本發(fā)明屬于電化學(xué)冶金，具體涉及一種高溫電化學(xué)生物質(zhì)碳陽極制備方法。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有高爐煉鐵工藝存在化石燃料消耗高、co2排放量大等問題，鋼鐵工業(yè)約70%的能源消耗和80%的co2排放量來源于煉鐵系統(tǒng)，煉鐵工藝碳減排壓力巨大，現(xiàn)有各種煉鐵新工藝、新技術(shù)，尚難以實(shí)現(xiàn)零碳生產(chǎn)。鋼鐵工業(yè)co2排放問題的根本原因是以碳為還原劑和能源的工藝過程，自身已難以解決碳排放的瓶頸問題。而其他有色金屬冶煉過程也存在大量co2排放。

2、在此背景下，發(fā)展適用于高溫電化學(xué)冶金過程中的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化碳中性陽極尤為重要。廣義上生物質(zhì)包括所有植物、微生物以及以植物、微生物為食物的動(dòng)物及其生產(chǎn)的廢棄物。有代表性的生物質(zhì)如農(nóng)作物、農(nóng)作物廢棄物、木材、木材廢棄物和動(dòng)物糞便。狹義上生物質(zhì)主要是指農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)過程中除糧食、果實(shí)以外的秸稈、樹木等木質(zhì)纖維素、農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)下腳料、農(nóng)林廢棄物及畜牧業(yè)生產(chǎn)過程中禽畜糞便和廢棄物等物質(zhì)，這類物質(zhì)存在利用率低，回收麻煩等特點(diǎn)，因此通過本方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)大量的生物質(zhì)材料進(jìn)行回收利用，不存在額外產(chǎn)生碳排放情況，有效的減少了大氣污染。通過粉碎預(yù)處理提高生物質(zhì)材料表面積，增加碳化效率；通過sps燒結(jié)技術(shù)對(duì)炭黑材料進(jìn)行定型，方便后續(xù)使用；將制備好的炭黑材料作為電化學(xué)冶金陽極，進(jìn)行金屬材料制備與提純。

3、基于此，本發(fā)明提供一種高溫電化學(xué)生物質(zhì)碳陽極制備方法，旨在降低實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)過程中的能源消耗，減少二氧化碳排放，達(dá)到綠色冶金目的，有效優(yōu)化電化學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)活動(dòng)過程中大氣污染問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種高溫電化學(xué)生物質(zhì)碳陽極制備方法。具體可實(shí)現(xiàn)高溫熔鹽及熔融氧化物電解過程中能源消耗降低，減少二氧化碳排放，達(dá)到綠色冶金目的，有效優(yōu)化電化學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)活動(dòng)過程中大氣污染問題。本發(fā)明具有低能耗、低污染、高效率、操作簡單和適用性廣等特點(diǎn)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

3、一種高溫電化學(xué)生物質(zhì)碳陽極制備方法，包括以下步驟：

4、步驟一：于室溫空氣環(huán)境下，對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行破碎預(yù)處理，以便在后續(xù)處理步驟中達(dá)更理想效果。實(shí)際操作為：將適量實(shí)驗(yàn)用生物質(zhì)原料置于破碎裝置內(nèi)，對(duì)生物質(zhì)原料批量進(jìn)行數(shù)小時(shí)加工破碎，至其形貌為細(xì)碎塊體或粉末狀備用；

5、步驟二：在氬氣氣氛下，將步驟一得到的破碎后的生物質(zhì)原料置于高溫加熱爐內(nèi)，進(jìn)行加熱處理，其目的為保證生物質(zhì)原料盡可能充分燃燒，提高利用效率，在一定溫度時(shí)間作用下得到炭黑產(chǎn)物。本步驟無任何額外添加劑，僅通過高溫將原生物質(zhì)有機(jī)原料改性為硬碳無機(jī)材料；

6、步驟三：將步驟二得到的炭黑產(chǎn)物置于sps放電等離子燒結(jié)爐內(nèi)，進(jìn)行燒結(jié)處理，其目的為在一定溫度、時(shí)間和壓力作用下，使其形成致密炭黑塊體；通過本步驟，對(duì)生物質(zhì)材料進(jìn)行物理性能強(qiáng)化，使其硬度和密度都提高至石墨材料水平。燒結(jié)處理后得到的致密炭黑塊體可作為高溫電化學(xué)生物質(zhì)陽極，以便開展相應(yīng)電解或電化學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

