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生物质炭的制备及其在能源与环境领域中的应用
摘要:本文综述了热分解法、微波炭化法以及水热炭化法制备生物质炭材料的研究现状及其存在的问题;并概括了生物质炭在碳燃料电池、生物质炭燃料、污水处理和土壤处理等能源与环境领域应用的研究进展,最后展望了生物质炭的发展前景。
人类的大量开采导致煤、石油焦等传统活性炭原料储量锐减,世界面临能源与环境危机。因此必须寻求一种绿色环保、低成本高功效和可持续发展的新能源来满足对能源日益增长的巨大需求。由于以生物质为原料制备的生物质炭无污染、高储量、可再生等特点,已成为最具发展潜力的新材料和新能源之一。
生物质资源虽然丰富,但由于保存和转化的技术落后导致生物质资源浪费严重,如秸秆等农业废弃物在田间焚烧,林业产品加工产生的木屑、锯末等被直接丢弃,食品加工的壳、皮等被当作垃圾填埋,这不仅污染了环境,还造成了生物质资源的巨大浪费。因此,将生物质原料转化为生物质炭不仅实现了废弃资源的高附加值再利用,还满足了对活性炭的巨大需求。生物质炭具有发达的孔隙结构,高的比表面积和丰富的表面官能团,这使生物质炭在能源与环境领域中有广泛的应用前景。
1生物质炭的制备
生物质炭的制备主要分为炭化与活化两个过程且二者可分步或同步进行。生物质的预处理可降低活化温度,缩短活化时间或提高活性炭产率。预处理主要包括脱灰,预氧化或浸渍等。根据加热方式的不同生物质炭的制备可分为热分解法、微波炭化法及水热炭化法。
1.1热分解法
热分解是指在隔绝空气条件下生物质的高温裂解反应。热分解的影响因素主要包括炭化与活化温度、炭化与活化时间、活化剂种类、活化剂浓度与用量。
Aworn等以玉米芯为原料,CO2为活化剂,在N2环境下,活化温度为800℃,活化时间60min工艺下制得的生物质炭比表面积为986m2/g,产率为24%。李勤等以玉米芯为原料,水蒸气为活化剂,在活化温度800℃,活化时间90min,水蒸气流量为15mL/h工艺下制得的生物质炭比表面积为924.5m2/g,产率为26.2%。物理活化法生产工艺简单,对设备腐蚀和环境污染小,但物理活化法生物质消耗大,活化温度较高且获得的活性炭比表面积较低。
Wang等以竹屑为原料,KOH为活化剂,在浸渍比1∶1,活化温度800℃和活化时间120min工艺下制得的生物质炭比表面积为2996m2/g。Chen等以山竹壳为原料,K2CO3为活化剂,在质量比1∶1,活化温度900℃和活化时间120min工艺下制得的生物质炭比表面积为1123m2/g。与传统的物理活化法相比,化学活化法显著提高了生物质炭比表面积和生物质炭的产率,但化学活化法对设备腐蚀和环境污染较大,且制备后残留物较多。
为了克服热分解法存在加热速率缓慢,反应时间长,反应耗能大,传热效率低和反应原料加热不均匀等缺点,近年来提出了反应时间短的微波炭化法和低温热分解的水热炭化法。
1.2微波炭化法
微波加热是通过被加热体内部偶极分子的高频往复运动,使分子间相互碰撞产生大量摩擦热量,继而使物料内外部同时快速均匀升温。微波加热具有操作简单、升温速率快、反应效率高、可选择性均匀加热等优点。微波炭化法的影响因素有微波功率、活化剂种类、活化剂浓度、浸泡时间和加热时间。
Yang等以椰子壳为原料,先在1000℃下炭化120min后,分别以CO2气体、水蒸气为活化剂,在微波加热至900℃下活化制备了生物质炭。在CO2流量600cm3/min,活化时间210min工艺下制得的生物质炭比表面积2288m2/g,产率为37.5%;水蒸气流量1.35g/min,活化时间75min工艺下制得的生物质炭比表面积2079m2/g,产率为42.2%。
除微波物理活化法外,微波化学活化法也得到了广泛地运用。Liu等以竹子为原料,H3PO4为活化剂,磷酸与原料的质量比为1∶1,微波功率350W,活化时间20min工艺下制得的生物质炭比表面积1432m2/g,产率为48%。
化学活化剂包括ZnCl2、H3PO4和KOH等,其中KOH活化可制得高比表面积活性炭。这主要是因为KOH与C反应生成了K2CO3,同时K2CO3分解产生K2O和CO2,这些物质均有利于炭表面孔隙结构的发展;此外K2CO3、K2O和C反应生成金属钾,当活化温度超过金属钾沸点时,钾蒸气也会影响孔结构。张利波等以烟秆的炭化物为原料,KOH为活化剂,在碱炭质量比为4∶1,微波功率700W,加热时间30min工艺下制得的生物质炭比表面积3406m2/g,比表面积较高。
生物质资源不但包括植物性生物质,而且还包括动物性生物质。因此生物质炭还可从动物性原料中获得。壳聚糖是虾壳、蟹壳等海洋动物废弃物的主要衍生产物。以壳聚糖为原料,ZnCl2为活化剂,在Z
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