杨树木屑生产活性炭工艺研究本科论文

本科毕业论文题 目：杨树木屑生产活性炭工艺研究学 院： 专 业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 职 称： 二 O 一二 年 六 月 九 日杨树木屑生产活性炭工艺研究摘 要活性炭作为一种优质吸附剂，其应用越来越广泛，目前已广泛应用于环境保护、化学工业、食品加工、药物精制军事化学防护等多个领域，是国民经济和国防建设以及人们日常生活必不可少的产品。我国拥有十分丰富的农林废弃物，年产量达到 7 亿吨以上，目前这些数量巨大的农林废弃物除小部分用于农村建材、饲料、肥料之外，其它农林废弃物以效率极低的直接燃烧方式用作炊事燃料，造成了极大的资源浪费和环境污染。本研究以制材废弃物杨树木屑为原料，利用一定浓度的磷酸溶液浸渍后加热活化，制备活性炭吸附材料。系统研究了原料的性质对活性炭的得率的影响；通过检测产品的亚甲基蓝吸附力以及焦糖脱色力来考察浸泡时间、活化温度、活化时间、浸渍比、磷酸的波美度等不同的工艺条件对活性炭性能的影响；对相应的活化机理也进行了初步的研究。确立了调控活性炭性能的工艺方法和工艺条件。研究结论如下：磷酸法制备杨树木屑活性炭的最佳工艺参数：浸渍比为 2.51，磷酸波美度为45Be，浸泡时间 1 小时，活化温度为 500，活化时间 30 分钟左右。所制得的活性炭产品的亚甲基蓝吸附值为 23，焦糖脱色率为 122.5%。关键词： 活性炭； 杨树木屑； 磷酸活化； 工艺条件ITechnology research for production of activated carbon from poplar wood shavings AbstractActivated carbon（AC）is an important adsorbent, and is extensively used in industry such as environment al protection, chemical industry, food processing, pharmaceutical processing, and military chemistry etc，is the national economic and national defense construction and Peoples Daily life indispensable product. Our country has very rich agriculture waste, the annual output reached seven million tons above. At present, these huge amounts of agriculture waste except fraction used for rural building materials, feed, fertilizer, forestry, other outside with efficiency low waste combustion mode used for cooking fuel directly, caused a great waste of resources and environmental pollution.This study system material waste poplar sawdust as raw material, using certain concentration after the phosphoric acid dipping, active carbon adsorption heat activation preparation material. The nature of the material system research on the influence of the active carbon ratio; Through testing the product methylene blue adsorption dynamics and caramel decoloring force to investigate, soaking time, activation temperature and activation time, impregnation of phosphate than, the technology conditions of such corresponding to different influence on the performance of the active carbon; The corresponding