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文章编号: 100028608 (1999) 0120073204废 植 物 炭 制 活 性 炭 的 研 究王 同 华1 ,朱 英 华1 ,铭2 ,赵 秀 琛1徐1. 大连理工大学 碳资源综合利用开放研究实验室, 辽宁 大连 116012 ;2. 大连市环境科学设计研究院, 辽宁 大连 116023摘要: 研究了废植物炭制活性炭的可行性及效果, 探讨了以水蒸汽为活化介质时活化工艺条件对活性炭吸附性能的影响, 确定了最佳活化工艺条件,并对活性炭的孔结构进行了分析探讨. 结果表明, 利用废植物炭制活性炭是 可行的, 得到的活性炭具有较高的吸附性能和丰富的孔隙结构. 废植物炭的 种类和灰分含量决定其活性炭的吸附性能. 活化后活性炭表面积的增加主 要源于其微孔表面积的增加.关键词: 活性炭; 吸附剂; 孔结构废植物炭中图分类号:TQ 424. 14文献标识码:A废植物炭是指由各种废弃植物如木屑、果壳、农作物秸杆及皮壳等经高温炭化得到的木炭. 它具有高热值、无烟、无味等特点, 可用作民用燃料和还原剂、渗碳剂、土壤改良剂等方面. 活性炭作为一种高效吸附剂, 以其丰富的孔隙结构和较高的吸附能力广泛地用于气体分离、溶 剂回收、催化剂制备及饮用水净化、环境保护等许多方面1 . 因此, 开展废植物炭制活性炭的 研究工作, 可为植物炭开辟新的应用领域.1 实验1. 1样品的制备6 种植物炭均是在 800 炭化得到的. 其中木屑炭、槐树枝炭、棕榈籽壳炭和玉米核炭为 颗粒炭, 粒度为 0. 5 3. 5 mm ; 而玉米杆炭和木糖醇炭因强度差被制成柱状炭, 直径为 2 mm.粘结剂为煤焦油, 由大连煤气公司提供.1. 2活化实验植物炭的活化是在固定床活化炉中进行的, 活化介质为水蒸汽. 活化工艺条件为: 升温速 度 15 m in , 活化温度 750 950 , 活化时间 20 80 m in , 加水量 m (H 2O ) m (C ) = 1. 24. 8.1. 3活性炭吸附性能的测定活性炭的碘值 ( A I)、酚值 (A p )、亚甲基兰吸附值 (A m ) 按国标 (GB T 12496290) 方法测定.收稿日期: 1997209210; 修订日期: 1998201210作者简介: 王同华 ( 1957 ) , 男, 副教授.大 连 理 工 大 学 学 报74第 39 卷苯吸附值 (A b ) 按静态法测定, 吸附温度为 25 , 时间为 72 h. 比表面积 ( s ) 由 ST 203 比表孔径测定仪测定.孔结构性能由 A SA P 22400 型孔径分布测定仪测定.2 实验结果与讨论2. 1植物炭的性质分析植物炭的工业分析及吸附性能如表 1 所示.表 1植物炭的工业分析及吸附性能工业分析%吸附性能分析样品A I(m g r g- 1 )A p (m g r g- 1)A b (m g r g- 1 )s(m 2 r g- 1)M adA dV daf木屑炭玉米核炭槐树枝炭棕榈籽壳炭玉米杆成型炭木糖醇渣炭5. 526. 237. 996. 854. 098. 545. 4911. 815. 305. 5016. 9622. 5012. 5812. 8111. 5610. 4429. 115. 57248. 4291. 5188. 5190. 3114. 9114. 344. 674. 0168. 3228. 7177. 1154. 184. 8-3. 5-由表 1 可看出, 木屑炭、棕榈籽壳炭和槐树枝炭的灰分较低, 其他的灰分较高.玉米杆成型炭较高的挥发分是由粘结剂煤焦油带入的. 植物炭的碘值、酚值、苯吸附值及表面积均较低, 表明植物炭的吸附性能较差.活化工艺条件的确定这里仅以木屑炭为例来探讨活化工艺条件对活性炭吸附性能的影响, 并确定活化工艺条2. 2件.图 1活化时间对木屑炭制活性炭产品收率及吸附性能的影响图 2活化温度对木屑炭制活性炭产品收率及吸附性能的影响图 3水蒸汽用量对木屑炭制活性炭产品收率及吸附性能的影响图 1 3 分别给出不同活化时间、活化温度和水蒸汽用量对由植物炭制活性炭的吸附性能及收率的影响. 结果表明, 植物炭活化反应的时间、温度及水蒸汽用量对产品活性炭的吸附性 能及收率有很大的影响. 