本發(fā)明涉及一種紫莖澤蘭基制備微孔-中孔活性炭的方法，屬于活性炭制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

活性炭是一種具有高度發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)和極大內(nèi)表面積的人工碳材料制品。它主要由碳元素（ 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為87％-97％）組成，同時(shí)也含有氫、氧、硫、氮等元素以及一些無機(jī)礦物質(zhì)，吸附性能強(qiáng)，化學(xué)性能穩(wěn)定，力學(xué)高度強(qiáng)，方便再生，被廣泛地應(yīng)用于諸多的工業(yè)領(lǐng)域，例如氣相、液相的分離與純化，廢水處理，催化劑載體，超級(jí)電容器，能源儲(chǔ)存等。隨著人類社會(huì)的發(fā)展，活性炭的應(yīng)用范圍越來越廣泛、需求量也越來越大，此外，對(duì)活性炭本身孔結(jié)構(gòu)，孔性能要求也越來越高。

紫莖澤蘭是上世紀(jì)由美洲經(jīng)東南亞侵入我國(guó)的一種有害物種，又稱作破壞草、解放草、敗馬草、黑頸草，目前已廣泛分布于30多個(gè)國(guó)家的熱帶地區(qū)，是一種名副其實(shí)的世界性雜草。由于繁殖能力強(qiáng)盛，紫莖澤蘭對(duì)本土物種產(chǎn)生惡性競(jìng)爭(zhēng)，嚴(yán)重危害到當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)作物資源的價(jià)值體系。有研究表明，紫莖澤蘭莖稈質(zhì)地堅(jiān)硬，碳含量豐富，灰分含量少，可充分收集并用于活性炭的制備，一方面可緩解紫莖澤蘭對(duì)當(dāng)?shù)匚锓N壓迫性的競(jìng)爭(zhēng)繁殖，另一方面也為制備活性炭提供了良好的原料渠道，可達(dá)到一舉兩得之效。在我國(guó)，紫莖澤蘭以每年10至20公里的速度由西南向東北輻射，對(duì)我國(guó)的生態(tài)平衡和物種多樣性造成了難以恢復(fù)的破壞，已被我國(guó)列入首批外來入侵物種，并排在第一位。因此，要想控制紫莖澤蘭的蔓延，除了積極防治措施外，更重要的是對(duì)其進(jìn)行開發(fā)利用，變害為寶。

本發(fā)明以炭活化后高得率的紫莖澤蘭為原料，使活性炭制備成本降低，從而環(huán)境污染程度緩解，做到了變害為寶，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)了自然資源的綜合利用，且在活化過程中通入氮?dú)庖耘懦隹諝猓档土嘶钚蕴勘旧硌鯎p耗，極大地節(jié)約了生產(chǎn)成本，具有良好的環(huán)境、能源和社會(huì)效益。所生產(chǎn)活性炭富含微孔，比表面積較高且吸附能力強(qiáng)、灰分較低，可作為廢氣、毒氣凈化的良好吸附劑。這就為有效解決紫莖澤蘭對(duì)我國(guó)的生態(tài)平衡的威脅和對(duì)物種多樣性造成破壞的突出問題提供了切實(shí)可行的方法。

申請(qǐng)人在專利號(hào)為201110215502.2的專利里，公開了“一種利用紫荊澤蘭制備活性炭的方法”，這種方法是將紫莖澤蘭烘干破碎后用氯化鋅做活化劑進(jìn)行浸泡，然后在550℃微波加熱20min制備得到粉末狀紫莖澤蘭活性炭。上述發(fā)明與本發(fā)明相比，本發(fā)明超聲波輔助將浸漬時(shí)間縮短了近乎10倍，磷酸浸漬過的紫莖澤蘭原料加熱時(shí)溫度較低，此外加熱前后均通氮?dú)?，從而處理效率也更高。最重要的是上述方法制備的活性炭為微孔率比較低，其平均孔徑3.7nm，而本發(fā)明通過改善制備工藝，采取超聲波-磷酸聯(lián)合活化、以吹氮?dú)獗３址茄趸詺夥盏姆绞剿苽涞幕钚蕴康奈⒖茁矢哌_(dá)91%，平均孔徑是2.2nm。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題及不足，本發(fā)明提供一種紫莖澤蘭基制備微孔-中孔活性炭的方法。本方法以紫莖澤蘭為原料，采用炭活化前后吹氮?dú)獾姆绞?，并以磷酸二氫銨做活性炭孔結(jié)構(gòu)的保護(hù)劑來制備微孔-中孔活性炭（亞甲基藍(lán)的吸附量最高可達(dá)220mg/g）；該方法實(shí)現(xiàn)了自然資源的綜合利用，極有利于緩解外來入侵物種所帶來的資源環(huán)境壓力，具有優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。

