一種纖維狀生物炭及其制備方法和應用

一種纖維狀生物炭及其制備方法和應用
【專利摘要】本發明提供了一種纖維狀生物炭的制備方法，其包括如下步驟：對紡織品進行預處理得到處理物，粉碎處理物后得到粉狀物，對粉狀物進行炭化得到纖維狀生物炭；本發明的制備方法能夠以廢舊的紡織品為原料，有利于實現廢物的資源化利用；另外，本發明的制備方法通過采用處理劑對紡織品進行預處理以及調節升溫速率和炭化溫度等措施提高了纖維狀生物炭的產率，從而得到了具有較高含碳量和較大的碘吸附值的纖維狀生物炭。
【專利說明】
-種纖維狀生物炭及其制備方法和應用
技術領域
[0001] 本發明屬于環境工程技術領域，設及一種纖維狀生物炭及其制備方法和應用。
【背景技術】
[0002] 人們的衣物多由紡織品制成。一方面，生產運些衣物的紡織廠每年會產生大量的 邊角料；另一方面，隨著人們衣物更新的加快，也會產生大量的廢舊衣物。若直接丟棄運些 邊角料或廢舊衣物，則不僅會造成環境污染，而且也會造成資源的浪費。因此，如何資源化 利用邊角料或廢舊衣物就成為亟待解決的課題。

【發明內容】

[0003] 本發明的主要目的在于提供一種纖維狀生物炭的制備方法，該方法不僅能夠對廢 舊的紡織品進行資源化利用，而且還能得到具有較高產率的纖維狀生物炭。
[0004] 本發明的另一個目的在于提供一種由上述的制備方法制成的纖維狀生物炭。
[0005] 本發明的第Ξ個目的在于提供一種上述的纖維狀生物炭的應用。
[0006] 為達到上述目的，本發明的解決方案是：
[0007] -種纖維狀生物炭的制備方法，其包括如下步驟：
[000引對紡織品進行預處理得到處理物，粉碎處理物后得到粉狀物，在反應系統中對粉 狀物進行炭化得到纖維狀生物炭和氣體，并使氣體回流至反應系統中。
[0009] 其中，上述的紡織品可W為含纖維的棉紡織品、含纖維的麻紡織品或者含纖維的 棉麻紡織品。
[0010] 上述的紡織品可W含有30-60wt%的棉，還可W含有20-45wt%的麻，也可W含有 30-60wt%的棉和20-45wt%的麻，余量為其它組分。
[0011] 上述的預處理包括如下步驟:將紡織品在80±10°C的處理劑中浸潰并不斷攬拌， 30 ± 1 Omin后擠出水分，于60 ± 10°C下熱風干燥，得到處理物。
[0012] 上述的處理劑是硝酸鹽和憐酸鹽:(1-3)的摩爾比組成的混合液。
[0013] 上述的處理物和/或粉狀物的含水率《10%，粉狀物的粒徑《20目。
[0014] 上述的炭化包括如下步驟:將粉狀物在惰性氣體的保護下W5-8°C/min的升溫速 率升溫至280-480°C，然后炭化0.5-化，得到纖維狀生物炭。
[0015] 上述的方法將產生的氣體回流至反應系統，然而，根據具體情況，也可W不進行上 述回流。
[0016] -種由上述的方法制備而成的纖維狀生物炭，其纖維長度為50-400μπι，纖維直徑 為2-20皿。
[0017] -種由上述的方法制備而成的纖維狀生物炭作為大氣污染物或水體污染物的吸 附劑的應用。
[001引由于采用上述方案，本發明的有益效果是：
[0019]首先，本發明的纖維狀生物炭的制備方法具有豐富的原料來源，可W為廢棄的紡 織品或者紡織廠在生產紡織品時產生的邊角料，不僅能夠節約煤、焦油w及木材等不可再 生資源，而且還有利于實現廢物的資源化利用。
[0020] 其次，本發明的制備方法通過采用處理劑對紡織品進行預處理W及調節升溫速率 和炭化溫度等措施提高了纖維狀生物炭的產率，從而得到了具有較高含碳量和較大的艦吸 附值的纖維狀生物炭。
[0021] 另外，現有技術的生物炭的制備方法往往只能夠得到生物炭，若要得到纖維狀生 物炭還需要對生物炭進行纖維化的過程，而本發明的制備方法W含纖維的紡織品為生產原 料來直接制備纖維狀生物炭，該纖維狀生物炭直接呈現纖維形態，故能夠省略對生物炭進 行纖維化的過程，大大簡化了工藝流程。
【附圖說明】
[0022] 圖1為含纖維的紡織品的電鏡圖。
[0023] 圖2為本發明實施例一的纖維狀生物炭的電鏡圖。
[0024] 圖3為表示生物炭產率的柱狀圖。
