稻壳基高性能纳米白炭黑的制备研究及其碳足迹分析
发布时间：2020-04-27 14:55
【摘要】：生物质能是一种理想的清洁可再生能源,具有二氧化碳零排放、绿色环保等特点,开发和利用生物质能源对减缓温室效应,减少大气污染,缓解能源压力具有重要意义。稻壳这一农业废弃物的高值化利用不仅可以解决大量农业废弃物的污染问题,还可以为社会创造更多的财富,有助于缓解环境问题和能源危机。稻壳由于富含天然无定型结构Si02,是制备目前应用最广泛和工业化产量最大的无机纳米材料一纳米白炭黑的理想材料。传统稻壳基白炭黑及纳米白炭黑的制备方法存在着产品性能单一、产品纯度低、粒径粗大、易于团聚等问题,尤其是产品粒子的团聚与分散问题是目前纳米白炭黑应用研究中的难点和热点。针对以上问题,本文开展了一系列的研究,以实现稻壳基纳米白炭黑产品的规模化生产和稻壳资源的高值化、资源化利用。首先,基于稻壳中硅质成分利用时稻壳的活性问题,研究了几种前处理方法(酸浸、研磨以及新提出的水浸泡处理)对稻壳金属杂质脱除和有机成分热分解行为的影响,并进行了热重和热解动力学分析,为后续稻壳基纳米白炭黑的制备方法提供理论依据。其次,针对传统热处理法产品纯度低的问题,对传统热处理法进行了改良,获得了纯度高达99.9%的高纯纳米白炭黑产品,所得产品的基本物性参数符合甚至优于气相二氧化硅,阐明了高温热处理、水浸泡处理、研磨等过程的作用机理,弥补了热处理法相关理论的缺失。研究指出,热处理温度对产品纯度的影响最大,在610℃左右最有利于高纯白炭黑产品的获取,温度过低,产品含碳量高,温度过高则会使裂解产物中一部分的自由碳取代O与Si成键,形成[Si(O,C)4]结构,破坏原有的[SiO4]结构,降低纳米二氧化硅产品的硅含量。水浸泡预处理过程的采用可以很大程度上去除稻壳中的金属杂质,破坏稻壳原有的碳骨架,降低盐酸的消耗,间接提高产品质量。再次,在改良热处理法的基础上,利用热解炭黑对SiO2表面羟基层的屏蔽分散原理,开发了惰性气氛CO2/N2预热解结合O2慢速氧化的两步热处理制备纳米白炭黑的新方法,实现了纳米白炭黑产品孔隙结构、粒径和纯度的定向调控,解决了传统热处理法所得产品性能单一的问题。研究发现,通过控制热解气氛和温度,可以控制炭黑的体积收缩速度和稻壳孔隙的气体分压,进而调控产品的孔隙特性、纯度、粒径等。成功地制备了一系列具有不同纯度和孔隙特性的纳米白炭黑产品,所制得产品的纯度范围为95.8-99.6%,比表面积范围为204.3-352.6 m2/g,总孔体积范围为0.3513-0.5228cm3/kg,粒径在5-20 nm之间。热处理法制得的产品为亲水型化合物,表面存在大量亲水性羟基,在有机溶剂中容易聚集,难于分散,容易造成材料间界面的缺陷,从而限制了它的广泛应用。因此,为了获得疏水型、高分散的纳米白炭黑产品,本文基于空穴爆炸和双电荷理论,开发了高压均质、表面活性剂、真空冷冻干燥纳米粉体分散技术一体化联合应用的新方法,成功地制备了高分散、高纯度和高透明性的纳米白炭黑粉体,同时解决了传统沉淀法中形成二次粒子和干燥过程中的团聚问题。