一次性筷子制备活性炭的研究

1、攀枝花学院本科毕业设计（论文）一次性筷子制备活性炭的研究学生姓名： 李俊翰 学生学号： 200310519049 院（系）： 材料工程系 年级专业：2003级材料科学与工程 指导教师： 孙 艳 助教（硕士）助理指导教师： 二七年六月攀枝花学院本科毕业设计（论文） 摘 要摘 要我国是一次性筷子的生产大国，年产量约450亿双。大部分使用后的一次性筷子被烧掉，对环境造成相当大的破坏。本论文对废弃一次性筷子的综合利用作探索性的实验研究，即以一次性筷子为原料制备活性炭，该技术的产业化不仅可避免农林废弃物对环境造成污染，而且能生产出具有高附加值的产品，同时对拓宽活性炭的原料来源具有十分重要的现实意义。论文

2、采用条件实验比较氢氧化钾法、氯化锌法和磷酸法对一次性筷子活化效果的影响。结果表明，磷酸法制备出的活性炭性能优于另外两种方法。以磷酸为活化剂，研究了浸渍比、活化温度、活化剂浓度、活化时间对活性炭的得率和碘吸附值的影响。根据条件实验的结果，选择活化剂浓度、活化温度、浸渍比三个主要因素，进行正交实验。实验结果表明，在最佳工艺条件：活化剂浓度50，活化温度500，浸渍比3:1，活化时间60min，浸渍时间13h下，所制得活性炭的碘吸附值为832.13mg/g。关键词 一次性筷子，活性炭，磷酸，碘吸附值II攀枝花学院本科毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTChina is the coun

3、try that produces lots of disposable chopsticks in the world, the annual outputs are about 45 billion pairs. Most of the used disposable chopsticks were burned, and thus had caused considerable environmental damage. This paper studied the comprehensive utilization of discarded disposable chopsticks

4、for the exploratory research, that the preparation of activated carbon with disposable chopsticks. The industrialization of the technology can not only avoid the agricultural and forestry waste to pollute the environment, but also high value-added products can be produced. Meanwhile, it was of great

5、 realistic significance to broaden the sources of raw materials. In this paper, with the chemical activating of mixture of disposable chopsticks and activator, high adsorption value activated carbon was made. First, the KOH，ZnCl2，H3PO4 were chose as the activator . Then the effects of the three prep

6、aration methods on the activated carbon were investigated. The results showed that this kind of activated carbon was the best, which using H3PO4 as activator. Then the H3PO4 was chose as the activator, studying the effects of the mass ratio，the activating temperature，the concentration of activator a

7、nd activating time on the properties of activated carbon. Then, according to the results, the concentration of activator，activating temperature，the mass ratio were chose as the main three factors to do orthogonal tests. The optimum conditions were obtained, such as: the concentration of activator wa

8、s 50, the activating temperature was 500, the mass ratio was 3:1, activating time was 60 min, impregnation time was 13 hours. Accordingly, the iodine adsorption of the product was 832.13mg/g.Key words Disposable chopsticks, Activated carbon, H3PO4, Iodine adsorption攀枝花学院本科毕业设计（论文） 目 录目 录摘 要IABSTRACT

9、II目 录11 绪 论12 活性炭概述22.1 活性炭的研究现状及发展趋势22.2 制备活性炭的原料种类2植物类原料3矿物类原料3塑料类原料4其他材料42.3 活性炭的制备方法简介4化学活化法5物理活化法6催化活化法6界面活化法6聚合物炭化法7铸型炭化法72.4 活性炭的结构与性质72.5 活性炭的应用8水质净化8污水处理8回收有机溶剂和净化废气9在医学领域的应用9活性炭作为催化剂的载体9其他用途102.6 主要性能检测指标10活性炭的物理性能检测10活性炭的吸附性能检验112.7 存在的问题及今后的发展方向12调整产品结构及开发新产品12应用领域的拓宽122.8 本论文的研究目的和意义122

10、.9 本章小结123 实验研究143.1 主要仪器及设备143.2 主要试剂和原料143.3 实验原理143.4 实验工艺流程14配制溶液14原料的处理15原料的活化及产品的形成16产品碘吸附值的测定163.5 实验过程18活化剂的选择实验18条件实验18正交实验183.6 本章小结184 实验结果与分析194.1 活化剂对产品得率及性能的影响194.2 磷酸法活化一次性筷子的条件实验19浸渍比对活化效果的影响19活化剂浓度对活化效果的影响20活化温度对活化效果的影响22活化时间对活化效果的影响23单因素条件实验结果244.3 磷酸法活化一次性筷子的正交实验244.4 活性炭的微观形貌观察27

