醋酸镍催化炭化杉木屑制备中孔炭材料的研究开题报告.doc

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1、福建农林大学本 科 毕 业 论 文 开 题 报 告论文题目：醋酸镍催化炭化杉木屑制备中孔炭材料的研究一、 立题意义及国内外的研究现状与存在问题，主要研究内容及拟解决的关键性问题（含文献综述）1、立题意义： 活性炭是一种具有发达孔隙结构、巨大比表面积和优良吸附性能的含碳物质，广泛用于化工、制药、食品和环境保护等领域 1。随着人们对环保问题的日益重视，活性炭的需求量呈逐年增加的趋势。但由于活性炭生产工艺较繁琐，需炭化和活化工序，价格较贵，限制了其更大范围的应用。而木炭只需炭化工序，操作方便，价格较低，近年来受到人们的很大关注。考虑到木炭的吸附性能比活性炭差，因此，研究开发高比表面积、高吸附性能的可

2、与活性炭媲美的低成本的高活性木炭将具有较好的经济与社会效益及市场前景2, 3, 4。随着先进检测仪器与手段的日益更新，对木炭的研究已经成为一个热点。黄彪等5, 6, 7用不同炭化工艺对杉木木屑进行热解，用拉曼光谱、X射线衍射技术对炭化物的微晶结构进行研究，揭示了其中的演变规律与形成特点。江茂生等8结合炭化物的性质，采用傅里叶变换红外光谱，对木材炭化过程中碳网构造、表面官能团变化情况进行分析，揭示了其演变规律。本课题研究醋酸镍催化炭化杉木定向控制炭化物的最终结构，制备多功能中孔炭材料。本课题的原料为杉木屑，木屑为加工废弃物，所以成本很低，而且杉木是我国特有的重要速生用材树种，在我国森林蓄积量和木

3、材生产中占有十分重要的地位。由于世界天然林资源不断减少，许多国家和地区实行了天然林保护工程。充分利用加工剩余物来生产炭产品，以缓解木炭供需矛盾，更受到许多国家或地区的高度重视。 目前，传统的多孔炭材料（包括活性炭、炭分子筛、活性炭纤维等）的孔径主要以微孔为主，且孔径分布不一，应用于对聚合物、染料、有机电解质、蛋白质等大分子的处理常常难以满足需要9。随着科技的快速发展，具有高度结构有序性、大比表面积和窄孔径分布的中孔炭材料的应用越来越广泛。中孔炭材料具有较大的孔径、较高的比表面积等特点，在新型催化、环境净化、超级电容器电极材料等方面具有潜在应用价值10。当前中孔炭材料和主要问题是制备复杂、成本高

4、、产率低下。以来源丰富的森林废弃物杉木屑为原料，利用简易的炭化工艺，定向控制炭化物的最终结构，制备多功能中孔炭材料是一个新的研究领域，具有很大的挑战性和吸引力。综上所述，本课题利用杉木屑为原料，用醋酸镍催化炭化制备多功能中孔炭材料，具有研究意义。2国内外的研究现状:Pulido等11以日本柳杉为研究对象，对比了一步炭化工艺和二步炭化工艺对炭化产物性能的影响。试验结果表明，2种炭化工艺的炭化产物的失重率都随着温度的升高而增加，并在800时趋于稳定；对于碘的吸收性能，2种工艺都遵循朗谬尔等温吸附模型(Langmuir isotherm mode1)，但二步炭化工艺的炭化产物对碘的吸附能力明显高于一

5、步炭化工艺的产物，这是因为二步炭化工艺较高的炭化温度使得炭化产物具有较大的微孔比表面积和微孔体积。Nishimiya等12以三氧化二铝作为催化剂，利用直接电脉冲加热方法生产木炭，并用x射线光电子能谱仪检测木炭的石墨化过程。试验结果显示，三氧化二铝的加入可以增加炭化产物的导电和导热性能，导热性能约是一步炭化工艺导热性能的l0倍，同时导电和导热性能与是否加催化剂有关，而与催化剂加入量的多少无关。x射线光电子能谱仪观测的结果显示，催化剂有助于木炭的石墨化，石墨化程度在较低的催化炭化温度下与传统的高温一步炭化工艺相当。日本的T. Suzuki13研究小组于2007年首次报道了Ni 催化热解松木制备兼具

6、液相吸附的电导性双重功能的中孔结晶炭材料的研究结果。林冠烽等1415以杉木屑为研究对象，研究把第一步炭化温度控制在500 。然后将其进行第二步炭化，温度控制在8501 000，并且在第二步炭化时，不通入任何气体及使用任何化学药品，依靠设备及装样系统本身的不完全密封，引入的微量空气进行活化。研究得到两步炭化能使低比表面积和低吸附性能的木炭得到进一步活化，在很大程度上提高了其比表面积和吸附性能，扩大了木炭的使用范围及价值。我国具有丰富的木质纤维素类农林植物资源，而我们在木质炭化物高效开发利用上与发达国家相比尚有较大的差距。在环境净化方面，过去一直用活性炭作吸附剂，但成本较高。最近，有些场合开始使用