随着活化时间的延长、活化温度的提高及水蒸汽用量的增加, 活性炭的表面积、碘值和苯吸附值均明显地增加, 产品收率明显地减少, 而酚值则基本上没有改变.但进一步延长和提高活化时间和温度则使活性炭的碘值和表面积出现极大值.一般来说, 活性炭的孔隙结构较为复杂, 孔径分布很宽. 按孔径大小可分为微孔 (孔径小王同华等: 废植物炭制活性炭的研究第 1 期75于 1. 5 nm )、中孔 (孔径为 1. 5 100. 0 nm ) 及大孔 (孔径大于 100. 0 nm ). 人们在活性炭的气、液相吸附研究中发现, 苯分子可进入到孔径大于 0. 4 nm 的孔中 ( 苯的分子直径为 0. 7 nm 0. 37 nm ) 2 . 碘值主要反映孔径为 1 nm 以上的孔表面积, 而酚值及亚甲基兰吸附值则反映孔 径为 1. 5 nm 以上的孔表面积1 . 由此可以认为, 延长时间、提高温度和增加水蒸汽用量均明显地增加活性炭的微孔, 而中孔则增加的较少, 这说明活化主要是通过增加活性炭的微孔表面积来提高活性炭的吸附性能. 然而, 由于碳与水蒸汽反应为吸热反应1 , 温度的升高和水蒸汽 用量的增加可加快反应速度, 有利于形成更多的微孔. 但太高的温度和水蒸汽用量则可使炭 的孔结构发生改变并明显地降低收率, 延长活化时间也是如此. 所以, 植物炭的活化反应应控 制在一个适宜的条件范围. 综上所述, 植物炭制活性炭适宜的活化工艺条件为: 活化时间 4060 m in , 活化温度 850 900 , 加水量每克 C 加入 3. 6 4. 8 g H 2O.2. 3 活性炭孔结构分析为探讨活性炭的孔结构性能, 按前述的工艺条件活化得到 6 种活性炭样品并测定了它们 的吸附性能及孔结构特性, 见表 2.表 2产品活性炭的吸附性能s(m 2 r g- 1 )A I(m g r g- 1)A b (m g r g- 1 )A m (m g r g- 1)样品A d %木屑活性炭槐树枝活性炭 棕榈籽壳活性炭 玉米核活性炭 玉米杆成型活性炭 木糖醇渣成型活性炭16. 7914. 7216. 9220. 2948. 8832. 501 191. 21 111. 41 013. 8949. 4755. 4788. 7881. 1820. 2661. 0442. 7379. 3387. 4381. 3254. 5228. 9202. 4203. 4182. 1124. 927. 2536. 6037. 7435. 8537. 4044. 401 077. 8778. 6892. 2由表 2 可知, 不同植物炭制得的活性炭表现出不同的吸附性能.由木屑和槐树枝制得的活性炭吸附性能较高; 其次为棕榈籽壳活性炭; 而由玉米核、玉米杆及木糖醇渣所制成的活性炭其吸附性能则相对要差一些, 这主要是它们的灰分含量较高的缘故.前面已提到, 活性炭的吸附性能可间接反映出其孔结构特性, 碘值及苯吸附值的大小可反 映出活性炭微孔的发达程度, 而亚甲基兰吸附值的大小则可反映出中孔的发达程度. 由此可以得出, 由木屑、槐树枝和棕榈籽壳炭制得的活性炭具有发达的微孔和中孔. 两个成型活性炭则具有较发达的微孔, 而玉米核活性炭的中孔则相对要多一些.表 3 给出由活性炭在液氮温度下测定的 N 2 吸附等温线计算得到的活性炭孔结构数据. 可以看出, 其结果与由气、液相吸附得到的结果是一致的. 可见, 由植物炭制得的活性炭的吸 附性能及孔结构特性与植物炭的种类及其灰分含量有关.表 3活性炭的孔结构特性中孔3 容积B E T 表面积L angm a ir 表面积中 孔表面积总孔 容积微孔 容积L angm a ir 平均孔径BJH平均孔径样品(m 2g- 1)(m 2g- 1 )(m 2g- 1 )(cm 3g- 1)(cm 3g- 1)(cm 3g- 1)nmnm木屑活性炭棕榈籽壳活性炭 玉米核活性炭 玉米杆成型活性炭1 004. 5810. 3517. 3799. 71 346. 41 077. 5690. 61 063. 1559. 3222. 1180. 1151. 20. 887 10. 498 00. 403 60. 427 30. 720 00. 241 10. 269 20. 138 80. 167 10. 256 90. 134 60. 288 42. 641. 852. 341. 615. 154. 345. 