11、4.5 活性炭的能谱分析284.6 本章小结29结 论30参考文献31致 谢33攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 绪 论1 绪 论活性炭是一种非常优良的吸附剂，它是利用木炭、各种果壳和优质煤等作为原料，通过物理和化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和筛选等一系列工序加工制造而成的具有丰富孔隙结构和巨大比表面积的碳质吸附材料,它具有吸附能力强、催化性能好、化学稳定性好、力学强度高、耐酸碱、耐热、不溶于水和有机溶剂、易再生等优点，是一种环境友好型吸附剂1。绝大部分含碳物质都可制备活性炭2,如木材、锯末、煤类、泥炭类、果壳、果核、蔗渣及稻壳、石油废料、废旧塑料、废旧皮革、废轮胎、造

12、纸废料、城市垃圾等废弃物。目前普遍认为果壳是制备活性炭的最佳原料。但我国果壳资源十分有限，且不易集中、贮存、价格昂贵。近年来，国内外对各种价格较低、来源广泛的废弃物相继进行了制备活性炭的试验3。目前由废弃物制得的活性炭性能并不高，实际应用还较少，但因其价格低廉、含碳率高、材料易得、原料充足且绿色无毒而日益受到青睐。有效地利用废弃物生产活性炭，不仅可节约资源且有利于保护生态环境。活性炭广泛用于化工、冶金、国防、核能、工业三废治理、溶剂回收、食品饮料提纯、载体、医药、黄金提取、城市建设、环境保护、半导体应用、电池和电能贮存等，具有广阔的发展前景。我国是一次性筷子的生产大国，据有关资料显示，我国每年

13、消耗一次性筷子450亿双，耗费木材166万立方米，需要砍伐大约2 500万棵大树，减少森林面积200万平方米。大部分一次性筷子被烧掉，既浪费资源又污染环境，少部分一次性筷子回收加工用于造纸，但也对环境造成相当大的破坏。为了使废弃物发挥最大的作用，变废为宝，对一次性筷子进行合理、无害的处理利用是非常必要的。用活化剂对一次性筷子进行预处理，经炭化、活化后，可以得到强度较高的颗粒活性炭。所以，本课题的研究有着巨大的社会、环境和经济效益，值得我们去共同探讨。33攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 活性炭概述2 活性炭概述2.1 活性炭的研究现状及发展趋势活性炭工业形成于20世纪初的欧洲。在1900到1

14、901的两年中，是奥斯特里科（Ostrejko）所公布的两项专利，才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，同时在专利中还论述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。1914年，在阿袅希克的化学工厂和1915年在巴仪埃尔染料厂，为生产炭精，首次实现以氯化锌化学活化木屑。这种粉状炭主要是在化学工业和制糖工业中用作清洁剂与脱色剂。随后人们发现用各种原料制成的炭中，椰壳炭具有最出色的吸附性能，且质地致密而坚固，在一战中用于防毒面具，是当时能得到的唯一的高级吸附剂4。 二战前后活性炭工业在美国大力发展，从那以后美国的活性炭产量一直居世界第一位，美

15、国活性炭生产原料主要是木材、褐煤、椰壳、木炭等，制造方法多采用水蒸气活化和磷酸活化，生产活化炉采用多层耙式炉、回转炉、液化床炉。日本也是活性炭生产和消费量最大国之一，粉状活性炭主要用于精制脱色和净水，颗粒活性炭主要用于水处理和吸附气体。俄罗斯也是从事活性炭研究、生产较早的国家。由于国外活性炭工业起步较早，6070年代已经形成规模，80年代后这些活性炭公司不仅经营活性炭产品，还扩大到活性炭生产设备和使用设备领域。目前，我国也是世界活性炭生产大国，活性炭总产量仅次于美国位居世界第二，出口量位居世界第一，但活性炭发展综合水平仍然非常落后，存在一些问题，如工艺设备陈旧，生产方法落后效率低；原料利用滞后

16、，资源浪费。目前生产主要以木材、煤炭为主，应转向其他含碳材料；生产部门和科研部门缺乏沟通，新产品开发力度小。随着各国工业的发展和环保意识的提高，活性炭市场需求扩大，这对中国活性炭生产发展有很大影响。由于配煤技术、催化活化技术、原料煤处理技术及新型成型技术在我国活性炭厂的广泛推广应用，我国活性炭正向着多品种高质量的方向发展，以满足国内外不同用户的需求5。2.2 制备活性炭的原料种类一般而言，只要是经过活化工艺能够形成碳质且具有丰富孔隙结构的材料均能作为制备活性炭的原料。不过，最早的活性炭主要采用天然高分子经过炭化和活化工艺制备出来的6。在欧洲，为制取活性炭所利用的主要原料是木材、木炭、泥煤、泥煤