【具體實施方式】
[0025] 本發明提供了一種纖維狀生物炭及其制備方法和應用。
[0026] <纖維狀生物炭〉
[0027] -種纖維狀生物炭，其W紡織品為生產原料制成。紡織品可W為含纖維的棉紡織 品，也可W為含纖維的麻紡織品，還可W為含纖維的棉麻紡織品。紡織品中所含的纖維如圖 1所示。
[00%]含纖維的棉紡織品含有30-60wt %的棉;含纖維的麻紡織品含有20-45wt %的麻； 含纖維的棉麻紡織品含有30 - 60wt %的棉和20 - 45wt %的麻。
[0029] 本發明的纖維狀生物炭呈現纖維狀，在540倍電鏡下觀察，其纖維長度為50-400μ 111，纖維直徑為2-2〇111]1。
[0030] <纖維狀生物炭的制備方法〉
[0031] -種纖維狀生物炭的制備方法，其包括如下步驟：
[0032] (1)、預處理步驟：
[0033] 將紡織品在80±10°C的處理劑中浸潰并不斷攬拌，30±10min后擠出水分，然后于 60 ± 10°C下熱風干燥，得到處理物。
[0034] 其中，處理劑為硝酸鹽和憐酸鹽:(1-3)的摩爾比組成的混合液。
[0035] 硝酸鹽溶液的摩爾濃度可W為0.2-0.8mol/L，憐酸鹽溶液的摩爾濃度可W為0.1- 0.4mol/L。
[0036] 硝酸鹽溶液中含有的硝酸鹽可W為硝酸鋼或硝酸鐘，憐酸鹽溶液中含有的憐酸鹽 可W為憐酸鋼或憐酸鐘。
[0037] 本發明采用同時含有憐酸鹽和硝酸鹽的處理劑對紡織品進行預處理，其原因如 下：
[0038] 第一、憐酸鹽含有憐元素，硝酸鹽含有氮元素，二者均可作為無機阻燃劑，能夠降 低炭化的溫度，提高纖維狀生物炭的產率。
[0039] 第二、氮元素的存在能夠促進紡織品中的纖維在熱解時的脫憐酷和酸催化脫水反 應，憐元素的存在能夠促進紡織品在受熱時碳的生成，提高熱解階段產生的殘渣中纖維狀 生物炭的含量。
[0040] (2)、粉碎步驟：
[0041] 將步驟（1)所得的處理物粉碎為粒徑《20目的粉狀物，同時保證粉狀物的含水率 《10 %。若粉狀物的含水率〉10 %，則可W繼續進行熱風干燥，直至粉狀物的含水率《10 % 為止。
[0042] 本發明將處理物粉碎為粒徑《20目的粉狀物，其原因如下：
[0043] 第一、若粉狀物的粒徑大于20目，在相同條件下炭化不完全，終產物的顏色呈灰色 而不是黑色。
[0044] 第二、隨著粒徑的增大，炭化溫度也隨之增加。若粉狀物的粒徑大于20目，則需要 較高的炭化溫度，不經濟。
[0045] (3)、炭化步驟：
[0046] 將步驟（2)所得的粉狀物在惰性氣體的保護下W5-8°C/min的升溫速率升溫至 280-480°C，炭化0.5-化，得到纖維狀生物炭。
[0047] 其中，惰性氣體可W為氮氣。
[0048] 炭化是一個復雜的化學反應過程，是有機物的分解與縮合共同作用的化學轉化過 程，不僅包括大分子的化學鍵斷裂、異構化，也包括小分子的聚合反應。在炭化過程中，原料 中的纖維素、木質素等物質發生了熱解過程，產生一些小分子含碳有機物和無機物等物質， 例如生物炭（固相物質）、生物油(液相物質)和氣體(氣相物質），因此，炭化反應的產物為Ξ 相物質，其反應過程可W用下式進行表示:生物質(含有纖維素、木質素等生物炭+生物 油+氣體。生物油又稱為燃料油，其主要成分為醇類、酸類、酬類、酪類和燒控類等。氣體又稱 為燃料氣，其主要成分為此、C0、C02、CH4和/或N曲。本發明的其中一個目的是提高生物炭的 產率，減少生物油和氣體的產生。
[0049] 根據熱解炭化的原理，為了提高纖維狀生物炭（即固相物質）的產率，需要在較低 的升溫速率下進行，故結合設備的特點將升溫速率確定為5 - 8 °C /min。
[0050] 另外，雖然本發明采用低升溫速率，但還是會產生氣體。因為出口處的氣體溫度較 高，為了增加原料的傳熱系數和提高氮氣的溫度，可W將出口處的氣體通過氣累使其回流 到進口處，并隨著氮氣再次流經反應體系，由此，炭化過程產生的氣體隨著惰性氣體的流動 在整個反應系統中循環流動。
