浓硫酸碳化生物质焦油制备碳微球的研究

发布时间：2020-10-23 01:51

　　 碳微球是一类新型的碳材料,具有广阔的应用领域,其合成方法和合成原料多种多样。生物质焦油是生物质热解气化过程中产生的一种黑色、高粘度、有刺激性气味的混合物,具有成分复杂,对热解设备和环境危害性强等特点,是一类环境污染物。由于生物质焦油含有较多碳元素,因此可作制备碳材料的碳源。本课题以生物质焦油为碳源,利用浓硫酸的碳化作用,在相对较低温度和常压下制备碳微球材料,既为生物质焦油处理与资源化提供了一种新思路,也为碳微球的制备探索了 一种新方法。首先对所选用的生物质焦油原料进行离心、过滤等预处理和蒸馏、分馏,对其进行工业分析的同时对其组分进行了定性定量分析,发现此原料生物质焦油具有含水率较低(8.95%)、灰分低(0.57%)、挥发分高(80.9%)、热值高(30.69MJ/kg)等特点。此生物质焦油的主要成分是酚类物质,相对百分含量为39.09%,尤以间甲酚最多,达9.41%;其次为苯及其同系物,相对百分含量为18.2%。生物质焦油中含量最多的组分间甲酚作为特征污染物,以浓硫酸为碳化剂,制备碳材料,用元素分析、傅里叶变换红外光谱、X射线衍射、扫描电子显微镜对材料进行分析表征。发现产物主要含碳元素(56%左右)和O元素(32%左右)、另外还有S(3%左右)和H(9%左右)元素。产物所含官能团主要有羟基、酮羰基、苯环及磺酸基。产物碳石墨化度低,主要以非晶态碳存在。理想的碳纳米粒子为纳米尺度,直径在50 nm以下。探索了反应温度、反应时间、原料投加量、原料投加速率对反应产物的影响并探索最佳反应条件,发现在温度220 ℃、反应时间10 min、原料22.5 ml(浓硫酸250ml)、投加速率0.5 ml/min下制备的产品收率、形貌等综合性能最佳。以生物质焦油精制馏分为原料,以浓硫酸为碳化剂制备碳材料,用元素分析、傅里叶变换红外光谱、X射线衍射、扫描电子显微镜等表征手段对其进行表征,了解所制备碳材料的物理和化学性质。发现产物主要含有C元素(56%左右)和O元素(34%左右),还含有较少H(3%左右)和S(7%左右)。产物所含主要官能团为羟基、酮羰基、苯环、磺酸基及醚键。更改反应温度进行实验,探索反应温度对产物的影响,并探索出最佳反应温度260 ℃。对最佳反应条件的产物进行多手段表征及工业分析,发现其黑度达到高色素炭黑水平。生物质焦油在浓硫酸碳化作用下可制备出球形纳米碳材料,且具有较高应用潜力。
【学位单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.11
【部分图文】：

Ｗａｎｇｆ４５］等以蔗糖溶液为碳源在１９０°Ｃ下发生水热反应，并在氩气保护下对产物进??行高温碳化，得到１？５?ｐｍ单分散的实心碳球，并拥有０．４ｎｍ左右的微孔，同时发现??其储锂性能优异，由此提出图１－１所示反应机理。??ＣＨＰＨ?ＣＨ＾ＯＨ?Ｈ?ａ?ｂ??ＯＨ?ＯＨ?〇Ｈ?ＯＨ?＼?／??參‘?Ｔ戀??图１－１蔗糖水热碳化机理??Ｆｉｇ．１－１?Ｔｈｅ?ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌ?ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ?ｍｅｃｈａｎｉｓｍ?ｏｆ?ｓｕｃｒｏｓｅ??催化剂和还原剂均可用于将含碳材料转化为碳微球，例如，使用氯化碳源和金属??还原剂，在惰性气体下反应釜中加热可以产生碳微球。在多数情况下，高压釜使用的??是金属反应器，而反应器的材料可能在反应中起到催化作用。Ｑｉａｎ等［＃报道了利用二??茂铁作为催化剂催化裂解Ｃ２Ｃ１４的一种新型的空心和填充型碳微球的合成方法。在此??过程中，在８?ＭＰａ、５５０?°Ｃ条件下对碳源和二茂铁的混合物进行加热恒温。从该方法??得到的球体的直径约为３０？５８０?ｎｍ。??７??

?Ｈｉｔａｃｈｉ??２．１．３实验装置??如图２－１所示，生物质焦油蒸馏实验装置由恒温电磁搅拌加热器、三口烧瓶、蒸??馏头、直形冷凝管、尾接管、三角烧瓶、洗气瓶组成。??１３??

粘度大，流动性差且具有刺激性气味。??２．４．１蒸馏三相产物分布与馏程分布??如图２－２为生物质焦油蒸馏到３５０?°Ｃ时，气液固三相产物的质量百分数。??ＩＺＺ１气体??ＣＺ３液体??５６．１７％?□固体??４０．３４％??图２－２生物质焦油三相产率（３５０?°Ｃ）??Ｆｉｇ．２－２?Ｔｈｅ?ｔｈｒｅｅ?ｋｉｎｄｓ?ｏｆ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｂｉｏ－ｔａｒ?（３５０?°Ｃ）??由图可知，本实验所用生物质焦油经过预处理后蒸馏至３５０?°Ｃ，液体产物占??４０．３４％，固体产物占５６．１７％，不凝性气体占３．４９％。液体产物流动性变好，分两层，??１７??
【参考文献】

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本文编号：2852390