一种高性能捕集CO2的生物炭及其制备方法与应用

本申请属于温室气体治理和材料，更具体地说，涉及一种高性能捕集co2的生物炭及其制备方法与应用。

背景技术：

1、全球气候变化，尤其是气温升高，已经对人类生活产生了巨大的不利影响，例如严重干旱、极端暴雨天气、冰川融化和海平面上升等，威胁着地球生命的延续。温室气体的大量排放是全球气温升高的主导原因，控制其排放量是减缓气温升高的关键与前提。co2是温室气体中的重点研究对象，农业、工业等生产过程中释放量巨大。co2的捕集是近些年新兴的碳封存技术之一，具有操作简单、便捷、成本较低、效率较高等优点。

2、近些年来，有研究表明生物炭可用于co2的高效捕集。生物炭是无氧热裂解农林牧生物质废弃物的黑炭产物，因具有消减固体生物质废弃物、优异的表面/孔结构性能，成为农林业环境领域的研究热点与重点。cao等使用油菜秸秆、大豆秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、核桃壳、山核桃木和松木制备了多种生物炭，均具有良好的co2捕集能力，可达46mg/g(caoet al.,2022,separation and purification technology,straw and wood basedbiochar for co2 capture:adsorption performance and governing mechanisms)。liu等使用污泥制备生物炭，其co2的捕集能力可达28mg/g，优化污泥生物炭的制备工艺后，其co2的捕集能力可达49mg/g(liu et al.,2022,journal of environmental chemicalengineering,co2 capture performance of biochar prepared from sewage sludgeafter conditioning with different dewatering agents)。

3、生物炭具有较高的可塑造性，其孔隙结构等性质可通过优化制备工艺实现改良与提升，并强化其捕集co2的能力。然而，针对co2捕集效率提升的生物炭及制备工艺尚较为缺乏，亟待开发与应用。

技术实现思路

1、1.发明目的

2、本申请的目的在于提供一种高性能捕集co2的生物炭，该生物质炭具有丰富的微孔，尤其是孔径小于0.8nm和0.5nm的小微孔数量多，微孔的比表面积和孔容比均大于常规的生物炭，该生物质炭的co2的捕集能力得到了大幅度提升。

3、本申请的另一目的在于提供一种高性能捕集co2的生物炭的制备方法，采用钾盐协助的双催化、双炭化工艺，制备满足要求的用于捕集co2的生物炭，提高了生物炭捕集co2能力。

4、2.技术方案

5、为了解决上述问题，本申请所采用的技术方案如下：

6、本申请提供了一种高性能捕集co2的生物炭，该生物质炭的微孔孔容占总孔容的比例可达76％，微孔比表面积占总比表面积的比例可达79％。

7、进一步地，上述一种高性能捕集co2的生物炭，其中孔径小于0.8nm的微孔孔容占总微孔孔容的比例可达67％。

8、进一步地，上述一种高性能捕集co2的生物炭，其中孔径小于0.5nm的微孔孔容占总微孔孔容的比例可达19％。

9、本申请还提供了一种上述高性能捕集co2的生物炭的制备方法，该方法采用钾盐协助水热炭化和钾盐协助无氧热裂解的双催化、双炭化工艺，在低温水热催化炭化过程中，钾盐可分离农林生物质木质素、纤维素和半纤维素等，刻蚀孔隙，加速生物质的水解与再缩合；同时，盐离子均匀的分布在纤维素的表面与缝隙中，有助于高温无氧热裂解过程中微孔的形成与广泛分布，具体包括如下步骤：

10、s1：协助水热炭化：将农林生物质废弃物清洗干净，粉碎机破碎至80～100目，与钾盐混合后添加去离子水，置于水热反应釜中，低温炭化，冷却后取出，烘干得到炭基产品；

11、s2：钾盐协助无氧热裂解：将s1中的炭基产品置于刚玉坩埚中，置于入管式马弗炉中，低速升温，高温炭化，全程氮气保护，随后低速降温至室温后取出，研磨、酸洗、水洗和烘干，得到高性能捕集co2的生物炭。

