本發(fā)明屬于生物炭制備，具體涉及一種具有碳固定-碳捕集-原位轉(zhuǎn)化功能的生物炭及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，全球變暖引發(fā)的氣候變化問(wèn)題越來(lái)越顯著。極端天氣頻繁發(fā)生，給人類(lèi)和自然造成了巨大的影響，其主要原因之一是co2的大量排放。co2是最主要的溫室氣體，其主要來(lái)源于化石能源的開(kāi)發(fā)及使用。雖然我國(guó)正積極部署清潔能源以降低煤炭在能源中的比重，但co2排放量仍呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，碳減排問(wèn)題愈發(fā)緊迫。

2、生物固碳技術(shù)是一種環(huán)境友好的碳減排技術(shù)。生物質(zhì)通過(guò)光合作用可將co2轉(zhuǎn)化為碳水化合物，以有機(jī)碳的形式固定在植物體內(nèi)。我國(guó)生物質(zhì)資源豐富，將農(nóng)林有機(jī)廢棄物、工業(yè)有機(jī)垃圾等廢棄生物質(zhì)通過(guò)熱解炭化技術(shù)轉(zhuǎn)化為性質(zhì)穩(wěn)定的生物炭是一種可行的負(fù)排放技術(shù)，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有重要意義。

3、碳捕集、利用與封存(ccus)技術(shù)也是一種切實(shí)可行的co2減排技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、生物質(zhì)/燃煤電廠等低濃度co2固定排放源。捕集的co2后續(xù)可轉(zhuǎn)化為高價(jià)值化工品，實(shí)現(xiàn)co2的資源化利用。胺溶液吸收法和固體吸附法是兩種應(yīng)用最廣泛的co2捕集技術(shù)。胺溶液吸收法不可避免的會(huì)產(chǎn)生胺逃逸和腐蝕性問(wèn)題，固體吸附法具有操作簡(jiǎn)單、再生能耗低的特性，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。其中，吸附劑是co2高效捕集轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。生物炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，易于調(diào)控的表面化學(xué)性質(zhì)和低成本優(yōu)勢(shì)，將其用于co2捕集，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)碳固定和碳捕集功能。然而，直接熱解法制備的生物炭缺乏特異官能團(tuán)，導(dǎo)致co2吸附容量較低。此外，生物炭吸附co2后通常采用解吸、壓縮過(guò)程得到純度較高的co2，以進(jìn)行后續(xù)資源化利用。苯乙烯環(huán)狀碳酸酯是一種重要的“綠色化學(xué)品”，通過(guò)co2和環(huán)氧乙烷在溫和條件下即可制得。然而，苯乙烯環(huán)狀碳酸酯也主要采用純度較高的co2(>99％)作為原料，難以針對(duì)固定源中低濃度co2進(jìn)行原位轉(zhuǎn)化。生物炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，既可以作為吸附劑，又可以作為催化劑載體，有望實(shí)現(xiàn)低濃度co2捕集與原位轉(zhuǎn)化一體。開(kāi)發(fā)一種集碳固定-碳捕集-原位轉(zhuǎn)化功能于一體的生物炭，對(duì)實(shí)現(xiàn)固定源低濃度co2資源化具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、解決的技術(shù)問(wèn)題：針對(duì)現(xiàn)有生物炭的co2吸附性能差、低濃度co2難以原位轉(zhuǎn)化為高價(jià)值化工品的問(wèn)題，本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種具有碳固定-碳捕集-原位轉(zhuǎn)化功能的生物炭的制備方法，該方法采用廢棄生物質(zhì)與氮源共熱解，制備氮摻雜生物炭，然后采用硝酸鋅溶液浸漬使其具備吸附-原位轉(zhuǎn)化功能，該方法原料來(lái)源廣泛，成本低，流程簡(jiǎn)單，便于工業(yè)化生產(chǎn)。

