一种利用糠醛渣生物质制备疏水生物炭的方法

本发明属于废弃生物质能源开发利用，具体涉及一种利用糠醛渣生物质制备疏水生物炭的方法。

背景技术：

1、糠醛渣是在工业中利用玉米芯、甘蔗渣和稻壳等生物质生产糠醛过程中产生的一种固体废弃物。工业生产糠醛大部分以硫酸作为催化剂，得到的糠醛渣呈酸性并且灰分含量高。糠醛渣的大量堆积不仅会浪费土地资源，也会对环境造成污染。糠醛生产过程中，生物质含有的半纤维素大部分被水解，剩余糠醛渣中主要含有纤维素、木质素、腐殖酸和少量微量元素。水热碳化(htc)主要目的是在180℃-260℃较低温度区间通过水解、脱氢、脱羧和碳化等反应得到优质固体燃料或纳米碳材料等固体产物。迄今为止，水热碳化已被广泛报道为生产具有可调物理和化学性质的炭材料的最佳策略之一。因此，作为高含水生物质，糠醛渣更适合水热的方法转化为生物炭而无需提前干燥。以糠醛渣生物质为原料，通过对温度调控的水热碳化将糠醛渣转化为有利于疏水剂嫁接的生物炭。但水热法得到的生物炭疏水性差，孔隙率不高，无法满足直接使用的需求。

2、市场现有生物炭材料疏水性能差，在运输和储存的过程中会造成一定量的损耗，并且长时间使用后会被有机物饱和，需要定期更换或再生，增加了运维成本。若未经适当处理或更换，可能会导致炭颗粒脱落，影响水质，并有可能引入微粒物质。现有的生物质炭制备领域的方法，如cn116212825a公开的一种改性废弃咖啡渣制备生物炭吸附材料和cn116474728a一种改性油橄榄渣生物炭的制备方法和应用，均采用高温热解方法，能耗较高，不适合高含水的生物质。如cn112194128a公开的一种糠醛渣用氮硫双掺杂作活性炭材料的制备方法和cn113845115a一种杂原子自掺杂生物质多孔碳的制备方法及其应用，均未考虑生物炭疏水性差对储存及运输的负面影响。

3、基于此，本申请提出利用工业固废糠醛渣为原料，进行水热碳化及强化疏水改性两级处理的技术方案，可形成一条糠醛渣高值化利用的绿色途径。

技术实现思路

1、本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

2、应用改性剂目前是建立超疏水性的良好选择。生物炭表面的超疏水性由表面粗糙度和表面自由能决定。超疏水生物炭可以通过提高表面粗糙度和降低表面自由能来实现。十六烷基三甲氧基硅烷(hdtms)是一种硅烷偶联剂，是有效的材料表面改性剂，应用hdtms有助于达到更好的疏水性和亲脂性。

3、为了解决上述问题，本发明提出一种利用糠醛渣生物质制备疏水生物炭的方法。

4、本发明的利用糠醛渣生物质制备疏水生物炭的方法，包括以下步骤：

5、s1、以生物质糠醛渣为原料，将原料置于密闭反应釜中，通过水热碳化将糠醛渣转化为生物炭固液混合物；

6、s2、将得到的生物炭固液混合物用抽滤快速分离，分离出液相和生物炭；

7、s3、将分离出的生物炭置于电热鼓风干燥箱中干燥，然后放入干燥器中冷却，称重并计算出其产率，密封待用；

8、s4、将干燥后的生物炭置于管式炉中，并通入二氧化碳气体进行活化，得到活化生物炭；活化可以增大生物炭孔隙率，提高吸附量；

9、s5、将一定量的十六烷基三甲氧基硅烷溶于无水乙醇，配置成混合溶液作为疏水剂；

10、s6、将活化生物炭浸渍于配置好的疏水剂中，室温下超声波处理后静置浸泡，得到疏水混合物；

11、s7、使用离心机将疏水混合物中的疏水剂除去，离心后得到疏水性生物炭，将疏水性生物炭置于电热鼓风干燥箱中进行干燥，得到成品。

12、所述步骤s1中水热碳化反应温度为160～240℃，反应时长为10～120min，固液比为1:10～1:30。水热碳化反应所得到生物炭因表面含有大量羟基，具有较差疏水性。

13、在水热碳化的反应条件下，糠醛渣的主要成分纤维素和木质素经历水解反应、脱水和脱羧反应降解为小分子中间产物。活泼的中间产物再缩聚为高品质生物炭产物，剩余的产物则留在水相中。

