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簡介：本發明公開了一種分級多孔炭材料的制備方法，屬于炭材料制備技術領域。該方法是以廉價的煤瀝青為碳源，采用納米三氧化二鐵為模板，氫氧化鉀為活化劑，三者研磨后的混合物轉移至剛玉坩堝中，于氣氛爐內進行加熱以制備電化學電容器用分級多孔炭材料，所得分級多孔炭材料比表面積介于1157~1330m2/g之間，總孔容介于0.69~1.35cm3/g之間，平均孔徑介于2.39~4.05nm之間，非微孔孔容占總孔容的比例介于37.7%~65.9%之間，多孔炭產率介于32.6%~52.2%之間。采用本發明方法制得的分級多孔炭作為電化學電容器電極材料，具有很好的穩定性和優異的綜合性能。

人類在發展過程中目前面臨能源危機和環境污染雙重壓力。在能源消費方面，目前世界能源消耗91%的是一次性礦物燃料能源，但礦物燃料是有限的，不可能成為人類的永久性能源。因此尋找可替代化石能源的新能源是人類可持續發展的必由之路。 據估計，全世界每年由光合作用而固定的碳達2×1011 噸，含能量達3×1018 千焦，可開發的能源約相當于全世界每年耗能量的10 倍；生成的可利用干生物質約為1700 億噸，而目前將其作為能源來利用的僅為13 億噸，約占其總產量的0.76％，生物質資源開發利用潛力巨大。據測算，我國擁有的生物質能資源為50 億噸左右，是我國目前總能耗的4 倍左右[5]。生物質資源雖然豐富，但由于保存和轉化的技術落后導致生物質資源浪費嚴重，如秸稈等農業廢棄物在田間焚燒，林業產品加工產生的木屑、鋸末等被直接丟棄，食品加工的殼、皮等被當作垃圾填埋，這不僅污染了環境，還造成了生物質資源的巨大浪費 利用生物質制備炭材料，在能源領域利用可以直接作為燃料使用，可以避免生物質原料本身能量密度低、體積龐大難于運輸等弊端，同時相對于燃煤可以減少硫排放，從而減少對環境的污染，但目前制造成本高，只有在特定的場合才使用，目前生物質炭在能源方面主要作為高端的燃料電池正極材料。另一方面生物質炭本身的多孔性致使它具有巨大的比表面積、發達的孔隙結構以及較好的化學穩定性和機械強度，在環保領域對重金屬良好的吸附性能，因此對重金屬廢水處理及土壤恢復與改良具有巨大的應用潛力[8-14]。 由于傳統工藝制造活性炭成本高，因此限制了其應用范圍。如何最大限度降低制造成本是科研工作必須努力的方向。 生物質炭的制備方法主要分為：熱分解法，微波炭化法，水熱炭化法。熱分解炭化法是目前制備生物質炭的主要方法，熱分解制備生物質炭是在隔絕空氣條件下生物質的高溫裂解成炭，一般需要炭化與活化兩個過程且二者可分步或同步進行。首先炭化過程是在300 –1000 0C下使生物質中分子鏈中C-O、C-C鍵斷裂成炭，隨著溫度的升高, 生物質炭的產量降低, 含碳量逐漸增加。活化的目的是利用氣體或化學物質改變炭化料的內部結構, 擴大孔體積, 增加活性炭的吸附性能。物理活化采用如水蒸氣、空氣、CO2進行活化；化學活化則采用化學物質如NaOH，ZnCl2，KOH, K2CO3等在600~11000C下活化，得到活性生物質炭產品。熱分解法的缺點在于反應時間長，反應耗能大，傳熱效率低和反應原料加熱不均勻等。微波炭化法則是通過被加熱體內部偶極分子的高頻往復運動，使分子間相互碰撞產生大量摩擦熱量，繼而使物料內外部同時快速均勻升溫從而達到裂解及炭化的目的。微波加熱具有操作簡單、升溫速率快、反應效率高、可選擇性均勻加熱等優點。生物質通過微波炭化處理其活性炭得率較高(一般達到40%左右)且表面積大。但微波炭化的不足在于物料的反應溫度不能精確控制，過量的微波輻射將對人體健康有損害且工業化放大過程比較困難。水熱炭化法是在一定溫度(一般200 ℃)和壓強（下將水熱反應釜內的生物質( 碳水化合物、有機分子和廢棄生物質等) 、催化劑和水進行加熱，實現對生物質炭化的過程。水熱炭化一般制得的生物質表面積小一般500m2/g以下，同時反應時間長，因此生產成本較高。 總之制備生物質炭材料具有豐富的原料來源，同時在能源及環境方面具有廣闊的應用前景，尤其在重金屬污染治理及土壤恢復及改良前景更為廣闊。但目前生物質轉化為炭流程長，分解溫度高，造成生產成本高而致使生物質的利用率低。如何更高效、成本更低廉實現生物質的炭轉化，無論對于人類能源結構優化及環境保護均有十分重要的現實意義。 本項目提出了一種酸催化裂解炭化生物質原料的方法，采用酸催化直接將生物質分解及炭化，并在低溫下(2000C左右)加速炭化及活化(6000C以下) 過程，吸收炭化及活化過程蒸發的酸及液態有機物，酸進行循環利用，實現生物質炭材料綠色制備。由此可以制備出生物質炭材料比表面在1000m2/g以上，得率達到50%以上，從而降低生物質炭的制造成本，拓寬其應用范圍。二．技術路線酸催化生產技術路線見下圖，生物質粉碎后，采用一定酸浸濕潤，干燥后進行炭化及活化，控制在4000C下炭化完全冷卻，炭化活化過程進行酸回收并返回使用，炭化完全后冷卻，加粘結劑壓塊便得到生物質炭。  圖1 酸催化制備生物質炭工藝流程三．技術開發內容及指標技術開發內容生物質原料的篩選及酸種類的篩選溫度、時間工藝參數的優化；粘結劑的選擇與添加工藝確定日處理1噸中試放大設備選擇與設計；技術指標生物質炭得率大于50%；生物質炭的碳含量高于80%；生物質炭燃燒后的灰分小于5%；生物質炭材料比表面在1000m2/g以上。四．經濟效益初步分析生物質炭售價按3000元/噸計算，原材料及處理成本約1500元/噸；按年生產1萬噸計算，年效益為=（3000-1500）x10000=1500萬元。 本項目作為生物質炭新工藝相對于傳統工藝，大幅度提高了生物質炭的轉化效率及降低了生產成本，因此經濟效益非常顯著，如果作為活性炭使用效益更加顯著。同時具有很好的推廣前景。

