2)、步驟3)和步驟4)中所述烘干的溫度為100?105°C，時間為10?20h。[0021]針對現在利用生物質為原料制備的高性能生物質活性炭纖維，制備出來的產品多數都是粉末狀。本發明所述的生物質活性炭纖維是一種以絲瓜絡為主要原料，水溶性酚醛樹脂改性，再進行炭化、活化、后處理而成的一種圓柱體形的活性炭，制備出來的產品，很好的保持了原有的形態，具有一定的抗壓強度，而且在整個生產過程中，不產生任何有毒有害的物質。[0022]本發明的原理是:酚醛樹脂在與脫膠后絲瓜絡進行混合時，絲瓜絡中的大量孔隙被酚醛樹脂所填充，從而使絲瓜絡的孔隙減少，密度增加，也就意味著強度一定程度上增強。絲瓜絡經水溶性酚醛樹脂改性后，隨著炭化溫度的升高，酚醛樹脂生成玻璃炭與絲瓜絡生成的軟質無定形炭在高溫下會生長在一起，界面逐漸消失，兩種炭之間的結合強度增加，使生物質活性炭纖維抗壓強度增加；并且玻璃炭的力學性能要優于無定形炭，玻璃炭越多，抗壓強度就越高。[0023]與現有技術相比，本發明的有益效果是:[0024]以農作物的產品絲瓜成熟果實為原料制備生物質活性炭纖維，開拓了天然植物活性炭纖維制備原料的種類和制備途徑，與現有生物質活性炭纖維的制備途徑相比，制備工藝簡單明了，耗時短，耗能少，制備成本低，吸附性能好，回收和再生簡單方便，具有一定的抗壓強度，可以作為濾料和電極使用。[0025]在我國絲瓜的栽種數量龐大，因此利用絲瓜絡為原料來開發制備生物質活性炭纖維，與現有的其他原料與技術相比，具備成本低(經濟)、便利和環保(清潔)的特點，對于提高我國生物質活性炭纖維制備的手段、途徑和創新性都具有重大的意義。【專利附圖】【附圖說明】[0026]圖1是本發明的工藝流程圖。[0027]圖2是本發明實施例1制備的產品碘吸附值等溫線。[0028]圖3是對比例制備的產品碘吸附值等溫線。[0029]圖4是本發明實施例1制備的產品高性能生物質活性炭纖維的照片。[0030]圖5是對比例制備的產品照片。【具體實施方式】[0031]為了更好地理解本發明，以下結合具體實施例進一步描述本發明的內容，但本發明的內容不僅僅局限于下面的實施例。[0032]下述實施例中采用正常生長成熟后的植物絲瓜果實，經過自然風干或烘干后，切割成5?IOcm長的圓柱狀體，除去表皮以及孔隙內部的絲瓜種子，得到圓柱狀體絲瓜絡[內部交織呈網狀的植物纖維維管束柱體(質地堅韌)]。[0033]實施例1:[0034]一種高性能生物質活性炭纖維的制備方法，它包括如下步驟:[0035]I)預處理:將圓柱狀體絲瓜絡在2%氫氧化鈉水溶液中浸泡24h(去除表面蠟質、灰分和其他小分子)，然后將溶液濾掉，將絲瓜絡反復清洗至中性，最后將絲瓜絡放入烘箱在105°C烘干12h，得到圓柱狀體堿處理過的干絲瓜絡；[0036]2)改性:從烘箱中取出以上堿處理過的干絲瓜絡，放入燒杯中，往燒杯中加入固含量為35%的水溶性酚醛樹脂，充分浸沒，浸潰24h以上，浸潰過后的絲瓜絡放入烘箱在105°C烘干12h；[0037]3)炭活化:將浸潰后的絲瓜絡放入高溫電阻爐里面，在200°C下預氧化2h，然后放入高溫電阻爐里面進行炭化活化，往高溫電阻爐中通保護氣體N2,N2的速率控制在0.61/min，活化溫度為850°C，得生物質活性炭纖維；[0038]4)后處理:將所得生物質活性炭纖維用IM鹽酸溶液浸泡lh，以除去產物中的灰分，再用熱的去離子水將產物反復洗滌至中性，放入烘箱在105°C烘干12h，即得生物質活性炭纖維(最終產品，密封保存于干燥器，備用)。