activation mechanism has also carried on the preliminary studies. Established control method and technical performance of active carbon technology conditions. Research conclusions are as follows: Poplar wood activated carbon legal phosphate for the best technical parameters: The optimal activation condition was ratio 1:1,soaking time 6 h,phosphoric acid corresponding 45 Be,activation temperature 450 and activation time 60 min. The activated carbon products made of methylene blue adsorption value is 24, caramel determined.the decolored rate for 122.5%.Key words：activated carbon; poplar wood shavings; phosphoric acid activation; process conditions目 录1 前言 .11.1 文献综述 .71.1.1 活性炭概述 .71.1.1.1 活性炭的基本特征 .71.1.1.2 活性炭的发展概况 .91.1.1.3 活性炭的制备原料 .91.1.1.4 活性炭的制备方法 .101.1.1.5 活性炭的应用 .121.1.1.6 活性炭的分类 .161.1.2 本课题研究目的和意义 .171.1.2.1 本课题研究的目的和意义 .172 试验研究方法 .182.1 引言 .182.2 实验材料与仪器 .182.2.1 实验材料 .182.2.2 实验仪器及药品 .182.2.2.1 实验仪器 .182.2.2.2 实验药品 .192.3 实验方法 .192.3.1 杨树木屑活性炭的制备 .192.3.2 活性炭性能的测定 .202.3.3 试验设计 .203 实验结果与分析 .203.1 影响磷酸活化杨树木屑制备活性碳的单因素试验 .203.1.1 浸渍比对杨树木屑活性炭理化性能与得率的影响 .203.1.1.1 浸渍比对木屑活性炭得率的影响 .203.1.1.2 浸渍比对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响 .213.1.1.3 浸渍比对木屑活性炭焦糖脱色率的影响 .213.1.2 磷酸浓度对木屑活性炭理化性能与得率的影响 .223.1.2.1 磷酸浓度对木屑活性炭得率的影响 .223.1.2.2 磷酸浓度对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响 .233.1.2.3 磷酸浓度对木屑活性炭焦糖脱色率的影响 .243.1.3 浸泡时间对木屑活性炭理化性能与得率的影响 .253.1.3.1 浸泡时间对木屑活性炭得率的影响 .253.1.3.2 浸泡时间对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响 .253.1.3.3 浸泡时间对木屑活性炭焦糖脱色率的影响 .263.1.4 活化时间对木屑活性炭理化性能与得率的影响 .273.1.4.1 活化时间对木屑活性炭得率的影响 .273.1.4.2 活化时间对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响 .283.1.4.3 活化时间对木屑活性炭焦糖脱色率的影响 .283.1.5 活化温度对木屑活性炭理化性能与得率的影响 .293.1.5.1 活化温度对木屑活性炭得率的影响 .293.1.5.2 活化温度对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响 .30i3.1.5.3 活化温度对木屑活性炭焦糖脱色率的影响 .313.1.6 木屑颗粒度对活性炭理化性能与得率的影响 .313.1.6.1 木屑颗粒度对木屑活性炭得率的影响 .323.1.6.2 木屑颗粒度对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响 .323.1.6.3 木屑颗粒度对木屑活性炭焦糖脱色率的影响 .333.2 正交实验 .343.2.1 影响活性炭性能的工艺因素选择 .343.2.2 选用正交表 .343.2.3 正交实验结果及其极差分析 .353.2.3.1 得率的极差分析 .353.2.3.2 亚甲基蓝吸附值的极差分析 .353.2.3.3 焦糖脱色率的极差分析 .363.2.3.4 正交试验结果 .374 结论 .38致 谢 .39参考文献 .4001 前言 1.1 文献综述活性炭是一种多孔炭材料，具有高度发达的孔隙结构和巨大的比表面积。