[发明专利]一种吸附丁醇的碳材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物质类吸附剂及其制备方法与在化工、能源领域中的应用，具体涉及一种吸附丁醇的碳材料及其制备方法与应用。

背景技术

丁醇是一种重要的化工业原料，广泛应用于化工、食品、医药各个领域。丁醇可用于制造邻苯二甲酸、脂肪族二元酸及磷酸的正丁酯类增塑剂，因而广泛用于塑料和各种橡胶制品的生产。且丁醇具有亲水性弱，腐蚀性小，高辛烷值和热值，可以与汽油按一定比例混合等优势，是一种极具潜力的生物燃料。

生物丁醇的生产主要采用微生物发酵法，经过复杂的生物化学变化生成丙酮、乙醇、丁醇等产物，该发酵过程也称为ABE发酵。由于丁醇对菌体的毒性作用，整个发酵过程会发生严重的产物抑制，从而导致产物浓度较低。采用吸附法可有效地将产物丁醇及时从发酵液中移除出，从而提高发酵产率，降低工业成本。采用吸附法吸附分离丁醇，主要存在一些问题，一方面，一些吸附介质的吸附容量较低，另一方面，一些吸附介质吸附选择性差、吸附速率慢。DIJK(WO 2008/095896A1)等采取一种超高交联度的微孔树脂分离分离生物丁醇，但该树脂对丙酮、乙醇同时具有一定的吸附能力，增加了后期分离的成本。Arjan Oudshoorn等(Biochemical Engineering Journal,2009,48:99-103)用沸石吸附分离生物丁醇，考察了CBV811、CBV910、CBV28014三种沸石对丁醇的吸附性能，但是，存在沸石对于生物丁醇的吸附容量不高，且沸石对于生物丁醇的吸附选择性较差等问题，造成后期分离费用的增加。因此，急需寻找一种吸附剂，提高对生物丁醇的吸附量，和对生物丁醇的吸附选择性。

发明内容

本发明针对树脂对丁醇吸附容量小、吸附速率慢、吸附选择性差的问题，提供了一种吸附丁醇的新型碳材料，该碳材料对丁醇具有吸附容量大、吸附速率快、吸附选择性好的特点，且原料可再生、污染小、价格低廉。

本发明还要解决的技术问题是提供上述吸附丁醇的碳材料的制备方法。

本发明最后要解决的技术问题是提供上述吸附丁醇的碳材料的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种吸附丁醇的碳材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)以生物质为原料，经机械粉碎后，与过氧化氢、去离子水超声混匀，加入到反应釜中进行不完全水热反应，再自然冷却至室温；

(2)将步骤(1)所得产物采用去离子水反复抽滤清洗至洗涤液无色且洗涤液pH值为6，再烘干得到碳微球材料；

(3)将步骤(2)中得到的碳微球材料与氯化锌水溶液混合均匀后，静置，烘干，放入管式炉，通入氮气，在氮气保护下，以5-20℃/min的升温速率升温到600-760℃，再在该温度条件下热处理1-4h，自然冷却至室温；

(4)将步骤(3)得到的固体，用盐酸浸泡，搅拌0.5-2h(优选0.5h)，用40-80℃的去离子水反复抽滤洗涤至洗涤液pH值为6，干燥，即得。

步骤(1)中，所述的生物质为农作物秸秆、玉米芯、稻草、树叶、树皮、木屑和藻类中的任意一种或几种的组合。

步骤(1)中，所述生物质与过氧化氢、去离子水的质量比为1:0.01-0.1:10，优选1:0.01:10。

步骤(1)中，水热反应的温度为180-220℃(优选200-220℃)，反应时间16-24h。

步骤(2)中，所述的烘干条件为：相对真空度低于-0.09mbar，温度90-110℃(优选110℃)，干燥时间为10-16h。

步骤(3)中，所述的氯化锌水溶液中氯化锌浓度为20-100g/L；碳微球材料与氯化锌的质量比为1-2:1-3，优选1:2。

步骤(3)中，静置时间为2-6h，优选4h；烘干温度为90-120℃(优选110℃)，烘干时间为10-14h。

步骤(3)中，优选以5-10℃/min的升温速率升温到700-750℃，再在该温度条件下热处理2h。

步骤(4)中，所述盐酸浓度为0.1-0.5mol/l。

步骤(4)中，干燥条件为80-120℃(优选110℃)恒温干燥10-12h(优选12h)。

上述制备方法制备得到的碳材料也在本发明的保护范围之内。

上述碳材料在吸附丁醇中的应用也在本发明的保护范围之内。其中，所述的吸附丁醇是指从ABE发酵液中吸附丁醇。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有有下列优点：

一、原料来源于大自然中广泛存在的木质纤维素，污染小、价格低廉、可再生；