【研究】废弃生物质中的活性炭（一）

发布日期：2019-02-20 14:36 来源：活性炭网作者：活性炭网浏览数：

1.简介由于许多国家的环境要求和新的应用领域，对活性炭的需求仍在增长。由于许多国家没有主要基本材料如硬煤，木材或椰子壳，因此测试了其他生物质物质对活性炭生产的适当性

1.简介

由于许多国家的环境要求和新的应用领域，对活性炭的需求仍在增长。由于许多国家没有主要基本材料如硬煤，木材或椰子壳，因此测试了其他生物质物质对活性炭生产的适当性。

该实验工作的目的是将废生物质转化为活性炭。秸秆，橄榄石，坚果壳，咖啡渣和废谷物等废弃生物质分两步热转化。首先，生物质在氮气氛中在500℃-600℃下进行热解过程。气态和液态热解产物可以在能量上用于加热设施或用于发电。

其次，固体残余物炭在蒸汽气氛中在800℃-1000℃的活化过程中处理，以增强炭表面积，其通过标准BET法分析。表面积的增加取决于生物质的类型和活化参数。在实验室规模的设施中研究了生产方法，而设计了中试规模的反应器，用于将不连续活化过程转变为连续生产过程。

许多作者研究了使用农业副产品生产活性炭以及灰分含量，热解和活化条件对活性炭质量的影响。稻草的高灰分含量使得难以获得足够高的表面积（Ahmedna等，2000）。在（Yun等人，2001）中讨论了稻草在CO ₂气氛中的一步和两步热处理的影响。两步处理导致比一步处理更高的表面积，这对应于自身的结果。在CO ₂气氛中较高的物理活化温度导致孔扩大，这导致中孔的增加。通过使用诸如蒸汽或CO ₂的氧化气体的物理活化导致具有低表面积的碳，而化学活化增强碳表面积（Ahmedna等，2000）。研究了稻壳和稻草的化学活化（Guo等，2002; Oh＆Park，2002）。用KOH或NaOH浸渍大米前体增强了表面积。此外，可以降低活化温度。用NaOH等碱性溶液洗涤稻草可以降低灰分含量，如表1所示（Huang et al。，2001）。预处理稻草的碳化和活化导致比未处理的稻草物质更高的表面积，但仅在一定的洗涤时间和温度范围内，因为木质素和半纤维素的溶解也导致秸秆碳的减少内容（Finch＆Redlick 1969 ; Sun et al.2001）。在（Di Blasi等人，2000 ; Jensen等人，2001a，2 001b）中也讨论了秸秆物质的灰分提取。来自橄榄石和其他废弃生物质物质的活性炭在（Daifullah＆Girgis，2003）中给出。通过在热处理之前使用磷酸可以获得高孔隙率。橄榄石作为前体也在研究中（El-Sheikh等，2004）。他们指出了它们的碳的微孔结构，它们在蒸汽和CO ₂气氛中都被激活。用过氧化氢预处理橄榄石对孔隙率和表面积有负面影响。在（Gonzalez，1994 ;Molina-Sabio，1996）中研究了气体气氛对橄榄石焦炭中中孔形成的影响。CO ₂活化导致比蒸汽活化更大的微孔体积。在这里，扩孔是主要的效果。与CO ₂活化相比，橄榄石与ZnCl的化学活化导致具有大量微孔的更高表面积（Lopez-Gonzalez，1980）。具有高表面积的高度微孔的碳通过榛子，核桃和杏仁壳以及杏石的化学活化产生（Aygün，等人，2003）。通过物理和化学活化在（Wu等人，2005）中研究了开心果壳和杉木。（Sütcü和Demiral，2009）报道了化学活化以及KOH和NaOH对枇杷石微孔形成的影响。用KOH获得高表面积，并且化学试剂的增加导致表面积的增加。热解条件对孔隙产生的影响通过在氮气和真空下热解油棕壳来研究（Qipeng＆Aik，2008）。结果表明，真空热解可以避免孔隙堵塞，从而产生更高的表面积。粘合剂和压制条件对粒状活性炭生产的影响在（Ahmedna等，2000 ;Pendyal等，1999）中得到了解决。来自甘蔗和甜菜，玉米糖浆和煤焦油的农业副产品的秸秆物质和粘合剂在热解和CO ₂活化之前混合并压制。作为粘合剂的糖蜜导致活性炭的硬度和灰分含量低于玉米糖浆或煤焦油。

