一种氮硫共掺杂活性生物炭及其制备方法技术

本发明专利技术属于活性生物炭制备技术领域，具体公开了一种氮硫共掺杂活性生物炭及其制备方法。本发明专利技术将生物质与水混合，得到混合液；然后在保护气氛下，在混合液中通入含有NH3和H2S的养殖场废气，然后加热进行水热反应，反应完成后得到氮硫共掺杂生物炭；再将其在二氧化碳气氛下进行活化，得到氮硫共掺杂活性生物炭。本发明专利技术通入的NH3和H2S可以来自养殖厂废气，为解决现阶段养殖厂废气问题提供了技术支撑，同时本发明专利技术制备的氮硫共掺杂活性生物炭氮、硫元素掺杂量高、比表面积高，应用于超级电容电极和锂电池体现出了良好的电化学性能。锂电池体现出了良好的电化学性能。锂电池体现出了良好的电化学性能。

Nitrogen sulfur Co doped heteroactive biochar and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种氮硫共掺杂活性生物炭及其制备方法


[0001]本专利技术涉及活性生物炭制备
，尤其涉及一种氮硫共掺杂活性生物炭及其制备方法。

技术介绍

[0002]生物质水热处理是一种高效、先进的技术，可以直接转化高碳含量高水分的生物质原料，无需预先干燥，该过程是吸热的，通常在亚临界或超临界水条件下进行，原料通过水解、解聚和缩合分馏成有价值的成分。其中水是最环保的溶剂，它可以同时作为反应物和酸催化反应的合适介质，通过亚临界水产生的高浓度氢离子将生物质分解成小部分。水热炭化过程中的水为一系列复杂的反应提供了介质，这些反应通常会导致氢氧元素的减少、胶体结构的改变以及通过脱水去除羟基、通过脱羧消除羧基和羰基，通过促进水解作用分解一些酯和醚键。
[0003]而氮掺杂和硫掺杂会使炭材料自身的特性发生变化，这也使得杂元素掺杂炭材料受到广泛关注，水热炭化是一种实现元素掺杂的有效途径。氮硫掺杂均会实现元素在碳骨架中的替代，进而能够提高炭材料在电化学反应中的活性；另外，氮硫元素的加入能够改变炭材料表面的酸碱性，从而改善炭材料表面的亲水性能，使其在超级电容器和锂离子电池等多个领域具有良好的应用前景。
[0004]现阶段畜禽养殖场在生产过程中会产生大量的废气，若直接排放则会造成严重的空气污染，现阶段采用的处理方式均存在一定的问题，而废气中NH3和H2S是造成污染最主要的两种成分，采用水热处理的方式处理两种气体可以为解决现阶段存在的养殖场废气问题提供一定的技术支撑。
[0005]专利CN108821257A公开了一种基于荷叶的二元介孔
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微孔多级结构生物碳的制备方法，以荷叶为原料，以过硫酸铵、硫酸铵和亚硫酸铵为氮源和硫源，制备出了氮硫共掺杂的具有超疏水特性和优异电化学性能的生物炭；专利CN111498845A公开了一种氮硫双掺杂的生物炭的制备方法，其中以丝瓜络为原料，以氮气为氮源，以SO2为硫源，通过两步掺杂制备得到了氮硫双掺杂生物炭。但是，现有技术并没有以生物质为原料，以养殖场废气为氮源和硫源，通过表面活化改性，制备氮硫共掺杂活性生物炭的方法。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种氮硫共掺杂活性生物炭及其制备方法，解决了畜禽养殖场中废气难以处理的问题，还拓展了活性生物炭的制备方法。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种氮硫共掺杂活性生物炭的制备方法，包括以下步骤：
[0009]1)将生物质与水混合，得到混合液；
[0010]2)在保护气氛下，将氨气和硫化氢气体通入混合液中，得到氮硫共掺杂生物炭；
[0011]3)将氮硫共掺杂生物炭在二氧化碳气氛下活化，得到氮硫共掺杂活性生物炭。
[0012]优选的，所述生物质为农作物秸秆、果木剪枝和蔬菜尾菜中的一种或几种，生物质的粒径为0.1～0.3mm。
[0013]优选的，所述生物质与水的质量比为9～12：48～55。
[0014]优选的，所述混合液与氨气的质量体积比为60g：9～25L；硫化氢气体与氨气的体积比为1～1：1～3。
[0015]优选的，所述步骤2)中加热的温度为200～250℃，加热的时间为1.5～2.5h。
[0016]优选的，所述步骤3)中的活化温度为800～900℃，活化时间为1.2～1.8h。
[0017]优选的，所述步骤3)中活化前升温速率为4～8℃/min，升温在保护气氛下进行。
