一種利用玉米芯制備大顆粒泡沫炭的方法技術

本發明專利技術公開一種利用玉米芯制備大顆粒泡沫炭的方法，具體如下：將玉米芯干燥后粉碎成玉米芯粉末，然后與催化劑混合后反應30-40min；加入膠粘劑反應60min，然后冷卻、脫水，獲得生物質基可發性漿料；加入表面活性劑、發泡劑、固化劑混合后倒入模具，發泡固化15-30min，干燥熟化20-30min，獲得炭化前驅體；然后150-350℃下炭化20-60min，500-600℃活化4h，將活化產物洗至中性，干燥后即獲得大顆粒泡沫炭；本發明專利技術以農林剩余物生物質材料玉米芯作為泡沫炭基料，降低了石油基化工產品消耗，實現了低值農業廢棄物的高值化，所制備的泡沫炭開孔率高、比表面積大、吸附能力強，可替代傳統活性炭應用于污染水體凈化等環境工程領域。

【技術實現步驟摘要】
一種利用玉米芯制備大顆粒泡沫炭的方法
本專利技術屬于泡沫炭制備領域，特別是一種利用玉米芯制備大顆粒泡沫炭的方法。
技術介紹
泡沫炭是一種以碳原子為骨架，碳原子之間相互堆積形成的多孔網絡結構的輕質固態炭材料，具有大比表面積、高孔隙率、優良的吸附性及壓縮性，較低的熱膨脹系數等優異性能使用范圍廣泛。目前國內外對泡沫炭材料的研究與應用，多以樹脂為原料，通過發泡、固化劑高溫炭化處理得到泡沫炭。如中國專利CN101811885公開了一種用呋喃樹脂制備泡沫炭的方法，以呋喃樹脂為材料，添加輔助材料，經發泡固化后再碳化，所獲得的泡沫炭材料強度高，壽命長，但該專利技術中使用呋喃環，易揮發有毒氣體，且炭化階段時間長、炭化能耗高；中國專利CN104072796公開了自發泡制備酚醛樹脂泡沫材料及泡沫炭材料的方法，該方法以明膠引發酚、醛、明膠快速工具反應，同時利用有機二酸與醛的Knoevenagel反應，加熱脫羧放出二氧化碳氣體作為發泡劑，實現一步法自發泡制備酚醛泡沫材料，但該專利技術使用苯酚及其衍生物及甲醛溶液或多聚甲醛、三聚甲醛、丙烯醛和戊二醛等有毒原料，對人體健康及生產環境具有危害；中國專利CN102008747公開了泡沫炭生物支架及其制備方法和應用，該泡沫炭生物支架可針對不同細胞種類的需求將植有細胞的泡沫炭生物支架置于靜態或動態的循環培養體系中培養，具有較好的生物相容性，但該材料采用酚醛樹脂作為前驅體，不可進行生物降解；中國專利CN102134068公開了一種高開孔率石墨化泡沫炭的制備方法，該方法是以瀝青類物質中有機溶劑可溶組分作為泡沫炭的碳源，但其反應中的機溶劑選自四氫呋喃、吡啶、喹啉等具有刺激作用的原料，所使用的模板泡沫選為非降解或難降解聚氨酯泡沫或酚醛樹脂泡沫；中國專利CN102351170公開了一種高強度樹脂基泡沫炭材料的制備方法，其以石油基材料作為熱固性樹脂的預聚，泡沫炭難降解，泡沫炭孔隙率低，且炭化固化步驟繁瑣、制備成本高。酚醛樹脂制備的泡沫炭在高壓卸氣或高溫炭化過程中容易破裂，導致泡沫炭的整體結構難以控制，尤其是制備大顆粒泡沫炭，且制備過程中用到部分氟氯烴化合物發泡劑，對環境及設備具有較大危害；具有球形結構的中間相碳微球是報道相對較好的增強材料，可將泡沫炭的壓縮強度提高到25MPa，但中間相碳微球由于經過高溫石墨化熱處理，在與碳質前軀體復合過程中易產生較多固/液界面而導致泡沫炭的抗沖擊強度及拉伸強度較低。從現有技術文獻來看，目前泡沫炭材料存在的主要問題是多以石油基原材料為泡沫炭前驅體，加工工序復雜、原輔助材料昂貴，制作成本高，且泡沫炭難以降解，環境污染大。因此，研制一種孔徑均勻、形狀各異、結構缺陷少且對環境無污染的泡沫炭制備技術，一直是本領域亟待解決的技術難題。
技術實現思路
