生物炭的原位改性及强化吸附机制研究
发布时间：2021-06-29 00:13
热解作为生物质热化学利用的重要途径之一,可获取合成气、生物油、生物炭等多种能源产品。生物炭能够有效应对环境污染等问题,对于未来世界的可持续发展有重要作用。现有的众多制备生物炭的方法中采用的活化剂大多不环保,且表面基团缺失,限制了其高价值应用,如吸附等。生物炭在水体中的吸附受两个主要因素影响,物理孔隙结构（比表面积）和表面化学特性（官能团）。本文首先采用低腐蚀性的绿色活化剂对生物炭孔隙进行原位改性,而后采用氮掺杂对炭表面化学性质进一步调控,并研究了该方式下改性生物炭的物化特性及其吸附性能。首先探究了绿色活化剂体系下原位活化生物炭的制备方法。研究了两种酸式盐碳酸氢钾（KHCO3）和草酸钾（K2C2O4·H2O）在不同温度下对生物炭的活化效果,温度越高生物炭的孔隙结构性能越好,微孔数量丰富。HCO3-1比C2O4-2更易分解产生CO2从而对生物炭的刻蚀作...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
全球能源消费量[1]
浙江大学硕士学位论文绪论2的多样化生产提供保障。由于生物质中固定的能量都是由自然能量转移到生态链中的，随着生态过程进行实现能量的储存和转移，最终以有机物的形式存在。在高效利用生物质资源的同时，生物质中的碳元素均来源于生态环境，在生物质利用生命周期过程中，可实现碳的零排放，从而在能源领域顺应中共中央发布的“十三五”规划：有效控制温室气体排放。因此，利用生物质资源，既可利用其能源属性，亦可利用其碳材料属性。此外，以C、H、O为主的生物质中含有的S和N元素较少，因而生成的SOX和NOX较少，更易在利用过程中将污染控制在较低标准[2]。据统计生物质的N含量为0.1-0.8%，S含量为0.1%[3]，煤的N和S含量分别为0.9-2%和0.4-20%。因此，利用生物质碳材料更加绿色环保。广义的生物质包含生态系统中所有的有机物，Bar-On等[4]统计了全球生态系统中的生物质分布情况（如图1.2），植物以450亿吨的碳储量位居首位，如果对其中的部分进行有效利用，将改善目前的能源结构，并节约碳资源。据估计全球每年有1460亿吨生物质资源，若以50%的效率利用其中的10%，将远超当今世界能源年消耗量[5]。生物质能种类繁多，来源广泛，除了各类的农林废弃物，还有城市生活垃圾、粪便和污泥、能源作物等，因此利用生物质能比其他新能源有更多的选择性[6]。中国生物质资源丰富，又是传统的农业大国，可将众多的农林废弃物转化成生物质能，同时避免与粮食作物产生竞争[7]。据分析，中国有潜力生产17.44-24.86亿吨农作物残渣作为生物质资源[8]，这些生物质资源可通过一定的生产转化方式得到高品位利用。比如在利用生物质能源的同时，将固态的生物炭转化成更高性能的碳材料。图1.2全球生物质碳含量[4]
浙江大学硕士学位论文绪论4图1.3生物质资源热化学转化为生物能源[13]通过生物质得到的燃气和燃油，在交通运输和工业制造、电力供应方面起到重要作用，从而对化石燃料起到重要的替代作用，生物质的化学转化过程中残余的富碳副产物，进一步改性成新型的碳材料，如活性炭、超级电容、合成材料等，用于土壤修复、水体净化、储能等领域。1.3生物质热解炭化生物质热解是常见的生物质利用方式，从上世纪80年代开始以缓解石油危机为目标大力发展而来的，它是将生物质置于惰性气氛下，在一定的温度下停留使生物质的三组分（纤维素、半纤维素、木质素）逐渐分解，产生合成气、生物油、生物炭的过程[18,19]，这个过程伴随有脱氧、裂解、芳构化、酮化、醛缩、加氢处理、重整等，化学反应如图1.4所示[18]。生物炭、合成气、生物油都是富含碳元素的产品，在工业生产中具有较高的应用价值。合成气的成分主要有CO2、CO、H2以及CH4等气态烷烃和烯烃；生物油以大分子有机基团物质为主，如烃类、有机酸、醇类、酮类、醛类、酚类、呋喃类、愈创木酚、糖类以及杂合氧化物等，且包含了多种无机元素，生物油的进一步加工可成为工业原料，投入到生产生活中；生物炭是热解之后剩余的固体残渣，以碳元素为主，可成为具有良好应用价值的碳材料[20]，通常应用如化学反应的载体、吸附剂等，由于其来源广泛、简单易得，且碳元素密度高，因此其材料学应用场景广阔。
