基本信息
- 项目名称：
- 废弃稻壳制备高吸附性多孔炭及碳/硅复合物
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 以稻米加工业副产物稻壳为原料，采用分段式真空烧结法制备了一系列不同比表面积（340-1660m2/g）及灰分含量（1-50%左右）的多孔炭和碳/硅复合物。该系列多孔稻壳炭材料对金属离子、有机染料和食品色素具有优异的吸附性能，其亚甲基蓝吸附值达到320mL/g,远高于国家标准。对Fe（Ⅲ）的吸附量达到2836mg/g，对含铅、铬废水中Pb（Ⅱ）和Cr（Ⅵ）的去除率都达到85%以上。
- 详细介绍：
- 稻壳是稻米加工中的最大副产物，约占稻谷籽粒重量的18%～22%。我国年产稻谷2亿吨以上，加工后可得稻壳约0.4亿吨。开展稻壳的综合利用研究对实现粮食产业高效增值，发展节能环保的循环经济具有重要的经济和社会意义。 随着工业的发展，对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，机械强度高，耐酸碱，不溶于水和有机溶剂等特点，广泛用于食品、化工、医药、生物工程以及环保等领域。稻壳属木质纤维素材料，与现有制备活性炭的原料煤、木材和果壳相比，稻壳具有来源稳定广泛，成本低廉，有害杂质含量极低的优点，是制备活性炭的良好碳源。但由于稻壳中含有大约20%的无机物（主要是二氧化硅），因此制备的活性炭往往灰分较高。有研究报道采用强碱高温活化法可以去除二氧化硅制备低灰分活性炭，但收率降低，成本大大提高。 本作品立足于充分利用全稻壳资源，以获得吸附性能优异的多孔材料为目标，通过工艺控制，制备出不同灰分含量的活性炭（灰分小于4%）和碳/硅复合物（灰分大于4%）。研究采用了分段式真空烧结法，先将稻壳在低温下预炭化，再以碱性试剂浸泡处理预炭化稻壳，去除一定比例的二氧化硅，然后采用真空烧结获得多孔炭材料。与传统制备活性炭的高温烧结与高温活化两步处理法相比，本工艺能耗低，生产时间短，通过控制碱处理和真空烧结条件，可以根据应用的需要制备出不同比表面积和灰分含量的多孔炭材料，工艺可控性强。 本作品制备的活性炭的比表面积约为670～1660m2/g，碳/硅复合物的比表面积约为340-770 m2/g。活性炭和低灰分（＜15%）碳/硅复合物的亚甲基蓝吸附值分别达到了320mL/g和230mL/g，都优于国家标准（120mL/g）和市售的一级活性炭（130mL/g）；而碘吸附值也分别达到1652mg/g和1387mg/g，远高于国家标准（500mg/g）。高灰分（＞15%）的碳/硅复合物亚甲基蓝吸附值均大于70mL/g，碘吸附值均大于500mg/g，仍然可以用作吸附剂材料。同时由于保留了部分二氧化硅，因此得率大大提高，有利于降低吸附剂产品的生产成本。 以不同比表面积和灰分含量的多孔炭材料作为吸附剂对金属离子和食品色素进行吸附实验，结果表明Fe（Ⅲ）的吸附容量可以达到2836mg/g，含100ppm 重铬酸根离子的废水中Cr（Ⅵ）的去除率达到85%以上，含600ppm铅离子废水中Pb（Ⅱ）的去除率可以达到89%，叶绿素的脱除率也达到86%。具有不同的孔结构和比表面积的稻壳基活性炭和碳/硅复合物可以适应不同行业对吸附剂材料的需要，其吸附作用机理还有待于进一步探索。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：立足于资源的综合利用和节能环保的原则，充分利用稻壳开发性能优异的高附加值吸附剂产品，拓展我国农产品深加工应用领域。 思路：采用分段式真空烧结法，先将稻壳预炭化，再经碱处理后真空烧结获得多孔炭材料。通过控制烧结和碱处理条件，制备出不同灰分的活性炭和碳/硅复合物。利用静态氮吸附仪测定多孔炭材料的比表面积、孔容，确定烧结条件对多孔材料结构的影响；利用分光光度法测定多孔炭材料对于金属离子、有机染料及食品色素的吸附作用。 创新：1原料：使用丰富廉价、有害杂质含量极低的稻壳为碳源，开辟了废弃生物质资源高效利用的新途径；2工艺：将传统工艺的烧结与活化集于一步完成，工艺简便能耗低；3产品：包括不同灰分含量的多孔炭和碳/硅复合物，产品得率高，成本低，吸附效果优于国家标准和市售的一级活性炭，用户对产品的选择性更强。 技术关键：1预炭化工艺的选择；2碱处理预炭化稻壳工艺优化；3真空烧结形成多孔结构。 技术指标：1比表面积：活性炭 670 -1660m2/g；碳/硅复合物340-770m2/g；2碳/硅复合物的灰分4-50%；3吸蓝值：活性炭320mL/g，碳/硅复合物＞70mL/g ；4吸碘值：活性炭1650 mg/g，碳/硅复合物＞550mg/g；5吸附效果: Fe3+吸附量2836mg/g；含100ppm 重铬酸根离子的废水Cr（Ⅵ）去除率＞85%；含600ppm铅废水Pb2+去除率＞85%；叶绿素的脱除率达86%。