針對上述問題，本專利技術公開一種利用玉米芯制備大顆粒泡沫炭的方法，所獲得的泡沫炭孔隙率高，吸附能力強，壓縮強度高，可廣泛應用于土壤改良培肥，污染水體凈化修復等領域，本專利技術是這樣實現的：一種利用玉米芯制備大顆粒泡沫炭的方法，其特征在于，具體步驟如下：（a）將玉米芯干燥至含水量低于12%，粉碎成60-90目的玉米芯粉末；（b）將玉米芯粉末與催化劑按質量比6:13-15均勻混合，30-50℃溫度下，以150-180轉/分鐘的速率攪拌反應30-40min；（c）加入膠粘劑，所加入膠粘劑與玉米芯粉末質量比為1-1.5:3，升溫至80℃反應60min，然后冷卻至40℃，離心脫水至反應液中固含量不低于65%，獲得生物質基可發性漿料；（d）將步驟c獲得的生物質基可發性漿料以及表面活性劑、發泡劑、固化劑加入反應釜，攪拌均勻后倒入模具，80℃發泡固化15-30min，然后100-110℃干燥熟化20-30min，獲得炭化前驅體；其中，所加入表面活性劑質量為生物質基可發性漿料質量的7-12.6%，所加入發泡劑質量為生物質基可發性漿料質量的7.2-14.2%，所加入固化劑質量為生物質基可發性漿料質量的2.5-5%。（e）將步驟d獲得的炭化前驅體置于井式爐中，150-350℃下炭化20-60min，然后移入高溫管式爐中，氮氣氛圍下，以10℃/min的升溫速率升溫置500-600℃，活化4h后，將產物冷卻至室溫，即獲得活化產物；(f)以去離子水和0.1-0.5mol/L的鹽酸溶液交替清洗活化產物至洗出液為中性，然后將產物置于73±2℃真空干燥8h，即獲得所述大顆粒泡沫炭；其中，所述催化劑為質量分數為20%的硫酸、質量分數為20%的磷酸或它們等質量的混合物。進一步，本專利技術中，步驟c所述膠粘劑為預羥甲基脲改性淀粉膠粘劑，該預羥甲基脲改性淀粉膠粘劑是這樣獲得的：向反應釜中加入玉米淀粉和蒸餾水，配制成濃度為40%的玉米淀粉乳液，然后升溫至60℃，加入占玉米淀粉質量0.1%的硫酸亞鐵和占玉米淀粉質量6%的過氧化氫，反應30min；然后升溫至90±2℃，調節pH=3.0，加入質量分數為10%的聚乙烯醇，反應60min；再以氫氧化鈉調節反應液pH為8.5，反應20min；加入多聚甲醛，反應30min；然后以甲酸調節反應液pH為6.0，加入尿素反應20min，即獲得所述預羥甲基脲改性淀粉膠粘劑；其中，玉米淀粉、聚乙烯醇、尿素、多聚甲醛質量比依次為12.5:1:5:4。進一步，本專利技術中，步驟d所述表面活性劑中至少含有丙三醇。進一步，本專利技術中，步驟d所述表面活性劑中還含有吐溫-80或OP-10，它們與丙三醇的質量比為1:2.5。進一步，本專利技術中，步驟d所述發泡劑至少包括質量比依次為1:0.8-1:0.2-0.4的偶氮二甲酰胺、正戊烷和碳酸氫銨。進一步，本專利技術中，步驟d所述發泡劑還包括碳酸氫鈉，其與偶氮二甲酰胺的質量比為1:5。進一步，本專利技術中，步驟d所述固化劑為氯化銨、六次甲基四胺、磷酸銨的一種或它們的混合物。進一步，本專利技術中，步驟d所述固化劑是由等質量的六次甲基四胺和磷酸銨混合而成。與現有技術相比，本專利技術具有以下有益效果：（1）以本專利技術方法制備的泡沫炭開孔率高、比表面積大、吸附能力強。本專利技術通過對玉米芯生物質基料進行輕度酸催化、預羥甲基脲改性淀粉膠粘劑交聯處理，再發泡固化、炭化，大幅提高炭化工藝開孔率，與傳統的生物活性炭或生物炭相比，該泡沫炭的吸附性相對更高，可廣泛應用于土壤改良培肥，污染水體凈化修復等領域。（2）以本專利技術方法制備的泡沫炭顆粒尺寸大、壓縮強度高。本專利技術采用玉米芯原料與預羥甲基脲改性淀粉膠粘劑先捏合成型、再發泡固化炭化制備的泡沫炭，具有較強的壓縮強度，外觀尺寸大，其獨特的結構和性能將可替代傳統活性炭應用于污染水體凈化等環境工程領域。（3）本專利技術以農林剩余物生物質材料玉米芯作為泡沫炭基料，降低了石油基化工產品消耗，實現了低值農業廢棄物的高值化利用。附圖說明圖1為實施例1獲得的大顆粒泡沫炭掃面電鏡圖。圖2為實施例2獲得的大顆粒泡沫炭掃面電鏡圖。圖3為大顆粒泡沫炭的壓縮強度測試結果示意圖。