983. 673 由 BJH 法计算得到的表面积一般被认为是中孔表面积3大 连 理 工 大 学 学 报76第 39 卷3结论(1) 由废植物炭制取活性炭是完全可行的. 其活性炭的吸附性能与废植物炭的种类及灰分含量有关. 木屑、槐树枝、棕榈籽壳等木质类植物炭可制得高吸附性能的活性炭, 而玉米核及杆等农作物类植物炭制得的活性炭相对较差.(2)用水蒸汽作为活化介质时, 其适宜的活化工艺条件为: 活化时间, 40 60 m in; 活化温度, 850 900 ; 加水量, 每克 C 加入 3. 6 4. 8 g H 2O.(3) 活化后活性炭表面积的增加是因活性炭微孔明显增多的缘故.参考文献:1 凯利 H , 巴德 E. 活性炭及其工业应用 M . 魏同成 译. 北京: 中国环境科学出版社, 1990. 46.2 江口良友. 分子筛作用 持 活性炭 J . 化学工场, 1969, 13 (9) : 49.3 B A R R E T T E P , JO YN ER L G, HA L EA DA P L. T h e de te rm ina t io n o f po re vo lum e and a rea d ist r ibu t io n in po ro u s sub stance s I. com p u ta t io n f rom n it ro gen iso the rm s J . JACS, 1951, 73: 373.Prepa ra t ion ofa c t iva ted ca rbon f rom wa ste p lan t cha rcoa lsT o n g2h u a1 ,Y in g2h u a1 ,M in g2 ,X iu 2ch en 1W A N GZHUXUZHA O1.L ab. o f Com p r. U t il.o f C a rbo n. R e s. , D a lian U n iv. o f T ech no l. , D a lian 116012, C h ina ;2. D a lian D e s. and R e s. In st. o f E nv iro n. Sc i. , D a lian 116023, C h inaA bstra c t:T h e fea sib ility o f p rep a r in g ac t iva ted ca rbo n f rom w a ste p lan t ch a rco a ls w a sstud ied. T h e effec t s o f ac t iva t io n co nd it io n in steam o n ad so rp t io n cap ac ity o f ac t iva tedca rbo n s w e re in ve st iga ted, an d th e po re st ruc tu re o f ac t iva ted ca rbo n w a s a lso d iscu ssed.T h e re su lt s show th a t th e p rep a ra t io n o f ac t iva ted ca rbo n f rom w a ste p lan t ch a rco a ls is fea sib le. T h e ac t iva ted ca rbo n o b ta ined h a s a h igh ad so rp t ive cap ac ity and p len t ifu l po re st ru c tu re, and th e ad so rp t ive cap ac t ie s o f ac t iva ted ca rbo n f rom d iffe ren t w a ste p lan t ch a rco a ls dep end o n raw m a te r ia ls u sed and a sh co n ten t in th em. It is a lso fo und th a t th e inc rea se o f ad

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