一种硫氮原位掺杂多孔碳材料的制备方法技术

本发明专利技术属于固废资源化利用技术领域，具体涉及一种硫氮原位掺杂多孔碳材料的制备方法，为解决目前制备碳材料成本高、污泥和高硫低阶煤难以资源化利用的难题，本发明专利技术将污泥和高硫低阶煤混合后，再经过水热碳化处理，过滤烘干后与活化剂充分混合后，置于高温管式炉中在N2气氛下活化，将活化后的材料进行盐酸和去离子水交替冲洗至中性为止。本发明专利技术方法利用污泥和高硫低阶煤作为原料，所制备出的碳含量高、结构稳定、碳材料孔隙率高，表面含氧官能团丰富，并且污泥和高硫低阶煤中的硫氮元素能够成功掺杂到碳材料的结构中。该方法可实现污泥和高硫低阶煤的高效资源化利用，为低成本高效制备硫氮掺杂多孔碳材料提供了新途径。硫氮掺杂多孔碳材料提供了新途径。硫氮掺杂多孔碳材料提供了新途径。

【技术实现步骤摘要】
一种硫氮原位掺杂多孔碳材料的制备方法


[0001]本专利技术属于固废资源化利用
，具体涉及一种硫氮原位掺杂多孔碳材料的制备方法。

技术介绍

[0002]随着我国城市化的水平不断提高，产生的生活污泥也逐年增多，预计2020年，我国污泥产量将达到6000～9000t。污泥由于其含水率高且不易脱水、含有大量的病原微生物、重金属等，导致难以实现其减量化和无害化。目前常规的处理方式是焚烧和填埋，然而焚烧会产生大量的SO2、NO
X
污染大气，填埋会造成土壤和地下水的污染。另一方面，我国低阶煤储量大，例如褐煤资源量为1291.32亿吨，约占我国煤炭总量的12.7％，每年产生的煤泥可达2亿吨。由于低阶煤，尤其是泥炭、煤泥和褐煤，具有含水率高、热值低等特点，难以成为高品质的燃料。此外，低阶煤往往还具有较高的硫含量，这导致在其燃烧时产生了大量的二氧化硫，造成了严重的环境污染。因此，实现污泥和高硫低阶煤的高效清洁的利用是十分重要的。
[0003]碳材料作为最常见的材料，广泛应用于如电池、吸附、催化等领域。为了提高碳材料的性能，杂原子掺杂是一种常用的手段之一。例如：中国专利技术专利CN 111268668 A公开了一种氮掺杂多孔纳米碳材料、制备方法及其作为锂离子电池负极材料的应用，该专利技术利用高锰酸钾溶液、硝酸锰溶液和苯胺成功制备出氮掺杂的碳材料，但是该方法需要利用纯物质和药剂，制备成本较高。
[0004]碳材料作为最常见的材料，广泛应用于如电池、吸附、催化等领域。为了提高碳材料的性能，杂原子掺杂是一种常用的手段之一。例如：中国专利技术专利CN 111268668 A公开了一种氮掺杂多孔纳米碳材料、制备方法及其作为锂离子电池负极材料的应用，该专利技术利用高锰酸钾溶液、硝酸锰溶液和苯胺成功制备出氮掺杂的碳材料，但是该方法需要利用纯物质和药剂，制备成本较高。
[0005]由于污泥中含有大量有机物及硫氮元素，是制备杂原子掺杂碳材料的理想原料之一。例如：中国专利技术专利申请CN 106966392 A公开了一种利用市政污泥制备氮硫双掺杂多孔炭材料的方法，以城市污水处理厂所产污泥为原料，通过水热炭化预处理技术和化学活化相结合的手段，制备了、氮、硫双掺杂的多孔炭材料，该制备方法仅利用污泥为原料，以污泥中的硫氮元素为硫氮源，由于污泥中的灰分含量通常会下超过50％，且固定碳含量通常不超过8％，所制备的多孔碳具有灰分含量过高、碳结构不稳定、活性基团数量少等缺点，难以成为一种高效、多功能的硫氮掺杂多孔碳。中国专利技术专利申请CN 111647907 A公开了一种自支撑杂原子掺杂污泥碳电极材料的制备方法，其特征在于将污泥和酚醛树脂置于高温管式炉中，经过高温碳化后得到多孔结构的碳材料，该制备方法中使用的污泥需经过较多的预处理例如干燥、破碎、筛分、磁力清晰等，并且由于仅利用碳化过程中有机物分解成气体后排出形成的空隙，导致碳材料的孔隙并不发达，且主要以介孔和大孔为主，并不利于提高其比表面积，另外，该方法仅适用于制备电极材料，并未涉及吸附、催化等碳材料常规应
用领域。
[0006]综上所述，实现低成本、简单且清洁的制备出高性能的碳材料十分重要。因此，本专利技术提出了一种利用污泥和高硫低阶煤协同制备高性能的硫氮原位掺杂多孔碳材料的方法。