一種紫莖澤蘭基制備微孔-中孔活性炭的方法，其具體步驟如下：

（1）將紫莖澤蘭干燥去除水分，然后破碎至粒度為40～100目，置于5～15mol/L的磷酸溶液中在超聲波輔助的作用下40～80min，真空抽濾得到濾渣，濾渣為浸漬料；

（2）將步驟（1）得到的浸漬料按質(zhì)量比1～3：1～3添加磷酸二氫銨固體粉末混合均勻，然后在通入流量為0.05m³/h氮?dú)庠跍囟葹?00～500℃活化30～90min得到炭活化料；

（3）將步驟（2）得到的炭活化料冷卻，然后在水蒸氣循壞系統(tǒng)中對(duì)活性炭進(jìn)行多次氣浴洗滌，并將所得殘液濃縮以回收磷酸，固體物經(jīng)真空干燥得到微孔-中孔活性炭。

所述步驟（1）超聲波輔助功率為100～300kW。

所述步驟（3）中真空干燥真空度為0.005～0.01MPa。

本發(fā)明以富含木質(zhì)素的紫莖澤蘭為原料，同時(shí)其所含揮發(fā)份高，本方法制備的微孔-中孔活性炭具有比表面積高，微孔率高、高吸附性等特征；主要用于廢水、廢氣的高效凈化，煙氣的脫硫，空氣濾網(wǎng)，各種場(chǎng)所高效除臭去毒等。此外由于紫莖澤蘭其本身有富含各種有機(jī)物，所以其在活化過程中形成苯環(huán)、芳香族類等多種官能團(tuán)，可有效用于印染中酸性廢水的處理、汽車尾氣排放和燃料系統(tǒng)揮發(fā)出來的汽油等有機(jī)物的吸附收集。

本發(fā)明采取超聲波-磷酸活化劑-磷酸二氫銨保護(hù)劑聯(lián)合活化的方法，不僅縮短了浸漬時(shí)間，降低了活化溫度，而且充分利用了磷酸的強(qiáng)吸水性和磷酸根離子有機(jī)物的強(qiáng)結(jié)合性優(yōu)點(diǎn)，使得紫莖澤蘭原料中有機(jī)物和磷酸充分反應(yīng)，未經(jīng)炭活化前紫莖澤蘭便具有豐富的孔結(jié)構(gòu)，炭活化階段磷酸自身在高溫下?lián)]發(fā)或者與有機(jī)物結(jié)合的過程中少量H₃P氣體的逸出，在炭活化料表面擴(kuò)散進(jìn)一步形成大量孔隙，使得炭化料具備了豐富的微孔結(jié)構(gòu)。同時(shí)磷酸二氫銨蒸發(fā)以氣體的方式在炭體內(nèi)循環(huán)流動(dòng)并適當(dāng)避免了高溫對(duì)孔結(jié)構(gòu)的破壞。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

（1）本方法選取世界性惡性雜草紫莖澤蘭為原料生產(chǎn)活性炭，對(duì)我國(guó)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)起到了一定的保護(hù)作用嚴(yán)重，變害為寶，實(shí)現(xiàn)了自然資源的合理利用，且造福于本地生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，維護(hù)了資源經(jīng)濟(jì)價(jià)值體系。

（2）本方法采取超聲波輔助浸漬，充分利用了超聲波方向性好，穿透能力強(qiáng)，較集中的聲能等優(yōu)點(diǎn)，使得磷酸與水分子、有機(jī)大分子的強(qiáng)結(jié)合性效率大大提升。

（3）本方法采取加熱前后通氮?dú)獾姆绞?，降低了物料的氧損耗，從而使得活性炭得率較高，并且氮?dú)馑俾室跃S持非氧化性氣氛和不使得活性炭小顆粒被帶走為基準(zhǔn)，也相對(duì)的節(jié)約了氮?dú)獾挠昧?，充分踐行了當(dāng)今可持續(xù)發(fā)展觀。

（4）本發(fā)明基于磷酸的強(qiáng)結(jié)合性，采取炭活化一體的實(shí)驗(yàn)方案，在相對(duì)較低的活化溫度下進(jìn)行，節(jié)約了制備時(shí)間，提高了活性炭得率。炭活化階段磷化氫分子和磷酸氫二銨分子的逸出是豐富微孔形成的必要條件。

