咖啡渣成型制备多孔炭的工艺与性能研究

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生物质是一种天然资源,因其分布广泛、廉价易得被广泛用作炭材料的前驱体。生物质多孔炭具有易于调控的孔隙结构、丰富的表面官能团、良好的稳定性和环境友好等优点。生物质多孔炭的制备过程一般需添加粘结剂将其成型,制备成规则的形状,以便于储存运输和使用。然而,加入粘结剂会改变多孔炭的性能。因此,选取适宜的粘结剂,是制备高性能生物质基成型多孔炭的重要一环。本文采用挤条成型法制备柱状多孔炭材料,通过改变粘结剂和活化工艺对多孔炭的孔道结构和表面化学性质进行了调控,取得结果如下:(1)为了获得高比表面积,高强度的成型多孔炭,以咖啡渣废料为炭前驱体,田菁粉作为助挤剂,磷酸作为粘结剂将其挤条成型。经炭化、水蒸气活化、水洗后制得柱状咖啡渣基多孔炭。通过改变水蒸气的活化温度、活化时间、流量等工艺条件,详细探究了水蒸气活化的机理,制备出了一系列具有丰富孔道结构、高比表面积、高强度的柱状咖啡渣基多孔炭。综合制备成本和经济效益选择出最佳的工艺条件,其炭化收率为26.03%、机械强度为287 N/cm、体积密度为1.03 g/cm~3、比表面积为636 m~2/g和总孔容为0.26 cm~3/g。进一步对其进行了苯沉积改性,研究其对N2/O2的分离性能,结果表明在常温常压低流速(1 ml/min)的条件下样品对N2/O2具有分离性能;同时对具有大孔容的样品进行了CH4/N2动态分离性能测试,298 K、1.1 bar条件下其具有6min的完全分离时间,CH4的动态吸附量为0.32 mmol/g,动态分离选择系数为1.7。(2)为了提高多孔炭的传质速率,在多孔炭中引入介孔。以咖啡渣废料为炭前驱体,田菁粉作为助挤剂,泡花碱作为粘结剂将其挤条成型。经炭化、活化、除硅和水洗过程制得柱状咖啡渣基多孔炭。通过改变泡花碱的加入量,调控多孔炭的孔道结构和表面化学性质。制备的代表性样品,比表面积为527 m~2/g,总孔容为0.33 cm~3/g,介孔率为55%,其微孔主要集中在0.48 nm,介孔主要集中在30-50 nm之间。在298 K和1 bar条件下CH4的静态吸附量为0.87 mmol/g,CH4/N2(3/7)的IAST分离选择性达到10.3。混合气动态穿透测试结果证实该材料在常压和加压条件具有优异的CH4/N2动态分离性能,298 K,1.1 bar和5 bar条件下的动态选择性分别达到10.4和17.9,且具有良好的循环稳定性和耐水汽性。
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