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基本信息
- 項目名稱：
- 廢棄稻殼制備高吸附性多孔炭及碳/硅復(fù)合物
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 以稻米加工業(yè)副產(chǎn)物稻殼為原料，采用分段式真空燒結(jié)法制備了一系列不同比表面積（340-1660m2/g）及灰分含量（1-50%左右）的多孔炭和碳/硅復(fù)合物。該系列多孔稻殼炭材料對金屬離子、有機染料和食品色素具有優(yōu)異的吸附性能，其亞甲基藍吸附值達到320mL/g,遠高于國家標(biāo)準(zhǔn)。對Fe（Ⅲ）的吸附量達到2836mg/g，對含鉛、鉻廢水中Pb（Ⅱ）和Cr（Ⅵ）的去除率都達到85%以上。
- 詳細介紹：
- 稻殼是稻米加工中的最大副產(chǎn)物，約占稻谷籽粒重量的18%～22%。我國年產(chǎn)稻谷2億噸以上，加工后可得稻殼約0.4億噸。開展稻殼的綜合利用研究對實現(xiàn)糧食產(chǎn)業(yè)高效增值，發(fā)展節(jié)能環(huán)保的循環(huán)經(jīng)濟具有重要的經(jīng)濟和社會意義。 隨著工業(yè)的發(fā)展，對多孔吸附材料的需求日益增多，其中活性炭材料由于具有吸附容量大，機械強度高，耐酸堿，不溶于水和有機溶劑等特點，廣泛用于食品、化工、醫(yī)藥、生物工程以及環(huán)保等領(lǐng)域。稻殼屬木質(zhì)纖維素材料，與現(xiàn)有制備活性炭的原料煤、木材和果殼相比，稻殼具有來源穩(wěn)定廣泛，成本低廉，有害雜質(zhì)含量極低的優(yōu)點，是制備活性炭的良好碳源。但由于稻殼中含有大約20%的無機物（主要是二氧化硅），因此制備的活性炭往往灰分較高。有研究報道采用強堿高溫活化法可以去除二氧化硅制備低灰分活性炭，但收率降低，成本大大提高。 本作品立足于充分利用全稻殼資源，以獲得吸附性能優(yōu)異的多孔材料為目標(biāo)，通過工藝控制，制備出不同灰分含量的活性炭（灰分小于4%）和碳/硅復(fù)合物（灰分大于4%）。研究采用了分段式真空燒結(jié)法，先將稻殼在低溫下預(yù)炭化，再以堿性試劑浸泡處理預(yù)炭化稻殼，去除一定比例的二氧化硅，然后采用真空燒結(jié)獲得多孔炭材料。與傳統(tǒng)制備活性炭的高溫?zé)Y(jié)與高溫活化兩步處理法相比，本工藝能耗低，生產(chǎn)時間短，通過控制堿處理和真空燒結(jié)條件，可以根據(jù)應(yīng)用的需要制備出不同比表面積和灰分含量的多孔炭材料，工藝可控性強。 本作品制備的活性炭的比表面積約為670～1660m2/g，碳/硅復(fù)合物的比表面積約為340-770 m2/g?；钚蕴亢偷突曳郑ǎ?5%）碳/硅復(fù)合物的亞甲基藍吸附值分別達到了320mL/g和230mL/g，都優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)（120mL/g）和市售的一級活性炭（130mL/g）；而碘吸附值也分別達到1652mg/g和1387mg/g，遠高于國家標(biāo)準(zhǔn)（500mg/g）。高灰分（＞15%）的碳/硅復(fù)合物亞甲基藍吸附值均大于70mL/g，碘吸附值均大于500mg/g，仍然可以用作吸附劑材料。同時由于保留了部分二氧化硅，因此得率大大提高，有利于降低吸附劑產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。 以不同比表面積和灰分含量的多孔炭材料作為吸附劑對金屬離子和食品色素進行吸附實驗，結(jié)果表明Fe（Ⅲ）的吸附容量可以達到2836mg/g，含100ppm 重鉻酸根離子的廢水中Cr（Ⅵ）的去除率達到85%以上，含600ppm鉛離子廢水中Pb（Ⅱ）的去除率可以達到89%，葉綠素的脫除率也達到86%。具有不同的孔結(jié)構(gòu)和比表面積的稻殼基活性炭和碳/硅復(fù)合物可以適應(yīng)不同行業(yè)對吸附劑材料的需要，其吸附作用機理還有待于進一步探索。