技术实现思路

[0007]根据上述
技术介绍
的分析，本专利技术提供了一种利用污泥和高硫低阶煤协同制备硫氮原位掺杂多孔碳材料的方法，用以解决目前制备碳材料成本高、污泥和高硫低阶煤难以资源化利用的难题。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术采用了下列技术方案：
[0009]一种硫氮原位掺杂多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010]步骤1，将生活污泥和高硫低阶煤混合后，在160～320℃下，水热反应2～6h；
[0011]步骤2，水热反应结束后，将碳浆过滤得到共水热碳，再用乙醇和去离子水不断冲洗共水热碳至上层液澄清无色，将清洗干净后的共水热碳干燥；
[0012]步骤3，将干燥后的共水热碳与活化剂充分研磨混合后，在通入氮气下，进行高温活化；
[0013]步骤4，活化后的共水热碳经过酸和去离子水交替清洗至中性后，干燥，即得到原位掺杂的硫氮多孔碳材料。
[0014]进一步，所述步骤1中生活污泥的含水率为70～100％。
[0015]进一步，所述步骤1中高硫低阶煤为低阶煤或低品位煤炭资源，且全硫含量高于2％，所述低阶煤包括泥炭、煤泥、褐煤及次烟煤。
[0016]进一步，所述步骤1中生活污泥和高硫低阶煤的质量比为3～9：7～1。
[0017]进一步，所述步骤1中将生活污泥和高硫低阶煤混合后加入硫酸、硝酸或者盐酸。
[0018]进一步，所述步骤1中将生活污泥和高硫低阶煤混合后加入单质硫和硫酸。
[0019]进一步，所述步骤3中活化剂与共水热碳的质量比为1:4～1。
[0020]进一步，所述步骤3中氮气的流量为0.5～1L/min，所述高温活化的温度为600～900℃。
[0021]进一步，所述步骤4中酸为0.1～0.5mol/L的盐酸，且酸洗时需不断搅拌震荡。
[0022]与现有技术相比本专利技术具有以下优点：
[0023](1)主要利用污泥和高硫低阶煤自身所包含的硫氮元素，通过水热碳化反应实现污泥和高硫低阶煤自身的硫氮元素的原位掺杂，避免了外加氮源、硫源从而降低了成本；
[0024](2)污泥和高硫低阶煤通过水热反应形成水热碳，实现了污泥的减量化和资源化；
[0025](3)污泥由于其自身的不稳定性，会释放出大量的可溶性中间体，由于污泥的固定碳含量低，无法为这些可溶性中间体提供适合的凝结位点，造成污泥中大量的有机物(例如五甲基糠醛、呋喃)难以转化为水热碳，造成固相产率低、有机物含量少等缺点，高硫低阶煤具有丰富的碳结构，水热稳定性较高，可以为污泥分解产生的可溶性中间体提供凝结位点，污泥和高硫低阶煤水热碳化过程中存在着显著的协同效应可显著提高产率、碳含量和有机物保留率等，这些性质对于碳材料的后续利用十分重要；
[0026](4)利用污泥和高硫低阶煤制备的碳材料，表面含有大量的含氧官能团，可为其用
于吸附、催化、电化学等应用提供丰富的活性位点；最后，本制备方法条件温和，步骤简单，可直接利用高含水率的污泥，且产品稳定性好，有利于开展大规模的生产和应用。
附图说明
[0027]图1为实施例1中污泥和高硫低阶煤硫氮原位掺杂碳材料的FTIR；
[0028]图2为实施例2中污泥和高硫低阶煤硫氮原位掺杂碳材料的Roman；
[0029]图3为实施例2污泥硫和高硫低阶煤氮原位掺杂碳材料的SEM；
[0030]图4为实施例2污泥和高硫低阶煤硫氮原位掺杂碳材料的氮气吸脱附曲线；
[0031]图5为实施例2污泥和高硫低阶煤硫氮原位掺杂碳材料的孔径分布；
[0032]图6为实施例2中制备的碳材料中S的XPS；
[0033]图7为实施例2中制备的碳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硫氮原位掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将生活污泥和高硫低阶煤混合后，在160～320℃下，水热反应2～6h；步骤2，水热反应结束后，将碳浆过滤得到共水热碳，再用乙醇和去离子水不断冲洗共水热碳至上层液澄清无色，将清洗干净后的共水热碳干燥；步骤3，将干燥后的共水热碳与活化剂充分研磨混合后，在通入氮气下，进行高温活化；步骤4，活化后的共水热碳冷却至室温，经过酸和去离子水交替清洗至中性后，干燥，即得到原位掺杂的硫氮多孔碳材料。2.根据权利要求1所述的一种硫氮原位掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中生活污泥的含水率为70～100％；所述高硫低阶煤为低阶煤或低品位煤炭资源，且全硫含量高于2％，所述低阶煤包括泥炭、煤泥、褐煤及次烟煤。3.根据权利要求1所述的一种硫氮原位掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中生活污泥和高硫低阶煤的质量比为3～9：7～1。4.根据权利要求1所述的一种硫氮原位掺杂多孔碳材料的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宝凤，杨晓阳，郭彦霞，程芳琴，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：