活性碳酸鈣是由輕質碳酸鈣經表面處理后所得到的鈣鹽產品，它與輕質碳酸鈣的不同之處在于它同基料高分子有很好的相容性，能均勻地分散在基料中，從而實現很好的填充劑補強作用。活性碳酸鈣是20世紀90年代初期由日本開發研究成功，并廣泛應用于塑料，涂料，油漆，橡膠等一般生產中，主要是起填充或補強之作用。現在大多數國家都在研究，使用它。我國也在20世紀后期形成工業生產，使用活性碳酸鈣于橡膠，塑料，涂料等工業生產，并收到了良好的應用效果。 石灰石和焦炭或無煙煤按一定的比例加入到立窯中在高溫下燃燒，生成的石灰經消化。除去固體雜質，用CO2氣體在碳化塔中進行碳化反應，沉淀物經壓濾，洗滌，干燥，粉碎，再加入表面活性劑在高速混合機中進行表面處理，即可得到活性碳酸鈣產品。

納豆是由黃豆通過納豆菌（枯草桿菌）發酵制成，高活性納豆是通過篩選菌株，得到一株高效的納豆芽孢桿菌，利用生物發酵和真空干燥等技術研發出的具有高活性的納豆膠囊，對三高具有良好的治療效果，現已取得生產資質，也是師鼎堂品牌系列中的重要產品。

本項目是采用生物活性炭-多孔陶瓷濾料和生物活性炭-石英砂取代單層石英砂，構建生物強化活性濾池進行給水過濾處理強化除污染能力的工程技術。利用多孔陶瓷濾料和活性炭的大量發達的空隙，為微生物提供棲息附著場所，起到生物降解的微量有機污染物以及氨氮的效果，提高出水的生物穩定性，同時發揮機械篩分的作用保證出水水質。

研發階段/n成果簡介：冬蟲夏草富含多種維生素如VD，有促進吸收作用，冬蟲夏草生物活性強化劑的免疫調節作用還能增強體質，協調促進消化系統對營養素的吸收。本技術主要利用現代生物技術手段經液態發酵提取制備冬蟲夏草生物活性強化劑中的多種生物活性物質，利用冬蟲夏草菌能產生多種維生素及具有極強的富集礦物質能力，將離子態鐵、鋅、鈣、硒等礦物元素轉化為生物大分子螯合態生物活性成分的特性，使其具有生物同源性、平衡性。開發冬蟲夏草菌的新功能，生產新一代具有生物活性的能調節人體內分泌平衡、高效補充礦物質及維生素的價格低廉