[0039]為了更好的表明此生物質活性炭纖維的性能和效果，對它進行碘吸附值測定與抗壓強度測定。[0040]碘吸附值的測定方法采用國標《GB/T7702.7-2008煤質顆粒活性炭實驗方法碘吸附值的測定》來測定。根據吸附等溫線，見圖2，取剩余濃度c=0.02mol/L時的E值為碘吸附值，計算得E=341.084mg/g。抗壓強度測試采用液壓萬能試驗機測試樣品破碎時的壓力，抗壓強度P=198Mpa。[0041]對比例:[0042]與實施例1的不同之處在于:用質量濃度為30%的(NH4)2HPO4代替固含量為35%的水溶性酚醛樹脂。[0043]碘吸附值的測定方法采用國標《GB/T7702.7-2008煤質顆粒活性炭實驗方法碘吸附值的測定》來測定。根據吸附等溫線，見圖3，得出E值。E=471mg/g。[0044]將實施例1與對比例相比較可知，從碘吸附值上看，兩者的吸附性能相差不大，都具有良好的吸附性能，但是對比例中制備出來的產品是粉末狀的，實施例1中制備出來的產品能很好的維持原有的形態，也就使得產品的回收和再生簡單方便，具有了一定的抗壓強度，可以作為濾料和電極使用。也就是說，本發明制備得到的高性能生物質活性炭纖維產品由于能夠維持絲瓜絡的這種原材料的原始形態，具有了抗壓強度好、使用回收方便、用途更廣泛等一系列優點。[0045]實施例2:[0046]—種高性能生物質活性炭纖維的制備方法，它包括如下步驟:[0047]I)預處理:將圓柱狀體絲瓜絡在2%氫氧化鈉水溶液中浸泡24h(去除表面蠟質、灰分和其他小分子)，然后將溶液濾掉，將絲瓜絡反復清洗至中性，最后將絲瓜絡放入烘箱在105°C烘干12h，得到圓柱狀體堿處理過的干絲瓜絡；[0048]2)改性:從烘箱中取出以上堿處理過的干絲瓜絡，放入燒杯中，往燒杯中加入固含量為35%的水溶性酚醛樹脂，充分浸沒，浸潰24h以上，浸潰過后的絲瓜絡放入烘箱在105°C烘干12h；[0049]3)炭活化:將浸潰后的絲瓜絡放入高溫電阻爐里面，在200°C下預氧化2h，然后放入高溫電阻爐里面進行炭化活化，往高溫電阻爐中通保護氣體N2,N2的速率控制在0.61/min，活化溫度為800°C，得生物質活性炭纖維；[0050]4)后處理:將所得生物質活性炭纖維產物用IM鹽酸溶液浸泡lh，以除去產物中的灰分，再用熱的去離子水將產物反復洗滌至中性，放入烘箱在105°C烘干12h，即得生物質活性炭纖維。[0051]為了更好的表明此生物質活性炭纖維的性能和效果，對它進行碘吸附值測定與抗壓強度測定。[0052]碘吸附值的測定方法采用國標《GB/T7702.7-2008煤質顆粒活性炭實驗方法碘吸附值的測定》來測定。根據吸附等溫線，取剩余濃度c=0.02mol/L時的E值為碘吸附值，E=301.23mg/g。抗壓強度測試采用液壓萬能試驗機測試樣品破碎時的壓力，得出抗壓強度，P=165Mpa。