12、进一步地，上述钾盐包括甲酸钾、乙酸钾中的一种或多种。

13、进一步地，上述农林生物质废弃物包括竹子、木屑、秸秆中的一种或多种。

14、进一步地，上述s1中，钾盐与农林生物质废弃物的质量比为(0.5～2):1。

15、进一步地，上述s1中，农林生物质废弃物与去离子水的添加比例为300～500g/l。

16、进一步地，上述s1中，低温炭化的温度为180～200℃，炭化时间为2～4h。

17、进一步地，上述s2中，低速升温的升温速率为1～2℃/min。

18、进一步地，上述s2中，高温炭化的温度为700～900℃，炭化时间为1～4h。

19、进一步地，上述s2中，低速降温的降温速率为2～5℃/min。

20、进一步地，上述s2中，氮气流量为50～200ml/min。

21、本申请还提供了一种通过上述制备方法制备的高性能捕集co2的生物炭。

22、本申请还提供了上述一种高性能捕集co2的生物炭和/或其制备方法在碳减排中的应用。

23、进一步地，上述在碳减排中的应用包括将一种高性能捕集co2的生物炭用于捕集co2。

24、3.有益效果

25、本申请与现有技术相比，其有益效果在于：

26、(1)本申请提供的一种高性能捕集co2的生物炭及其制备方法与应用，与现有技术相比，采用钾盐协助水热炭化和钾盐协助无氧热裂解的甲酸盐双催化、双炭化工艺，在钾盐协助水热炭化过程中，低温水热催化、炭化，钾盐可分离生物质木质素、纤维素、半纤维素，刻蚀孔隙，加速生物质的水解与再缩合。同时，钾离子均匀的分布在纤维素表面与缝隙中，有助于高温无氧热裂解过程中微孔的形成与广泛分布。

27、(2)本申请提供的一种高性能捕集co2的生物炭及其制备方法与应用，与现有技术相比，可制备出微孔丰富(微孔比表面积达923m2/g，微孔孔容达0.48cm3/g)，尤其是小微孔数量众多(孔径小于0.2nm的孔容达0.09cm3/g，孔径小于0.8nm的孔容达0.32cm3/g)的生物质炭。此外，总孔隙中，微孔占比极大，例如，与总比表面积的占比达79％，与总孔容的占比达76％。

28、(3)本发明提供的一种高性能捕集co2的生物炭及其制备方法与应用，方法简单，成本低，使用的有机钾盐无腐蚀性，是绿色炭化工艺，可以用于大规模的推广。

技术特征：

1.一种高性能捕集co2的生物炭，其特征在于，所述生物质炭的微孔孔容占总孔容的比例大于等于76％，微孔比表面积占总比表面积的比例大于等于79％。

2.根据权利要求1所述的一种高性能捕集co2的生物炭，其特征在于，所述生物炭孔径小于0.5nm的微孔孔容占总微孔孔容的比例大于等于19％。

3.权利要求1或2所述的一种高性能捕集co2的生物炭的制备方法，其特征在于，所述方法采用钾盐协助水热炭化和钾盐协助无氧热裂解的双催化、双炭化工艺，具体包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种高性能捕集co2的生物炭的制备方法，其特征在于，所述钾盐包括甲酸钾、乙酸钾中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的一种高性能捕集co2的生物炭的制备方法，其特征在于，所述s1中，低温炭化的温度为180～200℃，炭化时间为2～4h；所述s2中，低速升温的升温速率为1～2℃/min，高温炭化的温度为700～900℃，炭化时间为1～4h，低速降温的降温速率为2～5℃/min。

6.根据权利要求5所述的一种高性能捕集co2的生物炭的制备方法，其特征在于，所述s2中，氮气流量为50～200ml/min。

7.根据权利要求6所述的一种高性能捕集co2的生物炭的制备方法，其特征在于，所述s1中，钾盐与农林生物质废弃物的质量比为0.5～2。

8.根据权利要求7所述的一种高性能捕集co2的生物炭的制备方法，其特征在于，所述s1中，农林生物质废弃物与去离子水的添加比例为300～500g/l。

9.权利要求1-2任一所述的高性能捕集co2的生物炭和/或权利要求3-8任一所述的制备方法在碳捕集中的应用，其特征在于，所述应用包括用于捕集co2。

技术总结
本发明公开了一种高性能捕集CO<subgt;2</subgt;的生物炭及其制备方法与应用，属于碳捕集、碳封存技术领域。本发明采用钾盐协助水热炭化和钾盐协助无氧热裂解的双催化、双碳化工艺，发挥钾盐催化水解、催化致孔的功效，形成大量的小孔径微孔。在成本不增加的情况下，优化新兴的两步活化、炭化工艺，实现CO<subgt;2</subgt;捕集能力的显著提升，常温常压下(25℃，1bar)捕集量达142mg/g。本发明为强化CO<subgt;2</subgt;的捕集技术，提供了一种小微孔为主导的多孔生物炭制备工艺，简单、便捷、效果好，可推广应用。

技术研发人员：程虎,纪荣婷,韩张雄,于海洋,孔超,张龙江,李威,韩建刚
受保护的技术使用者：南京林业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13