14、水热碳化的温度不能过低也不能过高，过低温度不利于原料水解，过高温度则会产生更多油相和水相副产物。

15、所述步骤s2中经过抽滤分离出的液相，可循环用于下一次水热反应，既能节约原料用水成本，同时液相中所含有机化合物也可促进碳化反应的加剧，因此可提高生物炭产量。

16、所述步骤s3中电热鼓风干燥箱温度为105～120℃，干燥时长为12～24h。

17、所述步骤s4中活化的温度为800～1000℃，活化时长为2～5h。在该活化反应条件下，有利于二氧化碳活化气体与生物炭中碳元素反应生成一氧化碳，使生物炭产生更多孔隙结构，可大大提高其比表面积和孔隙率。

18、所述步骤s5中制作的疏水剂中的十六烷三甲氧基硅烷体积分数为1％～5％，无水乙醇作为溶剂。硅烷极易水解，并与生物炭表面的大量羟基发生脱水缩合形成低表面能的硅氧烷，能够有效包裹生物炭，降低生物炭表面能，达到良好的疏水效果。

19、所述步骤s6中超声波处理时长为5～25min，浸泡时长为30～120min。

20、所述步骤s7中电热鼓风干燥箱温度为100～140℃，干燥时长为60～120min。

21、本发明的有益效果是，本发明具有糠醛渣利用率高、产物疏水性和亲脂性强、操作简单、活化剂可循环利用、对环境污染小的工艺优点。本发明采用温和的水热方法，可处理高含水的生物质，采用水热转化制备生物炭，耦合强化的疏水改性工艺，可显著提高糠醛渣利用率，减少副反应，产物疏水性能优良，大大减少损耗。可充分利用我国糠醛产业产生的大量的废弃生物质资源，有效缓解化石能源短缺造成的环境负担，又可产生可观的能源效益和经济效益。

22、经过疏水改性后的生物炭材料储存及防潮能力得到提升，减少损耗，经济性大大提升。本发明制备的疏水生物炭的疏水性质使其具有较高的油污吸附能力，可以有效地去除水中的污染物，净化水源，可用于高效处理工业污水，也可应用于海洋石油类污染修复，除在水环境适用外，利用生物炭还可对沉积物中的石油烃进行封存和修复，以减少其扩散。

技术特征：

1.一种利用糠醛渣生物质制备疏水生物炭的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的利用糠醛渣生物质制备疏水生物炭的方法，其特征在于，所述步骤s1中水热碳化反应温度为160～240℃，反应时长为10～120min，固液比为1:10～1:30。

3.根据权利要求1所述的利用糠醛渣生物质制备疏水生物炭的方法，其特征在于，所述步骤s3中电热鼓风干燥箱温度为105～120℃，干燥时长为12～24h。

4.根据权利要求1所述的利用糠醛渣生物质制备疏水生物炭的方法，其特征在于，所述步骤s4中活化的温度为800～1000℃，活化时长为2～5h。

5.根据权利要求1所述的利用糠醛渣生物质制备疏水生物炭的方法，其特征在于，所述步骤s5中制作的疏水剂中十六烷三甲氧基硅烷的体积分数为1％～5％。

6.根据权利要求1所述的利用糠醛渣生物质制备疏水生物炭的方法，其特征在于，所述步骤s6中超声波处理时长为5～25min，浸泡时长为30～120min。

7.根据权利要求1所述的利用糠醛渣生物质制备疏水生物炭的方法，其特征在于，所述步骤s7中电热鼓风干燥箱温度为100～140℃，干燥时长为60～120min。

技术总结
本发明公开了一种利用糠醛渣生物质制备疏水生物炭的方法，包括以下步骤：S1、通过水热碳化将糠醛渣转化为生物炭固液混合物；S2、将得到的生物炭固液混合物用抽滤快速分离；S3、将分离出的生物炭置于电热鼓风干燥箱中干燥；S4、将干燥后的生物炭通入二氧化碳气体进行活化；S5、配置疏水剂；S6、将活化生物炭浸渍于配置好的疏水剂中，室温下超声波处理后静置浸泡，得到疏水混合物；S7、使用离心机将疏水混合物中的疏水剂除去，离心后得到疏水性生物炭，将疏水性生物炭置干燥后得到成品。本发明的利用糠醛渣生物质制备疏水生物炭的方法具有糠醛渣利用率高、产物疏水性和亲脂性强、操作简单、活化剂可循环利用、对环境污染小的工艺优点。

技术研发人员：马秋林,郭荣婧,段润田,赵文熙,罗菁,马李洋,常春
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/26