科学性、先进性
- 科学性：稻壳中含有80%的有机物，是良好的廉价碳源，但其中还含有20%的无机物（主要是SiO2），吸附剂的性能并非仅与比表面积成正相关，还取决于孔径以及表面官能团性质等多种因素，因此，保留部分SiO2并不影响其多孔结构，甚至对其吸附性能有所提高。本作品采用分段式真空烧结法配合碱性试剂处理，去除部分SiO2，制得含硅量不同的活性炭和碳/硅复合物系列产物，其制备原理和实验操作都是科学可行的。 先进性：国内外稻壳制备活性炭的研究有文献报道，但都是采用高温炭化，强碱煮沸后再高温活化的方法，其工艺复杂，能耗高，得率低，很难实现工业化应用。本作品以充分利用全稻壳资源为出发点，将烧结与活化集于一步完成，通过碱处理可控去除部分SiO2，采用真空烧结有利于小分子挥发，可快速形成理想的孔隙结构，制备的活性炭和碳/硅复合物对金属离子、染料和食品色素具有优异的吸附性能，从原料到产品，做到了低成本、易制作、高效益。根据查新报告，目前对于稻壳真空烧结法制备活性炭及碳/硅复合物的研究尚未见公开报道。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 原料由实验室制备，已通过企业实验验证。
技术转让方式
- 合作开发或专利转让
作品可展示的形式
- 图片、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 与现有吸附剂产品使用方法相似，可用无纺布包装，或者填充到玻璃、金属吸附柱中，用于饮用水净化，食品、化工、生物制药领域的产品纯化精制等。 技术特点和优势：活化与烧结一步完成，工艺简化，产物组成易控制，能耗低，产率高，成本低，而吸附性能达到或优于市售的一级活性炭，且稻壳基多孔炭中杂质含量极低，特别适于食品行业的净化和脱色、医药领域的血液净化等，完全可以替代现有的木材活性炭和果壳活性炭，成为新型的生物质吸附剂。 适应范围及推广前景：可用于饮用水、医药用水净化，食品、医药、生物工程、化工产品纯化精致，空气净化、废水处理等领域。随着工业发展，多孔吸附材料的用量逐年增长，环境保护、节能减排的意识逐渐增强，开发新的原料来源以替代煤焦、木材等迫在眉睫，对高吸附性能、低价环保的吸附剂产品的追求也日益迫切。目前我国生产的活性炭质量和产量远不能满足应用的需要。本作品以稻壳为原料制备高吸附性多孔炭，其原材料来源稳定广泛、成本低廉、制备工艺简便，必然成为吸附剂市场的新宠。
同类课题研究水平概述
- 稻壳是稻米加工中的最大副产物，每年我国稻米加工企业产生的废弃稻壳约0.4亿吨 。稻壳的体积很大，不及时处理，不仅影响环境卫生，而且堆积时间过长还有自燃的危险,因此国内外对稻壳的处理和利用都引起了高度关注。 从组成上来看，稻壳是一种木质纤维素材料，含有丰富的碳元素，是制备活性炭的良好碳源。活性炭由于具有发达的孔隙结构和极强的吸附能力，广泛用于食品、制药、化工、农业、环保等领域。传统制备活性炭的方法是以木材或者煤为原料高温炭化，然后再以水蒸气或者加入活化剂高温活化。但是以煤为原料制备的活性炭重金属等有害杂质含量高，不适于饮用水、食品、医药及生物工程领域。而且随着化石资源的日渐枯竭，利用可再生生物原料生产多孔吸附材料是未来必然的发展趋势。目前制备活性炭的生物质原料主要是木材和果壳。木材含水量高，原料用量大，产品得率低，因此价格较高。果壳是废弃生物质资源，但原料来源有限，产品性能受果壳品种的影响很大，而且生产工艺相对复杂，成本高，因此价格也最高。 与木材和果壳相比，稻壳是大宗农产品的副产物，原料廉价，来源充足，品种差异对活性炭产品的性能影响小，同时重金属等有害杂质含量极低，是制备用于食品、饮用水、医药及生物工程等领域高档活性炭的理想原料。因此近年来以稻壳为原料制备活性炭的研究引起了人们的广泛关注。Yalcin等人研究了以氯化锌等盐溶液和二氧化碳活化制备稻壳基活性炭，其比表面积最大为480m2/g；Kumagai 等在氮气氛中将稻壳炭化并在高温下以二氧化碳活化，得到了灰分含量12-22%的稻壳基活性炭，其比表面积为473m2/g，但是对煤油中硫芴的吸附却优于高比表面积（2337m2/g）的微孔碳纤维。国内王子忱教授课题组在稻壳基活性炭的制备、强碱高温活化工艺以及重金属离子、有机染料的吸附方面也有一些报道。但是这些研究发现，由于稻壳中含有大约20%的二氧化硅等无机物，因此稻壳基活性炭的灰分含量都很高，并非真正意义的活性炭。采用强碱高温活化工艺虽然可以大大降低灰分，但产率也急剧下降。由于作为吸附材料的基本要求是具备合适的多孔结构，保留部分二氧化硅并不影响稻壳炭材料的吸附性能。因此本作品采用真空烧结与活化一步完成的方法制备了不同含硅量的多孔碳/硅复合物用作吸附材料。根据文献查新结果，采用真空烧结法制备稻壳基碳/硅复合物用作吸附材料的研究目前尚未见公开报道。