2、本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供一種具有碳固定-碳捕集-原位轉(zhuǎn)化功能的生物炭及其應(yīng)用，基于本發(fā)明提供的一種具有碳固定-碳捕集-原位轉(zhuǎn)化功能的生物炭的制備方法，生物炭具有豐富的氮元素，可提高對(duì)co2的吸附性能，同時(shí)負(fù)載硝酸鋅，具有催化活性位點(diǎn)，可將捕集的co2在溫和條件下原位轉(zhuǎn)化為苯乙烯環(huán)狀碳酸酯，表現(xiàn)出優(yōu)異的固碳-捕集-原位轉(zhuǎn)化效果。

3、技術(shù)方案：一種具有碳固定-碳捕集-原位轉(zhuǎn)化功能的生物炭的制備方法，包括以下步驟：

4、s1.將廢棄生物質(zhì)水洗過(guò)濾、烘干后，與氮源混合研磨，置于管式爐中，在惰性氣氛中依次進(jìn)行熱解炭化和物理活化，冷卻后得氮摻雜生物炭；

5、s2.將氮摻雜生物炭加入硝酸鋅溶液中，攪拌混合后烘干，得到具有碳固定-碳捕集-原位轉(zhuǎn)化功能的生物炭。

6、優(yōu)選的，所述廢棄生物質(zhì)選自果殼、廢木屑、秸稈、咖啡渣、沼渣中的一種或幾種。

7、優(yōu)選的，所述氮源為尿素、三聚氰胺或石墨相氮化碳。

8、優(yōu)選的，所述s1中廢棄生物質(zhì)與氮源的質(zhì)量比為1：(0.5～2)。

9、優(yōu)選的，所述s1具體為：將廢棄生物質(zhì)水洗過(guò)濾、置于80℃烘箱烘干，與氮源混合研磨至10～100目，置于管式爐中，在惰性氣氛條件下，升溫速率為3～5℃/min，在400～600℃下炭化1～2h，然后在700～900℃下物理活化0.2～1h。

10、優(yōu)選的，所述s1中惰性氣氛為氮?dú)?、氬氣或氦氣?/p>

11、優(yōu)選的，所述s1中物理活化的氣氛為co2、水蒸氣或其混合。

12、優(yōu)選的，所述s2中硝酸鋅溶液的溶質(zhì)為zn(no3)2·6h2o，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％～20％，氮摻雜生物炭與zn(no3)2·6h2o的質(zhì)量比為(1～4)：1。

13、優(yōu)選的，所述s2中攪拌時(shí)間為24h，烘干溫度為80～100℃。

14、由上述方法制備得到的具有碳固定-碳捕集-原位轉(zhuǎn)化功能的生物炭。

15、上述生物炭在碳固定、碳捕集和原位轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用，具體為：將所述生物炭在體積分?jǐn)?shù)為15％的co2氣流中，40～60℃吸附飽和后，置于摩爾比為1:100的四丁基溴化銨與氧化苯乙烯的混合溶液中，60～80℃下攪拌24h，離心分離，得到苯乙烯環(huán)狀碳酸酯。

16、有益效果：本發(fā)明采用環(huán)境友好的廢棄生物質(zhì)作為碳源，獲得了一種具有碳固定-碳捕集-原位轉(zhuǎn)化功能的生物炭，有利于促進(jìn)減污降碳，同時(shí)制備方法簡(jiǎn)便，便于工業(yè)化生產(chǎn)。

17、本發(fā)明制得的具有碳固定-碳捕集-原位轉(zhuǎn)化功能的生物炭，增強(qiáng)了生物炭氮活性位點(diǎn)，改善了生物炭對(duì)co2捕集性能，相比普通生物炭，吸附容量可提高5倍左右；同時(shí)突破了現(xiàn)有生物炭功能單一，難以實(shí)現(xiàn)低濃度co2捕集與原位轉(zhuǎn)化的難點(diǎn)，在溫和條件下即可實(shí)現(xiàn)低濃度co2的捕集并轉(zhuǎn)化為苯乙烯環(huán)狀碳酸酯，表現(xiàn)出優(yōu)異的固碳效益以及碳捕集-原位轉(zhuǎn)化效果。

