本發(fā)明涉及廢棄生物質(zhì)制備炭材料領(lǐng)域，尤其涉及一種水熱法制備甘蔗渣炭材料的方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

中國是世界第三大甘蔗種植國，甘蔗屬于我國南方主要的農(nóng)作物之一，主要應(yīng)用于制糖工業(yè)。甘蔗榨汁后有近四分之一的部分形成甘蔗渣，近年來我國蔗糖年產(chǎn)量在1000～1100萬噸左右，由此產(chǎn)生大量的甘蔗渣副產(chǎn)物。目前，甘蔗渣主要用于燃燒供能、造紙等途徑，其資源化綜合利用率低，并且約有700多萬噸未被再利用的甘蔗渣被廢棄于田野或是焚燒處理，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和天然生物質(zhì)資源的極大浪費(fèi)。因此，有效利用甘蔗渣作為原料，發(fā)展環(huán)境友好型的高附加值產(chǎn)品具有環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的雙重效益。

活性炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大，它具有化學(xué)穩(wěn)定性好、吸附能力強(qiáng)、便于再生利用等優(yōu)點(diǎn)，是一種重要的吸附材料，被廣泛應(yīng)用于水處理、食品工業(yè)、化工等領(lǐng)域。隨著工業(yè)發(fā)展及環(huán)境保護(hù)要求的提高，全球活性炭的供、需逐年增加，我國近幾年對活性炭的進(jìn)出口量也出現(xiàn)迅猛的增長勢頭。目前制備活性炭的原料主要來源于煤炭和木材、椰子殼等農(nóng)林副產(chǎn)品。其中，甘蔗渣由于具有含碳量高、原料來源集中且豐富、價格低廉，以及成分相對穩(wěn)定、性質(zhì)均一等眾多優(yōu)勢，從而成為產(chǎn)業(yè)化制備吸附炭材料的優(yōu)質(zhì)原料。因此，利于甘蔗渣制備生物質(zhì)吸附劑是甘蔗渣高值化利用的有效途徑。

目前利于甘蔗渣制備炭材料的方法主要包括炭化和活化兩個步驟，其中炭化一般采用惰性氣氛下的高溫?zé)峤馓炕夹g(shù)，而活化最為關(guān)鍵。甘蔗渣活化的方法有氣體活化法(與水蒸氣、CO2等活性劑在800～1000℃的高溫下發(fā)生氣化反應(yīng))、化學(xué)活化法(添加堿類試劑如KOH、鹽類試劑如ZnCl2和酸類試劑如H3PO4三類活化劑共熱解炭化)、化學(xué)物理活化法、微波輔助加熱法。其中，氣體活化法具有反應(yīng)速度較慢、活化率不高、反應(yīng)能耗大等不足之處；化學(xué)活化法對設(shè)備具有一定腐蝕作用，且活化劑消耗大且有殘余、炭回收率較低；微波加熱制備活性炭雖取得一定進(jìn)展，但中試規(guī)模的微波加熱裝置還未充分開發(fā)和商業(yè)化生產(chǎn)限制了其工業(yè)化推廣。

水熱炭化技術(shù)是一種新型的生物質(zhì)炭化技術(shù)，相比高溫?zé)峤馓炕夹g(shù)，其不受物料含水率的限制，制備條件溫和、簡單，從而轉(zhuǎn)化成本較低，具有工業(yè)推廣價值。近年來，水熱碳化法被認(rèn)為是一種很有前途的合成顆粒炭材料的新技術(shù)，它以碳水化合物為前驅(qū)物，以水作溶劑，在較低溫度下(200～280℃)制備結(jié)構(gòu)形貌規(guī)整、孔徑分布易控、導(dǎo)電性高、耐熱性好、物理化學(xué)性能穩(wěn)定的顆粒炭材料。水熱碳化法具有工藝流程簡單、成本低廉、反應(yīng)條件溫和、可持續(xù)、環(huán)境友好(氣態(tài)產(chǎn)物可溶解于水中)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于催化、吸附和儲能等領(lǐng)域的研究中。通過調(diào)節(jié)碳水化合物在水熱碳化過程中水熱溶劑和反應(yīng)條件，可對水熱炭材料的形貌及孔徑分布進(jìn)行調(diào)控。相比于高溫?zé)峤馓?，低溫水熱炭具有低灰分、高炭回收率、形貌及孔徑分布可控和表面?fù)載高密度含氧官能團(tuán)等特點(diǎn)。目前，水熱炭化技術(shù)在廢棄生物質(zhì)如農(nóng)林資源、生活污水和工業(yè)有機(jī)廢水、城市固體廢物和畜禽糞便等資源化中的應(yīng)用研究得到了普遍關(guān)注。王家樑等采用水熱炭化技術(shù)，在Na2CO3催化下，將甘蔗渣水熱轉(zhuǎn)化為生態(tài)腐植酸肥料。劉曉娟等采用濃硫酸或其與磷酸的混合酸室溫浸泡或加熱處理甘蔗渣后，制備表面富含磺酸基團(tuán)的球形炭基固體酸或進(jìn)一步在乙醇或堿溶液中提取制備熒光碳點(diǎn)。該制備方法采用高濃度強(qiáng)酸，對設(shè)備具有較強(qiáng)腐蝕作用，后期廢酸處理難。

二十一世紀(jì)功能性炭材料仍具有廣闊的發(fā)展前景，研究具有高效吸附性能的多功能炭材料成為研究熱點(diǎn)。因此，尋求制備工藝簡單、環(huán)境友好的吸附炭材料制備方法對可再生生物質(zhì)資源高值化利用及環(huán)境保護(hù)具有重大意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種使用甘蔗渣高效方便制備炭材料的方法。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種水熱法制備甘蔗渣炭材料的方法，包括以下步驟：