主要是生物有机物质（如煤、石油、沥青、木屑、果壳等）经炭化和活化而得到。活性炭所具有独特的孔隙结构和表面活性官能团，使得它具有吸附能力强、化学稳定性好、机械强度高、耐酸、耐碱、耐热，不溶于水和有机溶剂，能在多种条件下和广泛的 pH 值范围内使用，使用失效后易再生等特点 1-4。活性炭被广泛应用于化学工业、农业、国防、交通能源、医药卫生、以及环境保护和人类生活等各个方面，如美国环保署（USEAP）饮用水标准的 64 项有机污染物指标中，有 51 项将活性炭列为最有效技术（BAT） 5121。随着科学技术的进步和国民经济的发展，特别是近年来各国政府都加强了对环境的保护和治理力度，进一步推动了活性炭的研究与开发，出现了许多具有特殊功能的新型活性炭材料，应用领域也不断扩大，活性炭这一古老而新颖的材料已显示出良好的发展前景。其需求量随着社会发展和人民生活水平提高，逐年上升的趋势，尤其是近年来随着环境保护要求的日益提高，使得国内外活性炭的需求量越来越大，逐年增长 6。传统的活性炭制备多以木材、木炭等为原料，随着社会环保意识的增强，尤其是1998 年发生在长江、松花江、嫩江流域的特大洪水，使人们己切身体会到生态环境恶化对民族生存和可持续发展的巨大负面影响，国家迅速对自然林实行禁伐，致使木材、木炭的来源萎缩，使制备活性炭的原料受到很大限制，价格也呈上涨趋势。在此形势下，利用切实可行的新工艺，以农林废弃物原料代替木材原料制备活性炭具有很好的前景和重大的意义。因此本研究以木屑为原料，选用适宜的工艺条件制备活性炭，一方面，拓宽了活性炭的原料来源，开辟了木屑新的利用领域，另一方面，本课题的研究在保护环境，提高林产加工区农民收入水平等方面都具有较大的生态效益、经济效益和社会效益。1.1.1 活性炭概述1.1.1.1 活性炭的基本特征 7、8吸附性：吸附性质是活性炭的首要性质。活性炭具有像石墨晶粒却无规则排列的微晶。在活化过程中微晶间产生了形状不同、大小不一的孔隙，假定活性炭孔隙是圆筒孔1形状，按 IUPAC9分，活性炭孔隙可分为：微孔50nm。这些孔隙，特别是微孔提供了巨大的比表面积。微孔的孔隙容积一般约为0.250.9ml/g，孔隙数量约为 1020 个，全部微孔比表面积约为 5001500m 2/g，通常以BET 法测算，有的称高达 350050000m 2/g。活性炭几乎 95%以上的表面积都在微孔中，因此除了有些大分子进入不了外，微孔是决定活性炭吸附性能高低的重要因素。中孔的孔隙容积一般约为 0.021.0mL/g，表面积最高可达几百平方米，一般只有活性炭总表面积的约 5%。中孔能吸附蒸汽，并为吸附物提供进入微孔的通道，还能直接吸附较大的分子。大孔的孔隙容积一般约为 0.20.5mL/g，表面积只约 0.520m 2/g，其作用一是使吸附质分子快速深入活性炭内部较小的孔隙中去:二是作为催化载体时，催化剂常少量沉淀在微孔内，大都沉淀在大孔和中孔之中。活性炭表面积理应包括内表面积和外表面积，事实上吸附性质主要来自巨大的内表面积，因此不能误认为把活性炭研碎磨细会明显提高表面积从而提高吸附力。很多吸附是可逆的物理吸附，若被吸附物为液体，在一定温度和压力下被活性炭吸附，在高温低压下又可从吸附物中解吸出来，活性炭内表面恢复原状。这是广泛应用的物理吸附，学术上又称为范德华吸附。化学性：活性炭的吸附除了物理吸附外还有化学吸附。活性炭的吸附性既取决于孔隙结构，又取决于化学组成。活性炭不仅含碳，而且含少量化学结合、功能团形式的氧和氢，例如拨基、梭基、酚类、内酷类、醌类、醚类。这些表面上含有的氧化物或络合物，有些来自原料的衍生物，有些是在活化时、活化后由空气或水蒸气作用而生成。有时还会生成表面硫化物和氯化物。在活化中原料所含矿物质集中到活性炭里成为灰分，灰分的主要成分是碱金属和碱土金属盐类，如碳酸盐和磷酸盐等。这些灰分含量可经水洗或酸洗处理而降低。催化性：活性炭在许多吸附过程中伴有催化作用，表现出催化剂活性。如活性炭吸附二氧化硫经催化氧化变成三氧化硫。由于活性炭有特异的表面含氧化合物或络合物存在，对多种反应具有催化剂活性，例如使氯气和一氧化碳生成光气。活性炭具有发达的孔隙结构、巨大的内表面积和很好的耐热性、耐酸性、耐碱性，可作为催化剂载体。如有机化学中加氢、脱氢、环化、异构化等反应中，活性炭是铂、把催化剂的优良载体。