[0053]實施例3:[0054]一種高性能生物質活性炭纖維的制備方法，它包括如下步驟:[0055]I)預處理:將圓柱狀體絲瓜絡在2%氫氧化鈉水溶液中浸泡24h(去除表面蠟質、灰分和其他小分子)，然后將溶液濾掉，將絲瓜絡反復清洗至中性，最后將絲瓜絡放入烘箱在105°C烘干12h，得到圓柱狀體堿處理過的干絲瓜絡；[0056]2)浸潰:從烘箱中取出以上堿處理過的干絲瓜絡，放入燒杯中，往燒杯中加入固含量為35%的水溶性酚醛樹脂，充分浸沒，浸潰24h以上，浸潰過后的絲瓜絡放入烘箱在105°C烘干12h；[0057]3)炭活化:將浸潰后的絲瓜絡放入高溫電阻爐里面，在200°C下預氧化2h，然后放入高溫電阻爐里面進行炭化活化，往高溫電阻爐中通保護氣體N2,N2的速率控制在0.61/min，活化溫度為750°C，得生物質活性炭纖維；[0058]4)后處理:將所得生物質活性炭纖維產物用IM鹽酸溶液浸泡lh，以除去產物中的灰分，再用熱的去離子水將產物反復洗滌至中性，放入烘箱在105°C烘干12h，即得生物質活性炭纖維。[0059]實施例4:[0060]與實例I基本相同，不同之處在于水溶性酚醛樹脂的固含量為35%，活性炭的活化溫度為700°C。[0061]實施例5:[0062]與實例2基本相同，不同之處在于活性炭的活化溫度為650°C。[0063]實施例6:[0064]與實例2基本相同，不同之處在于活性炭的活化溫度為600°C。【權利要求】1.一種高性能生物質活性炭纖維制備方法，其特征在于它包括如下步驟:1)堿處理:將圓柱狀體絲瓜絡在氫氧化鈉水溶液中浸泡脫膠，然后清洗至中性，烘干后得到堿處理過的干絲瓜絡；2)改性:將堿處理過的干絲瓜絡與水溶性酚醛樹脂混合，充分浸潰24-48h，浸潰過后烘干；3)炭活化:先將改性后的絲瓜絡在預氧化2h，然后在惰性保護氣體下，將浸潰后的絲瓜絡進行炭化，得生物質活性炭纖維；4)后處理:將生物質活性炭纖維用稀酸浸泡以除去產物中的灰分，再用水洗滌至中性，烘干即得高性能生物質活性炭纖維。2.根據權利要求1所述的一種高性能生物質活性炭纖維制備方法，其特征在于所述絲瓜絡的制備工藝是:將正常生長成熟后的植物絲瓜果實，經過自然風干或烘干后，切割成5?IOcm長的圓柱狀體，除去表皮以及孔隙內部的絲瓜種子，得到圓柱狀體絲瓜絡。3.根據權利要求1所述的一種高性能生物質活性炭纖維制備方法，其特征在于步驟I)中所述氫氧化鈉水溶液的質量分數為2%?5%。4.根據權利要求1所述的一種高性能生物質活性炭纖維制備方法，其特征在于步驟2)中所述水溶性酚醛樹脂固含量在35%?37%之間。5.根據權利要求1所述的一種高性能生物質活性炭纖維制備方法，其特征在于步驟3)中所述預氧化的溫度160-200°C。6.根據權利要求1所述的一種高性能生物質活性炭纖維制備方法，其特征在于步驟3)中所述炭化的溫度600-850°C。7.根據權利要求1所述的一種高性能生物質活性炭纖維制備方法，其特征在于步驟4)中所述的稀酸是鹽酸、硫酸、醋酸、硝酸中的一種或任意幾種的水溶液。8.根據權利要求1所述的一種高性能生物質活性炭纖維制備方法，其特征在于步驟4)中所述稀酸的濃度為0.5?1.5mol/L。9.根據權利要求1所述的一種高性能生物質活性炭纖維制備方法，其特征在于步驟2)、步驟3)和步驟4)中所述烘干的溫度為100?105°C。【文檔編號】C01B31/08GK103920460SQ201410143977【公開日】2014年7月16日申請日期:2014年4月11日優先權日:2014年4月11日【發明者】夏世斌,謝雨申請人:武漢理工大學