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的：立足于資源的綜合利用和節(jié)能環(huán)保的原則，充分利用稻殼開發(fā)性能優(yōu)異的高附加值吸附劑產(chǎn)品，拓展我國農(nóng)產(chǎn)品深加工應(yīng)用領(lǐng)域。 思路：采用分段式真空燒結(jié)法，先將稻殼預(yù)炭化，再經(jīng)堿處理后真空燒結(jié)獲得多孔炭材料。通過控制燒結(jié)和堿處理條件，制備出不同灰分的活性炭和碳/硅復(fù)合物。利用靜態(tài)氮吸附儀測定多孔炭材料的比表面積、孔容，確定燒結(jié)條件對多孔材料結(jié)構(gòu)的影響；利用分光光度法測定多孔炭材料對于金屬離子、有機染料及食品色素的吸附作用。 創(chuàng)新：1原料：使用豐富廉價、有害雜質(zhì)含量極低的稻殼為碳源，開辟了廢棄生物質(zhì)資源高效利用的新途徑；2工藝：將傳統(tǒng)工藝的燒結(jié)與活化集于一步完成，工藝簡便能耗低；3產(chǎn)品：包括不同灰分含量的多孔炭和碳/硅復(fù)合物，產(chǎn)品得率高，成本低，吸附效果優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)和市售的一級活性炭，用戶對產(chǎn)品的選擇性更強。 技術(shù)關(guān)鍵：1預(yù)炭化工藝的選擇；2堿處理預(yù)炭化稻殼工藝優(yōu)化；3真空燒結(jié)形成多孔結(jié)構(gòu)。 技術(shù)指標(biāo)：1比表面積：活性炭 670 -1660m2/g；碳/硅復(fù)合物340-770m2/g；2碳/硅復(fù)合物的灰分4-50%；3吸藍值：活性炭320mL/g，碳/硅復(fù)合物＞70mL/g ；4吸碘值：活性炭1650 mg/g，碳/硅復(fù)合物＞550mg/g；5吸附效果: Fe3+吸附量2836mg/g；含100ppm 重鉻酸根離子的廢水Cr（Ⅵ）去除率＞85%；含600ppm鉛廢水Pb2+去除率＞85%；葉綠素的脫除率達86%。
科學(xué)性、先進性
- 科學(xué)性：稻殼中含有80%的有機物，是良好的廉價碳源，但其中還含有20%的無機物（主要是SiO2），吸附劑的性能并非僅與比表面積成正相關(guān)，還取決于孔徑以及表面官能團性質(zhì)等多種因素，因此，保留部分SiO2并不影響其多孔結(jié)構(gòu)，甚至對其吸附性能有所提高。本作品采用分段式真空燒結(jié)法配合堿性試劑處理，去除部分SiO2，制得含硅量不同的活性炭和碳/硅復(fù)合物系列產(chǎn)物，其制備原理和實驗操作都是科學(xué)可行的。 先進性：國內(nèi)外稻殼制備活性炭的研究有文獻報道，但都是采用高溫炭化，強堿煮沸后再高溫活化的方法，其工藝復(fù)雜，能耗高，得率低，很難實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。本作品以充分利用全稻殼資源為出發(fā)點，將燒結(jié)與活化集于一步完成，通過堿處理可控去除部分SiO2，采用真空燒結(jié)有利于小分子揮發(fā)，可快速形成理想的孔隙結(jié)構(gòu)，制備的活性炭和碳/硅復(fù)合物對金屬離子、染料和食品色素具有優(yōu)異的吸附性能，從原料到產(chǎn)品，做到了低成本、易制作、高效益。根據(jù)查新報告，目前對于稻殼真空燒結(jié)法制備活性炭及碳/硅復(fù)合物的研究尚未見公開報道。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 原料由實驗室制備，已通過企業(yè)實驗驗證。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 合作開發(fā)或?qū)＠D(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 圖片、樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 與現(xiàn)有吸附劑產(chǎn)品使用方法相似，可用無紡布包裝，或者填充到玻璃、金屬吸附柱中，用于飲用水凈化，食品、化工、生物制藥領(lǐng)域的產(chǎn)品純化精制等。 