（5）本方法采取炭活化物料加熱完后冷熱交替的方式，進(jìn)一步使得孔隙擴(kuò)展生成。

（6）本方法采用水蒸氣循壞氣浴的方式，效果好于蒸餾水洗滌，循壞氣流幾乎帶走所有滯留的灰分雜質(zhì)，并且避免了后續(xù)堿洗的過程。

（7）本方法采取回收利用的原則，回收磷酸活化劑，回收率可以達(dá)到80%。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1制備得到活性炭在77K的吸附等溫線圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1制備得到活性炭孔徑分布圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例1制備得到浸漬料的掃描電鏡圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例1制備得到活性炭的掃描電鏡圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明實(shí)施例中比表面積采用全自動(dòng)物理化學(xué)吸附儀（Autosorb-1-C，康塔公司）測(cè)定，亞甲基藍(lán)吸附值根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12496.10-1999測(cè)定，實(shí)驗(yàn)用水均為蒸餾水。

實(shí)施例1

該紫莖澤蘭基制備微孔-中孔活性炭的方法，其具體步驟如下：

（1）將100g紫莖澤蘭干燥去除水分（在40℃下干燥60min），然后破碎至粒度為70目，按照液固比3：1 ml/g置于10mol/L的磷酸溶液中在超聲波輔助的作用下60min，真空抽濾得到濾渣，濾渣為浸漬料，其中超聲波輔助功率為100kW；

（2）將步驟（1）得到的浸漬料按質(zhì)量比2：1添加磷酸二氫銨固體粉末混合均勻，然后在通入流量為0.05m³/h氮?dú)庠跍囟葹?00℃活化60min得到炭活化料；

（3）將步驟（2）得到的炭活化料冷卻，然后在水蒸氣循壞系統(tǒng)中對(duì)活性炭進(jìn)行五次氣浴洗滌，并將所得殘液濃縮以回收磷酸，固體物經(jīng)真空干燥（溫度為100℃，干燥1.5h）得到微孔-中孔活性炭，其中真空干燥真空度為0.005MPa。

經(jīng)上述步驟活化制備得到的微孔-中孔活性炭在的活化溫度400℃時(shí)亞甲基藍(lán)吸附值220mg/g，活化得率為67.10%。

該制備得到的活性炭在77K的吸附等溫線圖如圖1所示，活性炭孔徑分布圖如圖2所示，制備得到浸漬料的掃描電鏡圖如圖3所示，活性炭的掃描電鏡圖如圖4所示，從圖中的數(shù)據(jù)可以算出紫莖澤蘭活性炭的BET比表面積為1367m²/g，活性炭總孔體積為0.89ml/g，其平均孔徑為2.2nm。

實(shí)施例2

該紫莖澤蘭基制備微孔-中孔活性炭的方法，其具體步驟如下：

（1）將100g紫莖澤蘭干燥去除水分（在40℃下干燥60min），然后破碎至粒度為100目，按照液固比3：1 ml/g置于15mol/L的磷酸溶液中在超聲波輔助的作用下80min，真空抽濾得到濾渣，濾渣為浸漬料，其中超聲波輔助功率為300kW；

（2）將步驟（1）得到的浸漬料按質(zhì)量比3：2添加磷酸二氫銨固體粉末混合均勻，然后在通入流量為0.05m³/h氮?dú)庠跍囟葹?00℃活化90min得到炭活化料；

（3）將步驟（2）得到的炭活化料冷卻，然后在水蒸氣循壞系統(tǒng)中對(duì)活性炭進(jìn)行十次氣浴洗滌，并將所得殘液濃縮以回收磷酸，固體物經(jīng)真空干燥（溫度為100℃，干燥1.5h）得到微孔-中孔活性炭，其中真空干燥真空度為0.01MPa。

經(jīng)上述步驟活化制備得到的微孔-中孔活性炭在的活化溫度400℃時(shí)亞甲基藍(lán)吸附值210mg/g，活化得率為62.70%。

實(shí)施例3

該紫莖澤蘭基制備微孔-中孔活性炭的方法，其具體步驟如下：

（1）將100g紫莖澤蘭干燥去除水分（在40℃下干燥60min），然后破碎至粒度為40目，按照液固比3：1 ml/g置于5mol/L的磷酸溶液中在超聲波輔助的作用下40min，真空抽濾得到濾渣，濾渣為浸漬料，其中超聲波輔助功率為200kW；

（2）將步驟（1）得到的浸漬料按質(zhì)量比1：3添加磷酸二氫銨固體粉末混合均勻，然后在通入流量為0.05m³/h氮?dú)庠跍囟葹?00℃活化30min得到炭活化料；

（3）將步驟（2）得到的炭活化料冷卻，然后在水蒸氣循壞系統(tǒng)中對(duì)活性炭進(jìn)行兩次氣浴洗滌，并將所得殘液濃縮以回收磷酸，固體物經(jīng)真空干燥（溫度為100℃，干燥1.5h）得到微孔-中孔活性炭，其中真空干燥真空度為0.008MPa。

經(jīng)上述步驟活化制備得到的微孔-中孔活性炭在的活化溫度400℃時(shí)亞甲基藍(lán)吸附值200mg/g，活化得率為59.50%。

以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。