化学活化也导致具有高表面积的高微孔活性炭，这项工作考虑了蒸汽活化，这被认为是技术用途的低成本方法。

2.生物质热解和焦炭活化的实验方法

关于热解和活化废弃生物质物质的实验在实验室规模的设施中进行。这些小型设备的优点是实验可以非常快速地运行而无需长时间的加热时间和一个操作人员。只需要少量的生物质，操作条件可以很容易地改变。由于废气流量低，在气体清洁过程中不需要做太多努力。在激活设施中计算出最佳炭停留时间的筛选试验是一天或两天的工作，产量为6-10个数据点。对热解和活化活性的详细描述了实验室规模的实验。

2.1。生物质特性

为了从废物生物质中产生活性炭，研究了超过12种不同的废物生物质物质。表1中给出了一些研究类型的生物质的性质。

	C	H	该	ñ	小号	氯	灰*	H2O
稻草未经处理	39.6	4.6	36.4	0.7	0.1	0.2	18.3	8
稻草经过预处理	42.4	5.9	纳米	0.76	纳米	纳米	3.6	没有
橄榄石	48	5.6	纳米	<1	纳米	纳米	5	4
小麦秸秆	44.1	6	44.9	0.5	0.2	0.7	7.9	9.8
小麦秸秆颗粒	43.1	5.9	45.5	1	纳米	纳米	~8	6.5
核桃壳	50.7	6	纳米	纳米	纳米	纳米	0.9	10.7
开心果壳	43.7	5.9	纳米	纳米	纳米	纳米	0.8	干

表格1。

基于干物质的不同类型生物质的元素分析（wt％）。*附录C.7碱沉积物调查样品生物质发电厂中发现的碱沉积物：其范围和性质的初步调查国家可再生能源实验室分包合同TZ-2- 11226-1; nm：未测量

2.2。实验室规模的热解

热解实验在“口袋”反应器中进行，该反应器最初设计用于快速热解实验并且再转化为慢速热解。以5-10K / min的低加热速率加热生物质被认为优于活性炭生产的快速加热速率。反应器的方案如图1所示。

图1。

热解反应器的方案。四个口袋并联连接，并用电加热器包裹。口袋的宽度为5毫米。

口袋一共装满了约100克生物质。通过热氮气流加热进料，另外通过电加热器加热，电加热器固定在每个袋的壁上。热解温度是变化的，但它对活性炭的质量只有很小的影响，因为生物质在热解后没有完全脱挥发分。原因是活化发生在比热解更高的温度下，因此在活化步骤中已经实现了整个脱挥发分。不完全热解的缺点是在活化步骤中产生的一些油需要额外的冷却和过滤系统。将初级热解气体在气体冷却器中冷却至5℃并收集油以将它们用作生产粒状活性炭的粘合剂材料。在实验运行之后，将炭从口袋中取出并建立质量平衡。

所研究的生物质物质的热解产物焦炭，焦油和气体的总量在表2中给出：

生物质能	Char [wt％dm]	焦油[wt％dm]	气体[wt％dm]
稻草	27	40	33
稻草洗*	19	30-40	50-40
小麦秸秆	28	22	50
小麦秸秆颗粒	32	33	35
橄榄石坠毁了	30	49	21
开心果壳	29	36	35
核桃壳	31	29	40
椰子壳	33	40	27
咖啡渣	23	53	24
花了粮食	29	20	51
榉木（525°C）+	24	46	30
椰子压渣	27	51	22
强奸种子	17	63	20