7、可選地，步驟一中，所述生物質(zhì)原料為秸稈、落葉、樹枝等自然過程中形成以碳元素為主體的植物材料。

8、可選地，步驟二中，為保證不同生物質(zhì)材料碳化得到炭黑材料，所述加熱溫度為500℃-1600℃，加熱時(shí)間為1h-48h。

9、可選地，步驟二中，所述炭黑產(chǎn)物的純度≥99%。

10、可選地，步驟三中，為保證炭黑材料進(jìn)一步成型，sps放電等離子燒結(jié)溫度為900℃-1600℃，燒結(jié)時(shí)間為5min-60min，燒結(jié)壓力為5mpa-50mpa。

11、本發(fā)明還提供了所述方法制備得到的致密炭黑塊體，其密度≥1g/cm3，抗拉強(qiáng)度≥90mpa。

12、本發(fā)明還提供了所述致密炭黑塊體在電化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，進(jìn)一步地，將所述致密炭黑塊體作為高溫電化學(xué)陽極，開展相應(yīng)的電解或電化學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，可應(yīng)用于氯化物體系、氟化物體系等熔鹽體系，也可應(yīng)用于超高溫熔融氧化物體系，其電化學(xué)反應(yīng)溫度為300℃-1600℃，可以用于鐵、鋁、鈦等金屬元素的提取及精煉，其可承受電流密度為0.01a/cm2-10a/cm2。

13、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果如下：

14、1）、炭黑材料原料豐富，造價(jià)低廉，可大范圍的使用；

15、2）、炭黑陽極制備過程操作簡單，可重復(fù)性高；

16、3）、炭黑陽極制備過程能耗低，可大量制備，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)電極大小；

17、4）、采用制備炭黑電極參與電解，適用體系廣泛，可減少co2產(chǎn)生，到綠色冶金目的，有效優(yōu)化電化學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)活動(dòng)過程中大氣污染問題。

技術(shù)特征：

1.一種高溫電化學(xué)生物質(zhì)碳陽極制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫電化學(xué)生物質(zhì)碳陽極制備方法，其特征在于，步驟一中，所述生物質(zhì)原料為自然過程中形成以碳元素為主體的植物材料，選自秸稈、落葉、樹枝中的至少一種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫電化學(xué)生物質(zhì)碳陽極制備方法，其特征在于，步驟二中，所述加熱溫度為500℃-1600℃，加熱時(shí)間為1h-48h。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫電化學(xué)生物質(zhì)碳陽極制備方法，其特征在于，步驟三中，sps放電等離子燒結(jié)溫度為900℃-1600℃，燒結(jié)時(shí)間為5min-60min，燒結(jié)壓力為5mpa-50mpa。

5.權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述方法制備得到的致密炭黑塊體。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的致密炭黑塊體，其特征在于，其密度≥1g/cm3，抗拉強(qiáng)度≥90mpa。

7.權(quán)利要求5所述的致密炭黑塊體在電化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于，將所述致密炭黑塊體作為高溫電化學(xué)陽極進(jìn)行電解或電化學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，其電化學(xué)反應(yīng)溫度為300℃-1600℃。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于，將所述致密炭黑塊體用于金屬元素的提取及精煉。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于，所述金屬元素選自鐵、鋁、鈦中的至少一種。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種高溫電化學(xué)生物質(zhì)碳陽極制備方法，屬于電化學(xué)冶金領(lǐng)域，包括以下步驟：步驟一：于室溫空氣環(huán)境下，對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行破碎預(yù)處理；步驟二：在氬氣氣氛下，將步驟一得到的破碎后的生物質(zhì)原料置于高溫加熱爐內(nèi)，進(jìn)行加熱處理得到炭黑產(chǎn)物；步驟三：將步驟二得到的炭黑產(chǎn)物置于SPS放電等離子燒結(jié)爐內(nèi)，進(jìn)行燒結(jié)處理得到致密炭黑塊體。所述致密炭黑塊體可作為高溫電化學(xué)生物質(zhì)陽極，進(jìn)行相應(yīng)電解或電化學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明具有低能耗、低污染、高效率、操作簡單和適用性廣等特點(diǎn)?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)廢棄生物質(zhì)的可持續(xù)利用，減少二氧化碳排放，有效優(yōu)化電化學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)活動(dòng)過程中大氣污染問題，該方法可應(yīng)用于多種體系進(jìn)行多類別金屬生產(chǎn)與精煉。

技術(shù)研發(fā)人員：焦樹強(qiáng),高陽,陶欣,葛建邦,王哲,寇明銀,孫俊杰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9