研究阐明了高压均质、表面活性剂、真空冷冻干燥对产品的分散作用机理,得到了制备水玻璃的优化碱溶条件和制备纳米白炭黑产品的优化沉淀条件,所得粉体的DBP吸油值高达3.67 m1/g,纯度高达98.9%(500℃灼烧后),白度高达98.8%,平均粒径约为35-40 nm。最后,利用全生命周期评价方法对稻壳基纳米白炭黑产品进行了碳足迹分析,并与工业沉淀法白炭黑产品进行了环境协调性对比分析,从而寻求优化工艺、提高环境效益的系统过程。研究表明,以稻壳为原料制备纳米白炭黑产品的C02排放量、全球变暖潜值和烟尘灰潜值明显低于工业沉淀法白炭黑产品,对降低温室气体排放,减缓气候变暖和降低空气中的PM2.5与PM10含量,缓解雾霾具有非常重要的作用。
【图文】：
逦绪论逡逑间有纵横交错的板片，含有大量的内径大约为几个微米的蜂窝孔。对板片的断面（图１－２Ｃ）逡逑放大观察发现，构成蜂窝孔的薄片和薄板上还含有大量由Ｓｉ凝胶粒子非紧密粗聚而形成逡逑的直径小于５０邋ｎｍ的孔隙，，也正是这些纳米级Ｓｉ凝胶粒子和纳米尺度空隙的存在使得稻逡逑壳灰比表面积较大且火山活性高。逡逑ＨＥ逡逑漏逡逑ＫＳＷＨＥ９ＨＳＳ９ＫＳＨＩＳＢ３Ｓ９ＢＩ邋ＫＺ３ＨＨＨＨＥ３ＢＥＳＫ３Ｓｉｉｉ＾Ｋ３ＳＳ３Ｈｌ逡逑图１－２稻壳巧的微观形貌图逡逑１．４稻壳中s曛食煞值睦缅义先死喽缘究堑挠τ糜衫匆丫茫缭冢保埃埃岸嗄甑闹泄究羌壕挥米魅剂先忌詹儒义希鬃龇埂⑸账Ｓ嗟幕仪梢脖环堤锏弊龇柿希钦庵执址攀降睦梅绞侥芰坷寐实停义锨已坛敬蟆⒒曳帧丁Ｋ孀湃嗣腔繁Ｒ馐兜募忧浚⒊隽硕嘀指咝А⒙躺繁５牡究抢缅义霞际酰沟玫究窃谀茉础⒔ㄖ⑴┮怠⑹称贰⒒ぃ保蓿荆盎繁５攘煊蛴辛斯惴旱挠猛尽Ｍ煎义希保痴故玖说綳虻募钢种饕硎侄危准跋嘤Φ牟泛筒返挠τ猛揪丁ｅ义希村义
本文编号：2642373
【图文】：
逦绪论逡逑间有纵横交错的板片，含有大量的内径大约为几个微米的蜂窝孔。对板片的断面（图１－２Ｃ）逡逑放大观察发现，构成蜂窝孔的薄片和薄板上还含有大量由Ｓｉ凝胶粒子非紧密粗聚而形成逡逑的直径小于５０邋ｎｍ的孔隙，，也正是这些纳米级Ｓｉ凝胶粒子和纳米尺度空隙的存在使得稻逡逑壳灰比表面积较大且火山活性高。逡逑ＨＥ逡逑漏逡逑ＫＳＷＨＥ９ＨＳＳ９ＫＳＨＩＳＢ３Ｓ９ＢＩ邋ＫＺ３ＨＨＨＨＥ３ＢＥＳＫ３Ｓｉｉｉ＾Ｋ３ＳＳ３Ｈｌ逡逑图１－２稻壳巧的微观形貌图逡逑１．４稻壳中s曛食煞值睦缅义先死喽缘究堑挠τ糜衫匆丫茫缭冢保埃埃岸嗄甑闹泄究羌壕挥米魅剂先忌詹儒义希鬃龇埂⑸账Ｓ嗟幕仪梢脖环堤锏弊龇柿希钦庵执址攀降睦梅绞侥芰坷寐实停义锨已坛敬蟆⒒曳帧丁Ｋ孀湃嗣腔繁Ｒ馐兜募忧浚⒊隽硕嘀指咝А⒙躺繁５牡究抢缅义霞际酰沟玫究窃谀茉础⒔ㄖ⑴┮怠⑹称贰⒒ぃ保蓿荆盎繁５攘煊蛴辛斯惴旱挠猛尽Ｍ煎义希保痴故玖说綳虻募钢种饕硎侄危准跋嘤Φ牟泛筒返挠τ猛揪丁ｅ义希村义
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