一种节能功能焦炭的制备方法与流程

本发明属于功能焦炭制备，尤其涉及一种节能功能焦炭的制备方法。

背景技术：

1、焦炭主要服务于冶炼行业，在我国已有几百年的发展历史，是人类生产生活中不可或缺的能源物质。传统焦炭冶炼行业是简单的一种烟煤或多煤种通过合理配比混合炼制，在铜或铁等的冶炼中起还原、支撑或燃料的作用。根据iea年的预测，截止2030年，全世界对煤炭的使用将占到一次能源的28.8％，按照现在世界煤炭的开采速率计算，煤炭仅还可采122年，这迫使人类不得不思考如何采用节能材料替代或部分替代煤炼焦及使用何种手段合理利用节能材料才能实现焦炭的可持续发展，延缓资源的枯竭危机。

2、生物质废弃物如：稻壳、秸秆、高粱穗、水果皮等年产量高，且处理困难。当前我国对这类生物质废弃物的处理方式多为填埋或焚烧处置，这不仅会造成环境压力，还会造成废弃物中有价元素的浪费。因此，综合利用生物质废弃物，开发废弃物内有价元素的应用方式，具有极强的经济及环境效益。

3、碳量子点制备是近年来新兴的工艺技术。所谓碳量子点，即将碳、氮源有机结合的一种类球状结构的荧光纳米材料。碳量子点的组成和结构较为多样，导致其性能的多样性。碳量子点因其具有良好稳定的荧光特性、生物相容性、低毒性等，现被广泛应用于生物成像、环境检测和电化学等领域的研究。但同时碳量子点还具备还原性能，可作为还原催化剂参与冶炼行业的反应中。然而仅有少量文献资料记录了碳量子点作为催化剂，修饰合金或在合金冶炼等领域的应用情况。申请号为202010960870.9的中国专利《一种碳量子点负载钴钌合金复合材料及其制备方法、应用》公布了一种碳量子点负载钴钌合金复合材料及其制备方法，其分别将含钴、含钌的水溶性盐溶液加入到碳量子点溶液中，利用水热法制备成前驱体粉末，后经焙烧得到碳量子点负载钴钌合金复合材料，该材料可作为氨硼烷产氢的催化剂，碳量子点和钴钌合金的协同，可扩大催化剂的接触面积，使金属纳米材料分散更均匀，避免团聚，并提高催化活性。申请号为202211532842.2的中国专利《一种以碳量子点为碳源制备高强韧tza钼合金的方法》公开了一种以碳量子点制备高强韧tmz钼合金的方法，该专利以无水乙二胺和柠檬酸为原料，水热法制得碳量子点，再以一定比例将钼、钛、锆与碳量子点混合制得合金粉后烧结制得tzm合金。该方法利用了碳量子点纳米尺度、高表面能急热稳性等特点，通过改变碳源物相本征特征改善碳原子对合金原子的吸附性能，使得合金均匀降氧并实现tzm合金各元素比例的调控，进而调控合金成分、结构，提高合金性能。申请号为202311295843.4的中国专利《一种节能的高碳铬铁冶炼工艺》公开了一种通过秸秆制备碳量子点的工艺和碳量子点协同升温冶炼合成高碳铬铁的工艺，该专利以秸秆为原料，采用水热法制得碳量子点并将碳量子点与由铬铁矿粉、镍铁矿粉、锰铁矿粉、焦炭、膨润土、除尘灰等混合而成的物料一同造粒，形成湿料团，湿料团干燥后入炉精炼，浇筑成型得到高碳铬铁。该方法实验以秸秆为原料制备的碳量子点作为还原的催化剂冶炼铁合金，实现固体废弃物的综合利用的同时，碳量子点能有利于反应过程中晶粒的生长和相变的发生，减少缺陷形成，提高了合金材料的性能。由此，充分可以论证碳量子点的催化性能应用于冶金行业的可行性。目前，以碳量子点作为部分碳源的补充并修饰优化焦炭的技术却未见报道。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种节能功能焦炭的制备方法，利用废物农业生物质废料玉米须、橘子皮为原料，制备成碳量子点材料，并将碳量子点负载于传统焦炭，制备得到新型节能功能性焦炭。该方法不仅充分利用农作物废料、提高其附加价值，减少煤炭消耗并且制得的焦炭结构均匀、粒度增大、焦炭强度提高、还原性能增强且能提高焦炭在冶金中的使用安全性和降低能耗。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

3、一种节能功能焦炭的制备方法，该方法是利用玉米须、橘子皮为原料，采用微波法制备得到碳量子点材料，并将碳量子点材料负载在焦炭上，得到节能型功能焦炭，具体包括以下步骤：