[0018]优选的，所述步骤2)和步骤3)中的保护气氛独立的为氮气气氛或惰性气体气氛。
[0019]本专利技术的另一目的是提供一种氮硫共掺杂活性生物炭的制备方法制备得到的氮硫共掺杂活性生物炭。
[0020]由于NH3可以较大程度的溶于水且呈现碱性，并同时生成铵根离子，而H2S是酸性气体，会与氢氧根离子反应并溶于水中，二者在水热反应过程中可以提供丰富的氮源和硫源。在水热反应过程中铵根和含硫元素的酸根离子可以作为水热炭化的氮源和硫源以制备氮硫共掺杂生物炭。
[0021]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0022]1、本专利技术通入的NH3和H2S均来自养殖厂废气，为解决现阶段养殖厂废气问题提供了技术支撑；本专利技术公开的生物质原料也为农业废弃物，实现了“双废处理”，将废料废气实现了资源化利用。不仅降低了氮硫共掺杂活性生物炭的制备成本，而且还实现了对环境的保护。
[0023]2、本专利技术制备的氮硫共掺杂活性生物炭的氮、硫元素掺杂量高、比表面积高，应用于超级电容电极和锂电池等领域具有了良好的电化学性能。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0025]图1为氮硫共掺杂活性生物炭制备工艺流程图。
具体实施方式
[0026]本专利技术提供了一种氮硫共掺杂活性生物炭的制备方法，包括以下步骤：
[0027]1)将生物质与水混合，得到混合液；
[0028]2)在保护气氛下，将氨气和硫化氢气体通入混合液中，得到氮硫共掺杂生物炭；
[0029]3)将氮硫共掺杂生物炭在二氧化碳气氛下活化，得到氮硫共掺杂活性生物炭。
[0030]在本专利技术中，所述生物质为农作物秸秆、果木剪枝和蔬菜尾菜中的一种或几种，生物质的粒径为0.1～0.3mm，优选为0.15～0.25mm，进一步优选为0.2mm。
[0031]在本专利技术中，所述生物质与水的质量比为9～12：48～55，优选为10～11：50～54，进一步优选为10：52。
[0032]在本专利技术中，所述氨气和硫化氢气体可以选择来自养殖场的废气，其中，氨气和硫化氢气体总量占养殖场废气的体积百分比为80～85％。
[0033]在本专利技术中，所述混合液与氨气的质量体积比为60g：9～25L，优选为60g：10～20L，进一步优选为60g：15L；硫化氢气体与氨气的体积比为1：1～3，优选为1：1.5～2.5，进一步优选为1：2。
[0034]在本专利技术中，所述步骤2)中加热的温度为200～250℃，优选为210～240℃，进一步优选为220℃；加热的时间为1.5～2.5h，优选为1.8～2.2h，进一步优选为2h。
[0035]在本专利技术中，所述步骤2)中加热后发生的反应为水热反应，该反应优选在搅拌条件下进行。其中，搅拌速率为60～100rpm，优选为70～90rpm，进一步优选为80rpm。
[0036]在本专利技术中，所述步骤3)中的活化温度为800～900℃，优选为820～870℃，进一步优选为850℃；活化时间为1.2～1.8h，优选为1.3～1.7h，进一步优选为1.5h。
[0037]在本专利技术中，所述步骤3)中活本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮硫共掺杂活性生物炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将生物质与水混合，得到混合液；2)在保护气氛下，将氨气和硫化氢气体通入混合液中，得到氮硫共掺杂生物炭；3)将氮硫共掺杂生物炭在二氧化碳气氛下活化，得到氮硫共掺杂活性生物炭。2.根据权利要求1所述的一种氮硫共掺杂活性生物炭的制备方法，其特征在于，所述生物质为农作物秸秆、果木剪枝和蔬菜尾菜中的一种或几种，生物质的粒径为0.1～0.3mm。3.根据权利要求2所述的一种氮硫共掺杂活性生物炭的制备方法，其特征在于，所述生物质与水的质量比为9～12：48～55。4.根据权利要求1～3所述的一种氮硫共掺杂活性生物炭的制备方法，其特征在于，所述混合液与氨气的质量体积比为60g：9～25L；硫化氢气体与氨气的体积比为1：1～1：3。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵立欣，孙宇轩，姚宗路，贾吉秀，霍丽丽，
申请(专利权)人：中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，
类型：发明
国别省市：