[发明专利]一种高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料及其制备方法。以废弃咖啡渣为原料，与溶剂、助挤剂、粘结剂和结构增强剂混合，通过混捏、挤条成型制备出条状咖啡渣成型体，再经过干燥、炭化及活化制备出高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭，其机械强度高达360N/cm，多孔炭材料的比表面积为500‑1300m²g^‑1，本发明通过对成型工艺及活化条件进行调节可以制备出具有不同比表面积和孔隙结构的微孔‑介孔‑大孔多级孔成型炭，在吸附分离、催化剂载体、电极材料等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于多孔炭材料技术领域，具体涉及一种高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料及其制备方法。

背景技术

多孔炭材料具有比表面积大、孔隙结构发达，且其孔径和表面化学性质可以调变，耐酸碱腐蚀、热稳定性和化学稳定性好、不溶于水和有机溶剂、易再生等优点，被广泛应用于气相吸附、液相吸附、催化剂、医药等领域，在工业生产和人民生活中发挥着重要作用。目前，多孔炭材料商业化生产的主要挑战之一是寻求价格低廉的炭前驱体，而核桃壳、稻壳、咖啡渣、椰壳等生物质废弃物凭借来源丰富、价格低廉及可再生等优点成为生产多孔炭材料的合适前驱体。咖啡作为世界三大饮品(咖啡、可可、茶)之一，是世界上仅次于石油及其衍生品的第二大最有价值的商品。截至2017年，全世界的咖啡消费量达到了910万吨[International Coffee Organization,2018,Coffee Market Report]，同时在世界范围内每年产生约600万吨咖啡渣废弃物。咖啡渣含有半纤维素、纤维素及木质素等有机组分，被视为新生代极具潜力的可持续发展生物质资源，因此对咖啡渣的资源化利用成研究为热点。

目前，以咖啡渣为原料制备炭材料受到越来越多的关注。中国专利CN 109970058A公开了一种咖啡渣基质活性炭的制备方法，该方法以80～100目的咖啡渣为原料，以磷酸为活化剂，利用高温热解自活化法制备而成，其比表面积大，吸附能力强，可以用于处理吸附含Cr(Ⅵ)废水，防治重金属污染；中国专利CN 105217629 A公开了一种用咖啡渣制备活性炭的方法，该方法首先借助真空热解法脱去咖啡中的油脂并得到咖啡渣炭前驱体，再用磷酸来活化咖啡渣炭前躯体制备咖啡渣活性炭；中国专利CN 105984871 A公开了一种咖啡渣制取改性活性炭的方法，该方法先用氢氧化钠溶液浸泡咖啡渣原料，然后经过高温炭化、喷洒氯化钾溶液高温活化及水蒸气活化后，再喷入硫酸铁溶液活化处理，然后加入硅烷偶联剂研磨粉碎，再加入高铁酸钾、硅藻土、MnO₂充分研磨混合，在焙烧，冷却，得到最终产品，制备过程较为繁琐。这些方法得到的产品都是粉末状。

中国专利CN 110124614 A公开了一种用于处理工业纺织废水的咖啡渣吸附剂的制备方法，该方法以咖啡渣、咖啡果皮及硅藻土为原料，经过洗滤干燥(一次炭化)、热解炭化(低温炭化)、洗涤沉淀、活化洗酸(三次炭化)得到咖啡渣炭半成品，最后加入生物胶泡沫进行塑形制成块状或颗粒状的吸附剂，制备过程较为繁琐，样品机械强度较低。

在上述方法中虽然将废弃咖啡渣回收利用为多孔炭材料，但在实际应用中往往存在粉尘污染、样品堆积密度低、机械强度低及气相反应床层压降大、制备工艺繁琐等缺陷。相比较下，整体式成型多孔炭具有一定的形状和尺寸，易于调变和加工；具有较高的体积密度和机械强度，无粉尘污染；单位体积的比表面积大，能量密度高及气体扩散传质阻力小、压降小等优点。因此，如何高效的制备出具有高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于针对现有多孔炭制备存在机械强度低、使用过程床层压降大、易粉化等不足，提供一种高机械强度的咖啡渣基成型多孔炭材料及其制备方法。该多孔炭材料具有规则的外观形状、适宜的比表面积、微孔-介孔-大孔多级孔结构及高的机械强度；同时该制备方法工艺简单，可实现规模化生产，具有良好的工业应用前景。

本发明的技术方案如下：