技術(shù)特征：

1.一種具有碳固定-碳捕集-原位轉(zhuǎn)化功能的生物炭的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有碳固定-碳捕集-原位轉(zhuǎn)化功能的生物炭的制備方法，其特征在于，所述廢棄生物質(zhì)選自果殼、廢木屑、秸稈、咖啡渣、沼渣中的一種或幾種；所述氮源為尿素、三聚氰胺或石墨相氮化碳。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有碳固定-碳捕集-原位轉(zhuǎn)化功能的生物炭的制備方法，其特征在于，所述s1中廢棄生物質(zhì)與氮源的質(zhì)量比為1：（0.5~2）。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有碳固定-碳捕集-原位轉(zhuǎn)化功能的生物炭的制備方法，其特征在于，所述s1具體為：將廢棄生物質(zhì)水洗過(guò)濾、置于80?℃烘箱烘干，與氮源混合研磨至10~100?目，置于管式爐中，在惰性氣氛條件下，升溫速率為3~5?℃/min，在400~600℃下炭化1~2?h，然后在700~900?℃下物理活化0.2~1?h。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有碳固定-碳捕集-原位轉(zhuǎn)化功能的生物炭的制備方法，其特征在于，所述s1中惰性氣氛為氮?dú)?、氬氣或氦氣?/p>

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有碳固定-碳捕集-原位轉(zhuǎn)化功能的生物炭的制備方法，其特征在于，所述s1中物理活化的氣氛為co2、水蒸氣或其混合。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有碳固定-碳捕集-原位轉(zhuǎn)化功能的生物炭的制備方法，其特征在于，所述s2中硝酸鋅溶液的溶質(zhì)為zn(no3)2·6h2o，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%~20%，氮摻雜生物炭與zn(no3)2·6h2o的質(zhì)量比為（1~4）：1。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有碳固定-碳捕集-原位轉(zhuǎn)化功能的生物炭的制備方法，其特征在于，所述s2中攪拌時(shí)間為24h，烘干溫度為80~100℃。

9.根據(jù)權(quán)利要求1~8任一項(xiàng)所述方法制備得到的具有碳固定-碳捕集-原位轉(zhuǎn)化功能的生物炭。

10.權(quán)利要求9所述的生物炭在碳固定、碳捕集和原位轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用，其特征在于，所述應(yīng)用具體為：將所述生物炭在體積分?jǐn)?shù)為15%的co2氣流中，40~60?℃吸附飽和后，置于摩爾比為1:100的四丁基溴化銨與氧化苯乙烯的混合溶液中，60~80?℃下攪拌24?h，離心分離，得到苯乙烯環(huán)狀碳酸酯。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有碳固定?碳捕集?原位轉(zhuǎn)化功能的生物炭及其制備方法和應(yīng)用，該制備方法包括以下步驟：將廢棄生物質(zhì)水洗過(guò)濾、烘干后，與氮源混合研磨，置于管式爐中，在惰性氣氛中依次進(jìn)行熱解炭化和物理活化，冷卻后得氮摻雜生物炭；將氮摻雜生物炭加入硝酸鋅溶液中，攪拌混合后烘干，得到具有碳固定?碳捕集?原位轉(zhuǎn)化功能的生物炭。本發(fā)明生物炭碳得率高，可有效捕集固定源低濃度CO<subgt;2</subgt;，并在四丁基溴化銨與氧化苯乙烯混合溶液中可將捕集的CO<subgt;2</subgt;原位轉(zhuǎn)化為苯乙烯環(huán)狀碳酸酯，表現(xiàn)出顯著的固碳效益及優(yōu)異的碳捕集?原位轉(zhuǎn)化效果。

技術(shù)研發(fā)人員：陳登宇,李津津,崔東旭,周建斌,馬歡歡,章一蒙,王亮才,岑珂慧
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京林業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8