[发明专利]改性生物炭及其在吸附VOCs中的应用

说明书

本发明公开了一种改性生物炭及其在吸附VOCs中的应用，属于环保污染处理技术领域。本发明提供了一种高得率、高比表面积、高孔隙率，且对VOCs有高吸附量的改性生物炭：将炭前驱体与含氮磷酸盐混合，进行预氧化；预氧化结束后，进行炭化反应，然后经酸洗涤即得。本发明采用空气或氧气预氧化、选用廉价易得的废弃生物质作为炭前驱体、使用安全无腐蚀性的含氮磷酸盐作为原位活化掺氮剂，同时对预氧化条件进行优化，大大增加生物炭的得率，并有效提高其比表面积、孔隙率和掺氮量，该生物炭对甲苯等VOCs的吸附容量大大提升，最大饱和吸附量可达438mg/g，且具有良好的抗冲击负荷能力，具有优异的应用价值。

技术领域

本发明属于环保污染处理技术领域，具体涉及一种利用空气预氧化制得的改性生物炭及其在吸附VOCs中的应用。

背景技术

从石油化工、污水处理设施到涂料家具行业，挥发性有机化合物(VOCs)的排放来源十分广泛。VOCs不仅对生态环境和人体健康都构成了巨大威胁，还是二次有机气溶胶和对流层臭氧的重要前体物，是我国严重灰霾天气和臭氧污染形成的重要因素。针对VOCs处理的众多技术如催化燃烧、生物过滤、吸附、等离子体等，吸附法以其去除效率高、投资成本低、易再生等优点被认为是最有前途的VOCs控制方法。在吸附剂方面，一些经济可行、环境友好的农业或工业源植物基生物质废弃物，如稻壳、秸秆、木屑、酒糟等，有很大的潜力成为合成各种功能性炭基吸附剂的原料前驱体。例如，玉米酒糟中含有220g/kg淀粉和117g/kg纤维，有望成为制备吸附能力强的生物炭前驱体。

然而，利用酒糟等废弃生物质在惰性氛围下热解制备的炭材料往往存在比表面积低下、孔隙率差等问题，如Cao等人(Environmental Science&Technology 2016,50(23),12957-12965.)将稻秆、猪粪和污泥在氮气氛围下升温至500℃制备出的生物炭比表面积仅为41.5、10.1和4.83m²/g，由于生物炭的比表面积和污染物吸附量往往呈正相关关系，这些生物炭的吸附量较低，都无法推广应用。因此，生物炭的制备中需要使用活化剂来提升其比表面积和孔隙率，常见的活化剂如氢氧化钾、氯化锌等能够有效提升生物炭的比表面积和孔隙率，但是很容易造成安全问题和二次污染问题，且制备的生物炭得率很低，不能高值资源化。磷酸盐类活化剂能够增加生物炭的得率，Zhou等人(RSCAdvances 2018,8(53),30171-30179.)利用磷酸铵等作为活化剂与酒糟共同炭化，能够将得率从约20％提升到45％以上，比表面积达到480.7m²/g，总孔容达到0.291cm³/g，对甲苯的饱和吸附量达到296.4mg/g，但其炭转化率和孔隙率依然较低，不能满足工业应用的要求。

预氧化作为一种炭化前预处理方法，在炭纤维、煤基活性炭中应用较多，被证明能够有效地提升炭化后材料的比表面积、孔隙率。CN1935642A公开了一种石油焦预氧化处理炭分子筛的方法，利用氧化剂对石油焦粉进行浸渍处理后能够有利于后续炭化和活化过程中孔隙结构的形成和发展，但其氧化剂为H₂O₂、HNO₃以及H₂SO₄等强氧化剂的混合物，操作过程中不仅有安全风险，还有可能造成设备的腐蚀，最后得到的活性炭比表面积最高也只能达到82m²/g。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种高得率、高比表面积、高孔隙率，且对VOCs有高吸附量的改性生物炭。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是提供了一种改性生物炭，其由以下方法制备得到：

A、将生物质原料干燥后，粉碎、过筛，得炭前驱体；

B、将炭前驱体与含氮磷酸盐混合均匀，惰性气体保护下，升温至预氧化温度，然后通入氧化性气体，进行预氧化；

C、预氧化结束后，惰性气体保护下，升温至炭化温度进行炭化，炭化结束后，得炭化物；