本文编号：3255317
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
全球能源消费量[1]
浙江大学硕士学位论文绪论2的多样化生产提供保障。由于生物质中固定的能量都是由自然能量转移到生态链中的，随着生态过程进行实现能量的储存和转移，最终以有机物的形式存在。在高效利用生物质资源的同时，生物质中的碳元素均来源于生态环境，在生物质利用生命周期过程中，可实现碳的零排放，从而在能源领域顺应中共中央发布的“十三五”规划：有效控制温室气体排放。因此，利用生物质资源，既可利用其能源属性，亦可利用其碳材料属性。此外，以C、H、O为主的生物质中含有的S和N元素较少，因而生成的SOX和NOX较少，更易在利用过程中将污染控制在较低标准[2]。据统计生物质的N含量为0.1-0.8%，S含量为0.1%[3]，煤的N和S含量分别为0.9-2%和0.4-20%。因此，利用生物质碳材料更加绿色环保。广义的生物质包含生态系统中所有的有机物，Bar-On等[4]统计了全球生态系统中的生物质分布情况（如图1.2），植物以450亿吨的碳储量位居首位，如果对其中的部分进行有效利用，将改善目前的能源结构，并节约碳资源。据估计全球每年有1460亿吨生物质资源，若以50%的效率利用其中的10%，将远超当今世界能源年消耗量[5]。生物质能种类繁多，来源广泛，除了各类的农林废弃物，还有城市生活垃圾、粪便和污泥、能源作物等，因此利用生物质能比其他新能源有更多的选择性[6]。中国生物质资源丰富，又是传统的农业大国，可将众多的农林废弃物转化成生物质能，同时避免与粮食作物产生竞争[7]。据分析，中国有潜力生产17.44-24.86亿吨农作物残渣作为生物质资源[8]，这些生物质资源可通过一定的生产转化方式得到高品位利用。比如在利用生物质能源的同时，将固态的生物炭转化成更高性能的碳材料。图1.2全球生物质碳含量[4]
浙江大学硕士学位论文绪论4图1.3生物质资源热化学转化为生物能源[13]通过生物质得到的燃气和燃油，在交通运输和工业制造、电力供应方面起到重要作用，从而对化石燃料起到重要的替代作用，生物质的化学转化过程中残余的富碳副产物，进一步改性成新型的碳材料，如活性炭、超级电容、合成材料等，用于土壤修复、水体净化、储能等领域。1.3生物质热解炭化生物质热解是常见的生物质利用方式，从上世纪80年代开始以缓解石油危机为目标大力发展而来的，它是将生物质置于惰性气氛下，在一定的温度下停留使生物质的三组分（纤维素、半纤维素、木质素）逐渐分解，产生合成气、生物油、生物炭的过程[18,19]，这个过程伴随有脱氧、裂解、芳构化、酮化、醛缩、加氢处理、重整等，化学反应如图1.4所示[18]。生物炭、合成气、生物油都是富含碳元素的产品，在工业生产中具有较高的应用价值。合成气的成分主要有CO2、CO、H2以及CH4等气态烷烃和烯烃；生物油以大分子有机基团物质为主，如烃类、有机酸、醇类、酮类、醛类、酚类、呋喃类、愈创木酚、糖类以及杂合氧化物等，且包含了多种无机元素，生物油的进一步加工可成为工业原料，投入到生产生活中；生物炭是热解之后剩余的固体残渣，以碳元素为主，可成为具有良好应用价值的碳材料[20]，通常应用如化学反应的载体、吸附剂等，由于其来源广泛、简单易得，且碳元素密度高，因此其材料学应用场景广阔。
本文编号：3255317
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