具體實施方式為使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，對本專利技術進一步詳細說明，應當理解，以下所描述的具體實施例僅用以解釋本專利技術，并非是對本專利技術的限制。實施例1制備預羥甲基脲改性淀粉膠粘劑（a）向反應釜中加入玉米淀粉和蒸餾水，攪拌均勻，配制成濃度為40%的玉米淀粉乳液，（本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種利用玉米芯制備大顆粒泡沫炭的方法，其特征在于，具體步驟如下：（a）將玉米芯干燥至含水量低于12%，粉碎成60?90目的玉米芯粉末；（b）將玉米芯粉末與催化劑按質量比6:13?15均勻混合，30?50℃溫度下，以150?180轉/分鐘的速率攪拌反應30?40?min；（c）加入膠粘劑，所加入膠粘劑與玉米芯粉末質量比為1?1.5:3，升溫至80℃反應60?min，然后冷卻至40℃，離心脫水至反應液中固含量不低于65%，獲得生物質基可發性漿料；（d）將步驟c獲得的生物質基可發性漿料以及表面活性劑、發泡劑、固化劑加入反應釜，攪拌均勻后倒入模具，80℃發泡固化15?30?min，然后100?110℃干燥熟化20?30?min，獲得炭化前驅體；???其中，所加入表面活性劑質量為生物質基可發性漿料質量的7?12.6%，所加入發泡劑質量為生物質基可發性漿料質量的7.2?14.2%，所加入固化劑質量為生物質基可發性漿料質量的2.5?5%；?（e）將步驟d獲得的炭化前驅體置于井式爐中，150?350℃下炭化20?60?min，然后移入高溫管式爐中，氮氣氛圍下，以10℃/min的升溫速率升溫置500?600℃，活化4?h后，將產物冷卻至室溫，即獲得活化產物；（f）以去離子水和0.1?0.5?mol/L的鹽酸溶液交替清洗活化產物至洗出液為中性，然后將產物置于73±2℃真空干燥8?h，即獲得所述大顆粒泡沫炭；其中，所述催化劑為20%硫酸、20%磷酸或它們等質量的混合物。...

【技術特征摘要】
1.一種利用玉米芯制備大顆粒泡沫炭的方法，其特征在于，具體步驟如下：（a）將玉米芯干燥至含水量低于12%，粉碎成60-90目的玉米芯粉末；（b）將玉米芯粉末與催化劑按質量比6:13-15均勻混合，30-50℃溫度下，以150-180轉/分鐘的速率攪拌反應30-40min；（c）加入膠粘劑，所加入膠粘劑與玉米芯粉末質量比為1-1.5:3，升溫至80℃反應60min，然后冷卻至40℃，離心脫水至反應液中固含量不低于65%，獲得生物質基可發性漿料；所述膠粘劑為預羥甲基脲改性淀粉膠粘劑，該預羥甲基脲改性淀粉膠粘劑是這樣獲得的：向反應釜中加入玉米淀粉和蒸餾水，配制成濃度為40%的玉米淀粉乳液，然后升溫至60℃，加入占玉米淀粉質量0.1%的硫酸亞鐵和占玉米淀粉質量6%的過氧化氫，反應30min；然后升溫至90±2℃，調節pH=3.0，加入質量分數為10%的聚乙烯醇，反應60min；再以氫氧化鈉調節反應液pH為8.5，反應20min；加入多聚甲醛，反應30min；然后以甲酸調節反應液pH為6.0，加入尿素反應20min，即獲得所述預羥甲基脲改性淀粉膠粘劑；其中，玉米淀粉、聚乙烯醇、尿素、多聚甲醛質量比依次為12.5:1:5:4；（d）將步驟（c）獲得的生物質基可發性漿料以及表面活性劑、發泡劑、固化劑加入反應釜，攪拌均勻后倒入模具，80℃發泡固化15-30min，然后100-110℃干燥熟化20-30min，獲得炭化前驅體；其中，所加入表面活性劑質量為生物質基可發性漿料質量的7-12.6%，所加入發泡劑質量為生物質基可發性漿料質量的7.2...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫恩惠，黃紅英，孫豐文，常志州，武國峰，靳紅梅，曲萍，徐躍定，
申請(專利權)人：江蘇省農業科學院，
類型：發明
國別省市：江蘇;32