[0051] 為了實現炭化過程產生的氣體的循環流動，需要在反應系統的出口處和進口處分 別接Ξ通管，進口處的Ξ通管用于通入惰性氣體和回流的氣體，出口處的Ξ通管用于排出 待回流的氣體，進口處的Ξ通管和出口處的Ξ通管通過管道相連，管道上設置有氣累，氣累 用于使出口處的氣體W-定的壓力和流量回流至進口處。
[0052] 炭化反應的產物為Ξ相物質，為了提高固相物質（即纖維狀生物炭）的產率，本發 明從處理劑、升溫速率和氣體回流等方面進行綜合研究，將處理劑優選為硝酸鹽溶液和憐 酸鹽溶液:(1-3)的摩爾比組成的混合液，將升溫速率優選為5-8°C/min,同時使炭化反 應所產生的氣體隨著惰性氣體回流至反應系統中。
[0化3] 經過測定可知，本發明的纖維狀生物炭的產率為39-68%，含碳量為55-78%，艦吸 附值為3800-4500mg/g，并且Ξ者均與炭化反應的溫度有關，如表1所示。
[0054] 其中，纖維狀生物炭的產率為炭化反應所得到的固相物質（即小分子含碳有機物） 占原料的重量的百分比。
[0055] 纖維狀生物炭的含碳量是指纖維狀生物炭中的碳元素的含量，碳含量越高越有利 于碳儲存。具有較高含碳量的纖維狀生物炭不僅可W減少肥料的用量，還可W減少溫室氣 體的排放，對實現炭的減排將非常有意義。
[0056] 纖維狀生物炭的艦吸附值指的是制備出的纖維狀生物炭的吸附能力，說明該纖維 狀生物炭中微孔的發達程度，艦吸附值越高，對小分子物質吸附能力越強。
[0057] 表1纖維狀生物炭的性質與炭化反應溫度的對應關系表
[0化引 ____
[0059] 從表1可W得知，炭化溫度越高，纖維狀生物炭的產率越低，因為溫度越高，產生的 液體和氣體越多，相應產生的固體就越少。
[0060] 炭化溫度越低，纖維狀生物炭的產率越高，然而，炭化溫度越低，炭化就越不完全， 使得終產物中含有部分未炭化原料，從而終產物的顏色呈灰色而不是黑色;另外，炭化溫度 越低，艦吸附值也相應變小，說明生物炭吸附能力減小，所W炭化溫度確定為280-480°C，可 W 優選為 300-450 °C。
[0061] <纖維狀生物炭的用途〉
[0062] 本發明的纖維狀生物炭可W用于作為大氣污染物或水體污染物的吸附劑，運是因 為纖維狀生物炭具有較高的艦吸附值，說明其具有發達的微孔和很強的吸附能力。
[0063] 另外，本發明制得的纖維狀生物炭也含有含鐘、鋼等元素，可直接應用于植物栽 培、±壤改良或±壤保水等領域，或者吸附污染物后再應用于植物栽培、±壤改良或±壤保 水等領域。
[0064] W下結合對比例和實施例對本發明作進一步的說明。
[0065] 對比例
[0066] 本對比例提供了一種纖維狀生物炭的制備方法，其包括如下步驟：
[0067] 將3.8727g紡織品粉碎為粒徑《20目的粉狀物，進行干燥直至粉狀物的含水率《 10%，然后將該粉狀物在氮氣的保護下W5°C/min的升溫速率升溫至350°C進行炭化，炭化 時間為1.化，得到1.3167g纖維狀生物炭。
[0068] 由此可知，本對比例的纖維狀生物炭的產率為(1.3167/3.8727 X 100 % > 34%)，含碳量為53%(通過元素分析儀測得），艦吸附值為3154mg/g。艦吸附值是根據GB/ T12496.8-1999《木質活性炭試驗方法艦吸附值的測定》進行測定的，因為生物炭和活性炭 的性質是非常相似的，只是孔徑的分布發生了變化，生物炭是制備活性炭的基礎；同時紡織 品也含有大量纖維素類成分，所W可采用木質國標。
[0069] 實施例一
[0070] 本實施例提供了一種纖維狀生物炭的制備方法，其包括如下步驟：
[0071] (1)、將4.685：3g紡織品置于80°C的處理劑中浸潰并不斷攬拌，30min后擠出水分， 然后于60°C下進行熱風干燥，得到處理物；
[0072] (2)、將步驟（1)所得的處理物粉碎為粒徑《20目的粉狀物，繼續于60°C下進行熱 風干燥直到粉狀物的含水率《10% ;若含水率已經《10%，則不必再進行熱風干燥；
[0073] (3)、將步驟(2)所得的粉狀物在氮氣的保護下W5°C/min的升溫速率升溫至350°C 進行炭化，炭化時間為1.化，得到2.1459g纖維狀生物炭(如圖2所示）。