活性石灰是得到高性能鋼材的重要原料。 采用北京科技大學郭漢杰教授研究的立式預熱器—回轉窯—冷卻器煅燒系統，年產高活性生石灰10－20萬噸。 產品質量達國家準（YB/TO42-93）規定的一級品以上。 本項目將由豎式預熱器、回轉窯、冷卻機、煙氣處理系統、原料輸送系統、成品輸送系統等組成一條完整的生產線。 全線采用技術先進，性能可靠的DCS中央控制系統，在主控制室集中操作管理。 粒度10-30mm的合格品經石灰石送入碎石料場，再由NE型斗式提升機送至預熱器頂部料倉。 石灰石煅燒系統是由一臺立式預熱器,回轉窯及冷卻機組成,產量150－600t/d,熱耗5.00GJ/t。物料由預熱器頂部料倉經下料溜管導入預熱器本體內,同時由回轉窯傳入的高溫煙氣將物料預熱至800℃以上,使石灰石發生部分分解,再由液壓推桿依次推入回轉窯尾部,經回轉窯高溫煅燒后再卸入篦式冷卻機內,通過風機強行吹入的進行冷卻,將物料冷卻至環境溫度+65℃以下排出冷卻器,冷卻器使用的空氣作為一次、二次空氣進入回轉窯參與燃燒。 成品石灰由冷卻器卸出后經輸送機、NE型斗式提升機輸送至成品料倉。 回轉窯燃燒產生的高溫煙氣，在預熱器內與石灰石進行熱交換后，溫度降至300℃以下，再經多管式冷卻機將煙氣溫度進一步降至200℃以下，然后進行入袋式除塵器，除塵后經高溫風機排入大氣，排放的氣體的含塵濃度小于50mg/m3。 燃燒使用焦爐煤氣和煤粉或重油。如用焦爐煤氣，則耗量為：每噸活性石灰用300立方米焦爐煤氣。所有的生產用水均循環使用，考慮到在循環過程中因蒸發、跑冒漏滴、排污等因素造成的水量損失，需每天補充少量新水。需要補新水量為25m3/d。

利用農業廢棄物秸稈生產生物炭，返施農田，并輔助其它技術， 可以達到固定重金屬污染農田，在微污染農田中生產出合格產品，挽 救因重金屬污染造成的農田損失；同時可以減少化肥施用量，達到減 施以保護地表環境免受富營養化污染。目前重金屬造成農田的污染修 復以及化肥減施大部分屬于國家公益項目。 農田重金屬固定技術已經在天津東麗區區示范運行 3 年，運行效 果好，蔬菜重金屬達到標準，增加農作物產量，減少化肥施用，因此， 廣受農民歡迎。

由生物質制成的炭具有無煙、無味、熱值高等特點，可以直接施放到土壤中或作為炭基肥的原料使用，一方面改良土壤、增加肥力，另一方面利用其耐降解性質，延長碳在土壤中的封存時間，降低溫室效應對全球氣候變化的負面影響。此外，生物炭是一種很好的吸附劑，具有較大的比表面積，其表面含有豐富的含氧活性功能團，可凈化水質，吸附土壤中一些常見的環境污染物如重金屬、農藥等。因成本較低，已廣泛使用于化工、冶金、環保、農業等領域。 目前，已有的生物炭生產系統都會至少存在下列問題之一：①產能小，難以滿足大規模生產需求，如窯式爐、釜式、螺旋推進爐等；②爐內溫度難以控制，生物炭品質難以保證，如豎流式爐等；③對原料要求高，應用范圍受到限制，如回轉窯；④能耗大，生產成本高，存在環境污染（特別是焦油難處置）。針對以上問題，東南大學將炭化過程產生的副產品（焦油和熱解氣）進行燃燒，燃燒產生的高溫煙氣采用內外聯合加熱方式為生物質炭化過程提供熱量，無焦油產生，實現連續式進出料和能量梯級利用。目前已建成日處理秸稈量7噸和24噸的成套工程，日產生物炭約2.1噸和7.5噸。工程連續穩定運行。 本技術已申請國家發明專利3件（授權2件），發表學術論文12篇，獲國家“973”、江蘇省環保廳科技項目支持。