4、1)碳量子点材料的制备：将洗净后的玉米须、橘子皮充分洗净晾干并破碎，并按照玉米须：橘子皮＝2:1～5:1的比例混合后，放入马弗炉中碳化，制得生物基碳颗粒；将生物基碳颗粒研磨成粉末，过筛筛分后，将其加入到3-氨基-4-羟基苯磺酸溶液中混合均匀，将混合液放入微波炉中进行微波消解，得到生物基碳量子点溶液，备用。其中，生物基碳颗粒与3-氨基-4-羟基苯磺酸溶液的配加比例为1～10g/100ml。

5、①玉米须、橘子皮利用去离子水反复清洗3～5遍后，空气中自然风干，将其破碎成0.3～0.5cm，按照2:1～5:1的比例混合于坩埚中。将装有玉米须、橘子皮混合物的坩埚放入马弗炉中180℃～220℃碳化0.5～1h后取出，得到生物基碳颗粒。

6、②将生物基碳颗粒研磨后，用100目不锈钢网分选，得到筛分物备用。

7、③将生物基碳颗粒粉煤加入浓度为4～6mg/ml的3-氨基-4-羟基苯磺酸水溶液中混合均匀，放入微波炉中，微波炉功率调至750w～800w，消解10～15min后，取出冷却，用真空泵抽滤，得到澄清滤液即为生物基碳量子点溶液。

8、2)节能功能焦炭的制备：将粒径为25～40mm的焦炭加入生物基碳量子点溶液中，转移至管式加热炉中，在550℃～600℃流动空气中煅烧10～12h，得到生物基碳量子点负载焦炭，即节能型功能焦炭。

9、焦炭与生物基碳量子点的配入比例应满足碳量子点的负载量为5mass％～7mass％。

10、与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

11、1)本发明的一种节能功能焦炭的制备方法以废弃农作物为原料，将其制备成生物基碳量子点负载于传统焦炭表面，提高焦炭性能的同时，实现固体废弃物的综合利用及缓解煤炭资源快速消耗的作用。

12、2)本发明的一种节能功能焦炭的制备方法，在传统焦炭表面负载碳量子点，孔径大、比表面积大且实现了传统焦炭协同碳量子点共同协同参与还原反应，还原性能大幅度提高，提高金属冶炼的收率。

13、3)本发明的一种节能功能焦炭的制备方法，所制备的焦粒较原始焦粒粒度增加1.5mm～2mm，焦炭冷强度m40增加0.5％～1.5％，m10增加0.5％～2％，焦炭热强度csr增加1％～5％。cri增加1％～3％，能够满足在金属冶炼中的催化及骨架支撑作用。

14、4)本发明的一种节能功能焦炭的制备方法，所制备的焦炭受热均匀，且生物基碳量子点的负载，有助于金属冶炼过程中相变的发生，缩短冶炼时间，提高冶炼效率，降低能耗且可确保生产的安全性。

15、5)本发明的一种节能功能焦炭的制备方法，其材料易得，方法简单，易于操控，成本较低，且环境友好。

技术特征：

1.一种节能功能焦炭的制备方法，其特征在于，该方法是利用玉米须、橘子皮为原料，采用微波法制备得到碳量子点材料，并将碳量子点材料负载在焦炭上，得到节能型功能焦炭，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种节能功能焦炭的制备方法，其特征在于，所述玉米须、橘子皮利用去离子水反复清洗3～5遍后，空气中自然风干，然后破碎成0.3～0.5cm。

3.根据权利要求1所述的一种节能功能焦炭的制备方法，其特征在于，所述的步骤1)中马弗炉的碳化温度为180℃～220℃，碳化时长为0.5～1h。

4.根据权利要求1所述的一种节能功能焦炭的制备方法，其特征在于，所述的3-氨基-4-羟基苯磺酸水溶液的浓度为4～6mg/ml。

5.根据权利要求1所述的一种节能功能焦炭的制备方法，其特征在于，所述的微波炉的功率为750w～800w，消解时间为10～15min。

6.根据权利要求1所述一种节能功能焦炭的制备方法，其特征在于，所述的步骤1)中，生物基碳颗粒研磨成粉末，过100目筛。

7.根据权利要求1所述一种节能功能焦炭的制备方法，其特征在于，焦炭与生物基碳量子点的配入比例应满足碳量子点的负载量为5mass％～7mass％。

技术总结本发明涉及一种节能功能焦炭的制备方法，该方法是利用玉米须、橘子皮为原料，采用微波法制备得到碳量子点材料，并将碳量子点材料负载在焦炭上，得到节能型功能焦炭。本发明利用废物农业生物质废料玉米须、橘子皮为原料，制备成碳量子点材料，并将碳量子点负载于传统焦炭，制备得到新型的节能功能性焦炭。该方法不仅充分利用农作物废料、提高其附加价值，减少煤炭消耗并且制得的焦炭结构均匀、粒度增大、焦炭强度提高、还原性能增强且能提高焦炭在冶金中的使用安全性和降低能耗。技术研发人员：徐维利,杨爽,段福彬,李振宇,王飞,张卫东,吴成林,张世东,尹伟,张永兴受保护的技术使用者：建龙西林钢铁有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/30