生物质炭的成型制备与性能研究

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多孔炭材料因比表面积高、孔道结构发达,表面化学性质易于调变等优点,被广泛应用在吸附、催化、电化学等领域。成型多孔炭相对于粉末状多孔炭而言,具有均一的尺寸和形状,更高的堆积密度和机械强度,易于储存和使用。生物质因来源丰富、价格低廉而被视为炭材料的合适前驱体,然而生物质基炭材料多以粉末状形式存在,往往限制其实际应用。因而,以生物质为炭前驱体制备出高性能的成型多孔炭是当前的研究热点和难点。本论文以废弃咖啡渣为炭前驱体,采用挤出成型的方法制备成型多孔炭,具体研究结果如下:(1)以废弃咖啡渣为炭前驱体,磷酸为粘结剂,田菁粉为助挤剂经过挤出成型、炭化及水蒸气活化制备出高机械强度的微孔型成型多孔炭。通过考察挤出成型过程中磷酸用量、水蒸气活化温度、水蒸气活化时间及田菁粉用量等工艺参数,从而确定出最佳的成型工艺条件。在该工艺条件下所制备出的成型炭具有较高的炭化-活化收率(24%)、机械强度(220 N cm-1)、体积密度(0.86 g cm-3)及较高的比表面积(909 m2 g-1)、总孔容(0.42cm3 g-1)和微孔率(79%)。298 K/1.1 bar条件下,在CO2/N2混合气分离测试中,成型多孔炭对CO2的动态吸附量为0.60 mmol g-1,对N2基本不吸附,可实现混合气的完全分离且循环性能及耐水汽性能优良。(2)为提高成型多孔炭的介孔占比,增强物质的传质能力,以废弃咖啡渣为炭前驱体,泡花碱为粘结剂,田菁粉为助挤剂,微晶纤维素为增强剂,通过考察挤出成型过程中泡花碱用量、碱洗除硅和水蒸气活化顺序、微晶纤维素用量等工艺参数,制备出一系列高机械强度的介孔型成型多孔炭。研究结果表明,在最佳工艺条件下所制备出的成型炭具有较高的收率(23%)、机械强度(226 N cm-1)、体积密度(0.80 g cm-3)及适宜的比表面积(537 m2 g-1)、总孔容(0.39 cm3 g-1)和介孔率(60%),孔径集中分布在25 nm;在273 K/1bar条件下的CO2静态吸附量为3.30 mmol g-1,在298 K/1 bar条件下的CO2静态吸附量为2.42 mmol g-1,吸附热处于25-30 kJ mol-1,属于典型的物理吸附过程,吸附剂易于再生。
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