摘 要

我国农村低劣生物质量巨大，且利用效率低下，严重制约了新农村的可持续发展。而以农村低劣生物质为代表的生物质材料为原料，采用热裂解技术制备高附加值活性炭将实现低劣生物质的高效资源转化。本文以木屑A为原料，重点考察引入不同热裂解气氛后对活性炭成品的影响，分别从表观BET面积、内部孔道结构、拉曼光谱分析、傅里叶红外光谱分析等方面进行对比，发现二氧化碳气氛的引入能够在碳内造就出丰富孔道。同时通过同步热分析技术发现，其内在机制为：二氧化碳能在700℃下与碳发生生成一氧化碳的反应。进而，借助气相色谱分析裂解全过程，二氧化碳和生物炭的反应计量比接近1，与理想反应接近；且现有管式炉裂解设备的二氧化碳利用率不足25%，制备工艺还有待进一步优化。

关键词：生物质; 活性炭; 二氧化碳; 裂解

Abstract

The quality of inferior rural organisms in China is huge, and the utilization efficiency is low, which seriously restricts the sustainable country development. Biomaterials represented by inferior rural biomass are used as raw materials. The use of pyrolysis technology to prepare high value-added activated carbon will achieve efficient resource conversion of inferior biomass. In this paper, sawdust A was used as raw material to focus on the impact of introducing different pyrolysis atmospheres on activated carbon products. The apparent BET area, internal pore structure, Raman spectroscopy and Fourier infrared spectroscopy were compared. The introduction of carbon dioxide creates a rich channel in the carbon. At the same time, through the synchronous thermal analysis technology, the intrinsic mechanism is: carbon dioxide can react with carbon to form carbon monoxide at 700 °C. Furthermore, by gas chromatography analysis of the whole pyrolysis process, the reaction ratio of carbon dioxide and biochar is close to 1, which is close to the ideal reaction; and the carbon dioxide utilization rate of the existing tube furnace cracking equipment is less than 25%, and the preparation process needs further optimization.

目录

第一章 文献综述 6

1.1 课题背景 6

1.2 活性炭的介绍 6

1.2.1 生物质利用途径介绍 6

1.2.2 活性炭的结构与应用 7

1.3 活性炭的制备 8

1.3.1 生物质主要成分 8

1.3.2 活性炭制造方法 8

第二章 不同气氛下生物质热解实验 11

2.1 实验样品和仪器 11

2.1.1 实验样品 11

2.1.2 实验仪器 11

2.2实验过程 12

2.2.1 木屑A材料粉末的制备 12

2.2.2 活性炭的制备 12

2.2.3 热重TG 13

2.2.4 色谱仪的设置 13

2.2.5 设备装置图 13

第三章 实验结果与分析 15

3.1 不同气氛下管式炉制备的活性炭样品表征及讨论 15

3.1.1 实验收率分析 15

3.1.2 元素分析结果讨论 15

3.1.3 傅里叶红外光谱分析 16

3.1.4 拉曼光谱分析 16

3.1.5 表观BET面积及孔结构分析 17

3.2 不同气氛下生物质裂解制备活性炭的过程分析 18

3.2.1 热重分析 18

3.2.2 色谱分析 20

4.1 结论 25

4.2 展望 25

参考文献 26

致谢 29

第一章 文献综述

1.1 课题背景

现代社会的快速发展促进了活性炭生产和利用的快速增长，特别是在上世纪下半叶时期，由于经济复苏，环保法规的愈加严格，包括对水资源、干净的气体应用、空气质量控制、能量储存/价值化学物质的转换等的规定促使人们寻找新的原料合成活性炭。生物质由于容易获取、廉价且对自然无害，高反应性，合成过程相对简单，有助于降低废物处理成本和对环境的负面影响等优点被广泛用作生产活性炭的原料。

中国的农业经过几千年的发展，生物质成为了一种十分常见的可再生能源。现在我国仅仅秸秆一项生物质废弃物就高达8亿吨/年，桔梗在以前农村常被当做柴火使用，但是生物质的燃烧效率差，而且会对空气造成破坏。现阶段我国农业不断进步，使得生物质利用方式也不断变多。除了直接燃烧外，还可以用作还田、沼气、发电的材料，就发电而言，比起传统的煤炭燃烧发电，减少二氧化碳的排放。但当下还存在许多问题，如还田造成土地板结，沼气工程低效，国内生物质发电技术不成熟，锅炉内壁结焦与腐蚀问题等，造成目前我国农村依旧处于不可持续发展阶段。根据我国2019年出台的《中共中央国务院关于坚持农业农村优先发展做好“三农”工作的若干意见》中提到推进畜禽粪污、秸秆、农膜等农业废弃物资源化利用，所以选择更高效的方法处理生物质废弃物迫在眉睫^[1]。

1.2 活性炭的介绍

1.2.1 生物质利用途径介绍

生物质废弃物主要处理方式见下表1.1。

表1.1 生物质废弃物利用方式比较表

由于生物质废弃物的几种处理方式带来的经济效益过低，因此，利用生物质废弃物的结构功能性来制备高附加值的活性炭是生物质废弃物利用的唯一出路。最近，许多研究人员试图从各种生物质原料中提取活性炭，如稻草^[2]、稻壳^[3]、橄榄石^[4]、开心果壳^[5]等。

1.2.2 活性炭的结构与应用

活性炭是一种从碳质材料中获得的吸附剂，具有无序的晶体结构，由随机分布的微晶体组成。这种微晶结构是由石墨烯片、富勒烯或类石墨碎片等基本结构构成的。这些材料具有高的比表面积(500-1500m²/g)、多种官能团(羧基、羰基、羟基、胺)和孔径分布(lt;1-100nm)。所有这些特性使它们具有非凡的吸附多种分子^[6]的能力。

活性炭作为吸附剂的能力取决于其微晶结构,这是受制于原料的本质和过程。这是因为生物质被转换成活性炭时产生的孔隙在形状和尺寸上都可能不同，孔隙的范围从小于1nm到大于1000nm。确定的活性炭的最终应用将主要取决于其孔隙度和表面的化学性质。

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