7、木炭作为吸附剂。为了改善木炭的吸附性能，尤其是提高木炭对液相大分子的吸附能力，如何利用简易的炭化工艺，一步制备出比表面积和中孔率与活性炭相当的“高吸附、多功能、高强度”新型木质炭素材料的研究将成为一种新的发展趋势。但采用过渡金属催化炭化竹、杉木等农林废弃物原料从而制备高功能化炭化物的研究至今在国内外尚未见报道。3主要研究内容:（1）催化炭化最佳工艺条件的确定（2）反应条件对炭化物孔结构的影响4拟解决的关键问题:选择合适的催化剂，确定最佳炭化工艺条件，制备出高比表面且中孔率大大提高的高功能木质炭化物。参考文献:1 崔静, 赵乃勤, 李家俊活性炭制备及不同品种活性炭的研究进展J炭素技术，2005，

8、24(1)：26312 林兰英，陈志林, 傅峰木材炭化与炭化物利用研究进展J世界林业研究，2007，20(5)：22263 黄彪，高尚愚木质炭化物高效开发利用研究综述J世界林业研究，2004，17(2）：3133.4 黄彪，高尚愚功能性木质炭素新材料的研究与开发J新型炭材料，2004，19(2)：1511575 黄彪，陈学榕，江茂生等不同炭化条件下炭化物的结构与性能表征J光谱学与光谱分析， 2006，26(3)：455458.6 黄彪杉木间伐材的炭化理论及其炭化物在环境保护中应用的研究D南京：南京林业大学，20047 黄彪，高尚愚木材炭化机理的研究炭化方法和炭化条件对杉木间伐材炭化物物性的影响

9、J林产化学与工业，2005，25(B10）：9598.8 江茂生，黄彪，陈学榕等木材炭化机理的 FT-IR光谱分析研究J林产化学与工业2005，25(2)：1620.9 常俊玲, 刘洪波, 唐冬汉等中孔活性炭材料的研究进展J材料导报，2002，16(3)：495110 孟庆函，梁晓怿，吕春祥等中孔活性炭电极储电影响因素研究J煤炭转化，2002， 25(4)：747711 Pulido L，Hata T，Yurimoto Y，et a1Adsorption capacities andrelated characteristics of wood charcoals carbonized usi

10、ng a onestep ortwostep processJJ. Wood. Sci，2001，47：4857 12 Nishimiya K，HataT，et a1Efect of aluminum compound addition on graphitization of wood charcoal by direct electric pulse heating methodJJ. Wood. Sci，2004，50：17718113 Tsutomu Suzuki Nickel-catalyzed carbonization of wood for coproduction of fu

11、nctional carbon and fluid fuels I: production of crystallized mesoporous carbon. J. J Wood Sci, 2007, 53：54-60.14 林冠烽，程捷, 黄彪等高活性木炭的制备与孔结构表征J化工进展，2007，26(7)：45545915 林冠烽,程捷, 黄彪等两步炭化法制备高活性木炭J林产化学与工业，2007，27(3)：8587 二、本课题的主要研究内容和方法、步骤、预期目的1、主要研究内容： 选用醋酸镍作为催化剂，将杉木屑进行炭化，制备高功能化炭化物。2、研究方法：（1）一步法用一定质量分数的过渡金

12、属化合物溶液浸泡原料24小时，然后将原料放入1052下干燥24小时，再放入炭化炉中进行热解反应，在不同的热解条件下分别制备炭化物，再测其得率、比表面、孔径分布和吸附等应用性能。（2）二步法先将原料（取一步法中最佳催化剂浸泡浓度）首先在500下制备炭化料，再将此炭化料作为第二步炭化的原料。第二步以5min 的升温速度到4个不同的温度（850、900，950，1000）并保温1，2，3，4h制备产物。3、研究步骤：催化剂水溶液浸渍木质废弃物升温减压除水热解反应 木质炭化物炭化物微观结构表征比表面和孔径分布测试吸附性能测试4、实验预期达到的目标通过上述试验选择合适的催化剂，并确定最佳工艺，制备出中孔率大大提高且孔径分布窄的木质炭化物。三、研究工作总体安排及具体进度2月25日3月25日 查阅资料，提交开题报告，准备实验3月25日5月25日 实验阶段 4月30日5月05日 提交中期考核表5月25日6月10日 补充、整理实验数据，撰写毕业论文6月11日6月13日 论文小组答辩6月14日6月15日 论文大组答辩四、指导教师审查意见：签字： 年 月 日五、系(教研室)审查意见： 签字： 年 月 日六、学院审查意见： 分管院长签章： 年 月 日