[发明专利]一种利用稻壳制备高分散性纳米白炭黑的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用稻壳制备高分散性纳米白炭黑的方法，属于纳米白炭黑制备技术领域。

背景技术

生物质能是一种理想的清洁可再生能源，具有二氧化碳零排放、绿色环保等特点，开发和利用生物质能源对减缓温室效应，减少大气污染，缓解能源压力具有重要意义。稻壳这一农业废弃物的高值化利用不仅可以解决大量农业废弃物的污染问题，还可以为社会创造更多的财富，有助于缓解环境问题和能源危机。稻壳由于富含天然无定型结构SiO₂，是制备目前应用最广泛和工业化产量最大的无机纳米材料、纳米白炭黑的理想材料。

稻壳是自然界所有生物物种中SiO₂含量最大的，这些SiO₂主要以无定型态存在于稻壳或稻壳灰中，可以在较为温和的条件下从稻壳或稻壳灰中分离出来，是一种理想的硅源，而且制备硅基材料时能耗低、成本小，可以制备出各种SiO₂类产品，例如白炭黑、纳米白炭黑、气凝胶、硅胶等。稻壳由于富含无定型状态的Si02，是制备白炭黑、沸石、分子筛等硅质化工品的理想材料，其中的金属化合物和碳质成分的含量则是制约这些硅质化工品性能的主要因素。以稻壳基白炭黑为例，稻壳中金属杂质和碳质成分的含量直接影响着白炭黑产品的纯度及其使用性能。因此，对稻壳进行适当的前处理，以提高稻壳活性，降低稻壳中金属杂质或者碳质成分的含量对稻壳中硅质成分的利用有着非常重要的作用。目前关瓜稻壳中纳米白炭黑的提取仍处在初始研究阶段，已有的技术或者产品性能单一，杂质含量高，或者反应条件苛刻，难于控制，能量消耗大，或者粒径较大，分散性很差，故而限制了该制备技术的大规模应用。

由于纳米白炭黑有极大地比表面积和表面能，在制备过程中由于粒子间普遍存在的范德华力、库仑力甚至是化学键作用，极易发生团聚，使得粉体粒子不能以纳米粒级均匀而稳定分散，导致应用时应有的性能降低或者失去。传统稻壳基白炭黑及纳米白炭黑的制备方法存在着产品性能单一、产品纯度低、粒径粗大、易于团聚等问题，尤其是产品粒子的团聚与分散问题是目前纳米白炭黑应用研究中的难点和热点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对目前传统稻壳基纳米白炭黑，性能单一、纯度低、粒径粗大、易团聚的弊端，提供了一种将稻壳用温水浸渍，再经酸洗后研磨成粉，将得到的稻壳粉和微生物混合发酵，经高温热解制得纳米白炭黑的方法。本发明通过水浸、酸洗去除稻壳中的金属杂质、灰分等，提高纳米白炭黑纯度，经研磨后和微生物反应进一步去除其中的有机成分，并利用微生物发酵多糖在白炭黑表面形成一层保护膜，减少其表面羟基间的作用力，使其不会相互团聚变大，最后经高温热解去除残余杂质，最终得到纳米白炭黑，解决了传统稻壳基纳米白炭黑纯度低、粒径粗大、易团聚的问题，具有极佳的分散性。

为解决上述技术问题，本发明所采用技术方案是：

（1）称取1～2kg稻壳装入铁锅中，向铁锅中加入去离子水直至将稻壳完全浸没，对铁锅加热升温至30～40℃，保温浸泡过夜，待稻壳浸泡完成后，过滤分离去除滤液，得滤渣，将其移入刚玉研钵中研磨15～20min后过60目标准筛，得到稻壳粉末；

（2）按固液为1:10，将上述所得稻壳粉末加入质量浓度为20%柠檬酸溶液中，连接回流装置后，加热升温至120～130℃，保温酸洗回流3～5h后，倒入布氏漏斗，用蒸馏水抽滤洗涤直至洗涤液呈中性，收集滤渣放入烘箱，在105～110℃下干燥2～3h，得提纯稻壳粉，备用；

（3）称取15～18g蛋白胨、3～5g牛肉膏、4～6g氯化钠、5～7g麦芽浸膏加入1000～1200mL去离子水中，用玻璃棒搅拌5～10min后，得液体培养基，按接种量为20%向培养基中接入深红红螺菌，随后转入透明玻璃罐中并密封罐口，再将玻璃罐放置在25～35℃恒温摇床上振荡培养3～5天，得菌悬液；

（4）按固液比1:2，将备用的提纯稻壳粉加入到上述装有菌悬液的透明玻璃罐中，用保鲜膜将罐口密封后，将玻璃罐每天放置在日光下照射5～7h，自然发酵处理1～2周；

（5）发酵结束后将发酵产物放入卧式离心机中，以4000～5000r/min转速离心分离10～15min，得下层沉淀，将下层沉淀放入半圆柱状坩埚中，并将坩埚转入管式电阻炉的炉膛中，以3～5mL/min流速向炉中通入氮气作为热解气，再以5℃/min速率程序升温至500～600℃，保温热解50～70min；