[0074] 其中，在步驟（1)中，處理劑是硝酸鹽溶液和憐酸鹽溶液Wl:l的摩爾比組成的混 合液。
[0075] 經測定得知，本實施例的纖維狀生物炭的產率為49%，含碳量為69%，艦吸附值為 4474mg/g。由此可W得知，經過預處理后，纖維狀生物炭的產率有了大幅度地提高。
[0076] 發明人也在40(TC進行了炭化（其他條件與實施例一相同），所得的結果如圖3所 示。圖3的縱坐標表示生物炭的產率，分為有處理劑組和無處理劑組，每組的炭化溫度又分 別為 350°C 和400°C。
[0077] 由圖3可知，在同一炭化溫度(350°C或400°C)下，有處理劑組生物炭的產率高于無 處理劑組的生物炭的產率。其中，在350°C的炭化溫度下，有處理劑組生物炭的產率為49%， 比無處理劑組的生物炭的產率高15%;在400°C的炭化溫度下，有處理劑組生物炭的產率為 44%，比無處理劑組的生物炭的產率高20%。
[0078] 由圖3可知，無論是否使用處理劑對原料進行處理，隨著炭化溫度的升高，生物炭 的產率是下降的。
[0079] 上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和使用本發 明。熟悉本領域技術的人員顯然可W容易地對運些實施例做出各種修改，并把在此說明的 一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限于上述實施例， 本領域技術人員根據本發明的掲示，不脫離本發明范疇所做出的改進和修改都應該在本發 明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種纖維狀生物炭的制備方法，其特征在于:包括如下步驟： 對紡織品進行預處理得到處理物，粉碎所述處理物后得到粉狀物，對所述粉狀物進行 炭化得到纖維狀生物炭。2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于:所述紡織品為棉紡織品和/或麻紡織品。3. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于:所述紡織品含有30-60wt%的棉，和/或，含 有20-45wt%的麻。4. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于:所述預處理包括如下步驟:將所述紡織品 在80 ± 10°C的處理劑中浸漬并不斷攪拌，30 ± lOmin后擠出水分，于60 ± 10°C下熱風干燥， 得到所述處理物。5. 根據權利要求4所述的方法，其特征在于:所述處理劑是硝酸鹽和磷酸鹽以1: (1 - 3) 的摩爾比組成的混合液。6. 根據權利要求4所述的方法，其特征在于:所述處理物和/或所述粉狀物的含水率< 10%〇7. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于:所述粉狀物的粒徑<20目。8. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于:所述炭化包括如下步驟:將所述粉狀物在 惰性氣體的保護下以5-8°C/min的升溫速率升溫至280-480°C，然后炭化0.5-2h，得到所述 纖維狀生物炭。9. 一種由權利要求1至8任一所述的方法制備而成的纖維狀生物炭，其特征在于:所述 纖維狀生物炭的纖維長度為50-400μπι，纖維直徑為2-20μπι。10. -種由權利要求1至8任一所述的方法制備而成的纖維狀生物炭作為大氣污染物或 水體污染物的吸附劑的應用。
【文檔編號】C02F1/28GK105970359SQ201610289919
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月4日
【發明人】謝偉雪, 趙由才, 劉孝敏, 李杭芬, 曾超, 羅安然, 周濤, 牛冬杰, 柴曉利
【申請人】同濟大學