机械性：下列几个指标表示活性炭的机械性，为活性炭的应用者，尤其为大量的工业应用者所重视。（1）粒度：采用一套标准筛筛分法，求出留在和通过每只筛子的活性炭重量，表示粒度分布。2（2）表观密度或堆密度：包含孔隙容积和颗粒间空隙容积的单位体积活性炭的重量。（3）体积密度或颗粒密度：包含孔隙容积而不包含颗粒间空隙容积的单位体积活性炭的重量。（4）强度:即活性炭的耐破碎性。（5）耐磨性：即耐磨损或抗磨擦的性能。这些机械性质直接影响应用，例如:密度影响容器大小；粉炭粗细影响过滤；粒炭粒度分布影响流体阻力和压降；破碎性影响使用寿命和废炭再生。因此，活性炭具有以下优点:（1）在分离和净化过程中，活性炭是唯一不需要预先严格除去水分的吸附剂，例如在空气净化中就需要这样的吸附剂。（2）与其它吸附剂相比，活性炭具有很高的比表面积，因此它可以吸附更多非极性或弱极性有机分子。例如，在一个大气压和室温下，普通活性炭的吸附量大约是.0snm 分子筛的两倍。（3）一般来说，活性炭上吸附键强度要比其它吸附剂低。因而吸附分子的解吸比较容易，而且吸附剂再生时能耗也比较低。（4）活性炭具有良好的耐酸碱和耐热性，化学稳定性较高。1.1.1.2 活性炭的发展概况活性炭有着悠久的发展历史，早在古埃及时代，人类就利用木炭来消除溃疡和伤口散发出的恶臭气味 10，11 。18 世纪末，人们首次发现木炭的吸附能力。譬如，在 1773 年，施特拉尔松市的化学家卡尔舍列报道了木炭吸附气体的作用，数年后，于 1785 年，洛维茨证实木炭能使某些液体脱色，这一发现导致木炭于 1794 年在英国精制糖厂中首次获得工业应用。在 1900 到 1901 两年中，奥斯特里科所公布的两项专利，打通了活性炭生产的现代工艺途径，植物性材料同金属氯化物共热是该专利的发明主题，同时在专利中还讨论了在加热到微赤热条件下，用二氧化碳和水蒸气活化木炭的方法 12。在第一次世界大战中，活性炭作为军需品得到了急剧的发展，其原因是化学武器在战场上出现，对化学战剂的防护被提到议事日程上。第二次世界大战开始后，活性炭作为防毒面具的重要原材料又出现了新的跃进，这个时期的特点是:煤被利用作活性炭的原材料和压块压伸工艺制造技术的发展。60 年代后，活性炭被广泛用于水和废水、废气的处理上，又促进了活性炭工业的发展。70 年代后，许多国家采用石油残渣以及其它工业上的废料为原料3制造各种用途的活性炭，活性炭的产量和质量也在不断提高。90 年代初全世界有四十多个国家建有活性炭生产厂家，年生产能力在 6070 万吨之间。以美国居首、其次是欧洲、前苏联、中国及东南亚国家。日本的活性炭工业增长很快，目前还保持着增长的势头。世界上主要生产活性炭的公司是美国的 Calgon、Ccca、Norti 和 Aiochem 公司，英国的Satclieff 一 Pseakmna 公司 13。美国是目前世界上最大的活性炭生产国和消费国。据统计，1997 年其年产量已达 21.6 万 t 左右。我国年产量已超过 10 万 t，居世界第 2 位，其次是俄罗期、日本和德国。从出口来看，我国早在 1995 年就己超过美国，成为活性炭最大的出口国 14。到 1999 年，我国的活性炭产量达到 12 万 t 以上，约占世界产量的 1/4，已步入世界活性炭生产强国之列 15。从近 10 多年的情况看，我国活性炭工业的发展趋势为：（1）活性炭厂从城市向乡村和原料产区转移，以解决污染和原料问题。（2）乡镇、个体办的活性炭小厂如雨后春笋，在很多山区成了致富门路之一。（3）对外技术合作和贸易有了突破性发展。（4）随着科技教育蓬勃发展，多行业、多部门都涉及了活性炭应用领域。目前，我国有 30 多所大学、科研所和设计院正进行有关活性炭的研究和技术开发工作，对活性炭工业的发展起到了推动作用。我国活性炭工业跟美国、西欧、日本等发达国家和地区相比仍有较大差距，如小厂多，分布相对分散，生产工艺、设备比较落后，环境污染大等等。今后随着我国工业技术进一步发展，人民生活水平不断提高，活性炭生产将飞跃到一个新的水平。1.1.1.3 活性炭的制备原料所有制造活性炭的原料均为含碳物质，目前国内外所选用的制造活性炭的原料分为五大类：煤系原料、植物原料、石油原料、高分子和工业废料以及其它。（一）煤系原料活性炭的生产过程中，煤因为储量丰富，并可制得多种优质活性炭，于是逐步成为主要原料，当前世界上以煤为原料生产的活性炭已达总产量的三分之二以上。几乎所有的煤都可以制造出活性炭 16、17 。（二）植物原料（木质原料）（1）木屑、木炭：利用木屑、木炭为原料制备活性炭，是林产化的一大分支。用木屑、木炭为原料制成的活性炭，广泛用于工业脱色、废气净化剂、医用针剂中等等。（2）果核、果壳：利用果核和果壳制备活性炭在我国的研究非常活跃，主要因为各地都有一定的资源，可利用本地土产进行小批量生产，是目前许多乡镇企业生产活性炭4的原料。用果