技術(shù)特點和優(yōu)勢：活化與燒結(jié)一步完成，工藝簡化，產(chǎn)物組成易控制，能耗低，產(chǎn)率高，成本低，而吸附性能達到或優(yōu)于市售的一級活性炭，且稻殼基多孔炭中雜質(zhì)含量極低，特別適于食品行業(yè)的凈化和脫色、醫(yī)藥領(lǐng)域的血液凈化等，完全可以替代現(xiàn)有的木材活性炭和果殼活性炭，成為新型的生物質(zhì)吸附劑。 適應(yīng)范圍及推廣前景：可用于飲用水、醫(yī)藥用水凈化，食品、醫(yī)藥、生物工程、化工產(chǎn)品純化精致，空氣凈化、廢水處理等領(lǐng)域。隨著工業(yè)發(fā)展，多孔吸附材料的用量逐年增長，環(huán)境保護、節(jié)能減排的意識逐漸增強，開發(fā)新的原料來源以替代煤焦、木材等迫在眉睫，對高吸附性能、低價環(huán)保的吸附劑產(chǎn)品的追求也日益迫切。目前我國生產(chǎn)的活性炭質(zhì)量和產(chǎn)量遠不能滿足應(yīng)用的需要。本作品以稻殼為原料制備高吸附性多孔炭，其原材料來源穩(wěn)定廣泛、成本低廉、制備工藝簡便，必然成為吸附劑市場的新寵。
同類課題研究水平概述
- 稻殼是稻米加工中的最大副產(chǎn)物，每年我國稻米加工企業(yè)產(chǎn)生的廢棄稻殼約0.4億噸 。稻殼的體積很大，不及時處理，不僅影響環(huán)境衛(wèi)生，而且堆積時間過長還有自燃的危險,因此國內(nèi)外對稻殼的處理和利用都引起了高度關(guān)注。 從組成上來看，稻殼是一種木質(zhì)纖維素材料，含有豐富的碳元素，是制備活性炭的良好碳源。活性炭由于具有發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)和極強的吸附能力，廣泛用于食品、制藥、化工、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域。傳統(tǒng)制備活性炭的方法是以木材或者煤為原料高溫炭化，然后再以水蒸氣或者加入活化劑高溫活化。但是以煤為原料制備的活性炭重金屬等有害雜質(zhì)含量高，不適于飲用水、食品、醫(yī)藥及生物工程領(lǐng)域。而且隨著化石資源的日漸枯竭，利用可再生生物原料生產(chǎn)多孔吸附材料是未來必然的發(fā)展趨勢。目前制備活性炭的生物質(zhì)原料主要是木材和果殼。木材含水量高，原料用量大，產(chǎn)品得率低，因此價格較高。果殼是廢棄生物質(zhì)資源，但原料來源有限，產(chǎn)品性能受果殼品種的影響很大，而且生產(chǎn)工藝相對復(fù)雜，成本高，因此價格也最高。 與木材和果殼相比，稻殼是大宗農(nóng)產(chǎn)品的副產(chǎn)物，原料廉價，來源充足，品種差異對活性炭產(chǎn)品的性能影響小，同時重金屬等有害雜質(zhì)含量極低，是制備用于食品、飲用水、醫(yī)藥及生物工程等領(lǐng)域高檔活性炭的理想原料。因此近年來以稻殼為原料制備活性炭的研究引起了人們的廣泛關(guān)注。Yalcin等人研究了以氯化鋅等鹽溶液和二氧化碳活化制備稻殼基活性炭，其比表面積最大為480m2/g；Kumagai 等在氮氣氛中將稻殼炭化并在高溫下以二氧化碳活化，得到了灰分含量12-22%的稻殼基活性炭，其比表面積為473m2/g，但是對煤油中硫芴的吸附卻優(yōu)于高比表面積（2337m2/g）的微孔碳纖維。國內(nèi)王子忱教授課題組在稻殼基活性炭的制備、強堿高溫活化工藝以及重金屬離子、有機染料的吸附方面也有一些報道。但是這些研究發(fā)現(xiàn)，由于稻殼中含有大約20%的二氧化硅等無機物，因此稻殼基活性炭的灰分含量都很高，并非真正意義的活性炭。采用強堿高溫活化工藝雖然可以大大降低灰分，但產(chǎn)率也急劇下降。由于作為吸附材料的基本要求是具備合適的多孔結(jié)構(gòu)，保留部分二氧化硅并不影響稻殼炭材料的吸附性能。因此本作品采用真空燒結(jié)與活化一步完成的方法制備了不同含硅量的多孔碳/硅復(fù)合物用作吸附材料。根據(jù)文獻查新結(jié)果，采用真空燒結(jié)法制備稻殼基碳/硅復(fù)合物用作吸附材料的研究目前尚未見公開報道。