1)粉碎甘蔗渣；為了將甘蔗渣充分粉碎，可以先將廢棄甘蔗渣剪成10cm以下的小段，烘干并粉碎，得到甘蔗渣粉末。

2)將甘蔗渣過90目篩之后，與0-5v％含氧酸進(jìn)行充分混合，并放入水熱反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行水熱碳化反應(yīng)，其中水熱碳化反應(yīng)溫度為200～280℃，反應(yīng)時間為8-12h。

3)等到反應(yīng)結(jié)束后，過濾收集反應(yīng)后的固體，用蒸餾水洗滌并放入100-120℃干燥箱進(jìn)行干燥后得到所述炭材料。

在一較佳的實(shí)施例中，在所述步驟2)中，甘蔗渣與含氧酸固液質(zhì)量比為1:15～25。

在一較佳的實(shí)施例中，在所述步驟2)中，所述含氧酸至少包括丙烯酸或磷酸中的一種。

在一較佳的實(shí)施例中，可以不使用含氧酸，其步驟如下：1)粉碎甘蔗渣；2)將甘蔗渣與蒸餾水按照質(zhì)量比1:15～25混合，并放入水熱反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行水熱碳化反應(yīng)，其中水熱碳化反應(yīng)溫度為200～280℃，反應(yīng)時間為8-12h；3)過濾收集反應(yīng)后的固體，洗滌并干燥后得到所述炭材料。

本發(fā)明還提供了一種將制得的炭材料用于處理含染料和重金屬等廢水以及制糖工業(yè)中糖液脫色的處理的用途。

本發(fā)明的有益效果為：1)使用廈門本土所產(chǎn)生的甘蔗渣垃圾，材料易獲取并且環(huán)保。2)使用水熱法制備，過程簡易方便無污染。

附圖說明

圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例制備的甘蔗渣水熱炭材料的傅立葉紅外光譜圖；

圖2是本發(fā)明第二實(shí)施例制備的甘蔗渣水熱炭材料的傅立葉紅外光譜圖；

圖3是本發(fā)明第三實(shí)施例制備的甘蔗渣水熱炭材料的掃描電鏡圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明技術(shù)方案更加清楚，現(xiàn)將本發(fā)明結(jié)合實(shí)施例和附圖做進(jìn)一步詳細(xì)說明：

實(shí)施例1

將廢棄甘蔗渣剪成10cm以下的小段，烘干并粉碎，得到甘蔗渣粉末。將甘蔗渣粉末過90目篩，與蒸餾水按照質(zhì)量比1:19的比例均勻混合，在水熱反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱碳化反應(yīng)，水熱碳化溫度是240℃，時間是10h。反應(yīng)結(jié)束后，抽濾獲得固體，并用蒸餾水多次洗滌。收集洗滌后的固體，經(jīng)干燥研磨后過90目篩，即得水熱炭材料。

實(shí)施例2

將廢棄甘蔗渣剪成10cm以下的小段，烘干并粉碎，得到甘蔗渣粉末。將甘蔗渣粉末過90目篩，與1.0v％的丙烯酸按照固液質(zhì)量比為1:19的比例均勻混合，在水熱反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱碳化反應(yīng)，水熱碳化溫度是240℃，時間是10h。反應(yīng)結(jié)束后，抽濾獲得固體，并用蒸餾水多次洗滌。收集洗滌后的固體，經(jīng)干燥研磨后過90目篩，即得水熱炭材料。

實(shí)施例3

將廢棄甘蔗渣剪成10cm以下的小段，烘干并粉碎，得到甘蔗渣粉末。將甘蔗渣粉末過90目篩，與40wt％的磷酸按照固液質(zhì)量比為1:19的比例均勻混合，在水熱反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱碳化反應(yīng)，水熱碳化溫度是260℃，時間是12h。反應(yīng)結(jié)束后，用熱蒸餾水多次洗滌至中性。收集洗滌后的固體，經(jīng)干燥研磨后過90目篩，即得水熱炭材料。

實(shí)施例4

將0.02g實(shí)施例1所制得的水熱炭材料加入到20mL濃度為0.1g/L的孔雀石綠水溶液中，開啟恒溫振蕩器，在溫度為30℃的條件下恒溫振蕩2h。振蕩結(jié)束后過濾，并采用分光光度法檢測孔雀石綠含量。測試結(jié)果顯示其對孔雀石綠的吸附容量達(dá)到319.7mg/g。

實(shí)施例5

將0.02g實(shí)施例2所制得的水熱炭材料加入到50mL濃度為0.1g/L的含Cu2+水溶液中，開啟恒溫振蕩器，在溫度為25℃的條件下恒溫振蕩6h。振蕩結(jié)束后過濾，并采用分光光度法檢測Cu2+含量。測試結(jié)果顯示水中Cu2+的脫除率達(dá)到81.1％。

實(shí)施例6

將0.5g實(shí)施例3所制得的水熱炭材料加入到10mL濃度為5wt％的赤砂糖水溶液中，開啟恒溫振蕩器，在溫度為80℃的條件下恒溫振蕩30min。振蕩結(jié)束后過濾，并采用分光光度法檢測其色值。測試結(jié)果顯示糖液脫色率達(dá)96.4％。

上述實(shí)例僅用來進(jìn)一步說明本發(fā)明的一種利用甘蔗渣制備水熱炭材料的方法和應(yīng)用，但本發(fā)明不局限于實(shí)施例，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均落入本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。