表2。

基于干生物质物质的热解产物的产率。热解温度为600℃，加热速率为10K / min。^*基于水洗和干燥的稻草。⁺热解温度为525℃。

加热速率对热解产物收率的影响如表3所示。对于一些生物质物质，热解温度设定为600℃，而加热速率为30K / min。

生物质能	Char [wt％dm]	焦油[wt％dm]	气体[wt％dm]
稻草洗净了	24	36	40
小麦秸秆颗粒	31	25	44
开心果壳	24	54	22

表3。

热解产物的产率。热解在600℃下进行，加热速率为30K / min。

如表2和3所示，如果加热速率增加，则焦油产率增加，而焦炭产率略微降低。从在热电联产装置中使用焦油/油用于能量生产的方面来看，更高的加热速率更合理。热解加热速率对活性炭表面积的影响在该范围内是微不足道的。在加热速率超过250K / min时可以检测到对活性炭质量的负面影响。出于优化原因，液体热解产物的量和质量可以是更高加热速率的决定标准。

2.3。实验室规模激活

活化实验在安装在烘箱中的反应管中进行。激活实验室规模设施的方案如图2所示。

图2。

活化反应器的方案。反应管可以通过蒸汽流通过。插入炭的情况具有多孔底部并且可以从管中移除。

活化反应器由管式炉组成，可加热至1100℃。在炉子内部插入一个底部带有小壳体的管子。箱子包含炭并且具有多孔底部以确保进入的气体（氮气或蒸汽）流过炭床。管可以从烤箱中取出。在实验开始时，将5-10g焦炭插入具有多孔底部的壳体中。然后将箱子固定在管子上。然后将管插入热炉中并将炭保持在氮气氛下。当达到所需的焦炭温度时，用蒸汽流代替氮气流。在几分钟的反应时间后，关闭蒸汽流，将管从反应器中取出并在氮气氛下冷却至环境温度。记录焦炭块并从壳体中取出焦炭样品进行表面分析。将剩余的焦炭再次插入烘箱中，持续下一个时间间隔。以这种方式，炭的表面积可以记录为转化率的函数，即实际焦炭质量/初始焦炭质量。

在热蒸汽气氛中，炭被部分氧化，这导致焦炭质量的损失和气态产物如H ₂，CO和CO _2的产生。由于在600℃下不完全热解，在焦炭的加热间隔期间产生更高量的气态长链烃。就能量利用而言，这些气体可能是有意义的，以提高活性炭生产链的经济性。提高废气热值的一种方法可以是（Hornung等，2009a ; Hornung等，2009b）中报道的催化重整过程。

蒸汽气氛下部分氧化的结果，其在示出的焦炭的表面积增加图3 - 14通过化学反应在蒸汽气氛创建的表面积达到最大。由于缺乏碳，较高的焦炭转化率导致表面积减小。在最后阶段，只剩下灰烬。

表4中给出了稻草和橄榄石中保留在最大表面积的一些焦炭产量。

时间[分钟]	稻草[wt％] 法。温度：800°C	橄榄石[wt％] 法案。温度：750°C
30	55	70
45	50	60
60	45	50
90	40	30

表4。

基于干燥的初始焦炭质量，焦炭产率作为不同生物质物质的活化时间的函数。

2.4。表面测量 - BET法

热解炭和活性炭的表面积通过标准BET法（Bunauer，Emmett，Teller）用来自Quantachrome Partikelmesstechnik GmbH的自动操作测量技术NOVA 4000e测量。炭在氮气氛中在液氮的沸腾温度下暴露。在颗粒表面上以单层吸附的氮分子的量指定表面积。此外，使用该技术进行孔径分析和孔体积测量（Klank，2006）。