17、焦、某些煤和褐煤及其半焦炭。在制取防毒面具用炭和其他特种用途的炭时，这类煤应具有高强度性质和较大的微孔体积，其可利用椰子壳制得。在美国广泛利用褐煤以及石油产物。此外，在文献资料中还能列举出来的有：各种类型的硬果壳、水果核、棉秆、稻壳、玉米芯、竹刨花、金属碳化物、炭黑和各种类型的含碳废弃物。现在，各种植物的外壳，根茎和果壳依然是制备活性炭的重要原料，而且，采用这些原料，不仅可以制备出性能适中，价格低廉的活性炭，同时也解决了废弃的农作物废料被当作燃料使用或被烧掉而导致环境污染的问题。近年来活性炭原料有两种发展趋势：一是制造应用量大而广，性能一般但价格低廉的制品；二是制造性能优良具有特殊用途的高性能

18、活性炭，多使用特制高价原料。所有制造活性炭的原料均为含碳物质，可分为以下几大类1。2.2.1 植物类原料早期制备活性炭的原料主要是木质原料，近年来制备活性炭谋求廉价原料的探索受到重视，使原料范围增广：除传统的优质木材、锯木屑、木炭、椰壳炭、棕榈核炭，另外还有农林副产物和某些食品工业废弃物包括废木材、竹子、树皮、风倒木、核桃壳、果核、棉壳、咖啡豆梗、油棕壳、甘蔗渣 、糠醛渣等。其中椰子壳和核桃壳最优，通常果壳经初步炭化，再用水蒸气活化，所得到的活性炭具有较高的强度和极精细的微孔，这种活性炭主要用于防毒保护上。炭化的树皮以气体活化可得到廉价的活性炭，这种活性炭可用来作为造纸废水的脱色剂。用椰树皮纤

19、维为原料，通过化学法可以得到一种活性炭，能有效除去工业废水中的有毒废金属7。甘蔗渣作为制糖厂的废弃物，回收利用可用来制造价格低廉并具有特定性能的活性炭，主要用于污水处理和颜料吸附8。 2.2.2 矿物类原料 煤炭类目前用于制备活性炭的煤种主要是某些烟煤、优质无烟煤、褐煤等。无烟煤内部含有分子大小的孔隙，是制备微孔炭的合适原料，且其产品还具备分子筛特性，利用难转化无烟煤资源获得高回收率的活性炭日益受到重视9。我国有丰富的煤炭资源，是煤质活性炭的生产大国，常用的是无烟煤和不黏煤、弱黏煤 ，但生产的活性炭品质不高，品种单一。因此，以煤为主要原料用常规生产方法得到高比表面积、高吸附量的活性炭成为具有很

20、大意义的课题10。另外，在煤炭开采和浮选过程中，常伴随大量低品质成分，如劣质煤、煤矸石等。利用这些废弃物中的宝贵碳资源制成活性炭将有可能进一步降低成本，获得在环保和化工生产中大量需求的高效吸附剂和催化剂11，如利用碳和硅、铝成分共存的特点制备硅胶复合吸附剂。Deng12报道了从煤矸石出发，用碱熔活化结合强酸处理制备了一种复合吸附剂，它以硅胶为骨架，活性炭均匀分散在硅胶骨架中。此外煤泥炭13、煤沥青14，也是制备活性炭的原料，最近关于这方面的研究也很多。 石油类石油原料是指石油炼制过程中含碳产品及废料，如石油沥青、石油焦、石油油渣等。特别值得关注的是石油焦作为石油加工副产物量大价低，且含碳量高达

21、 80以上，挥发量一般在10左右，杂质含量低，能制得高收率、低杂质、高比表面积的活性炭。目前美国、日本拥有利用石油焦制备比表面积超过3 000m2/g的超级活性炭的专利技术，并实现了产业化。国内学者也作了类似的研究，吴明铂等人15，用大庆石油焦为原料以NaOH为活化剂制得高性能活性炭；宋燕等人16利用盘锦石油焦以KOH为活化剂，制备比表面积为3 730m2/g的高比表面积活性炭。但此类活性炭生产成本昂贵，仅限于医药、电子、气体吸附储存等领域。今后要开发适宜工业化应用的石油焦生产的新技术，进一步提高石油焦的附加值，拓宽活性炭的原料来源。另外催化油浆的有效利用是炼油行业的难题，目前多采用回炼的办法

22、，利用率低且耗能高。油浆中含有大量芳烃，芳构化程度较高，如果利用它来制备活性炭也不失为一种好办法。2.2.3 塑料类原料聚氯乙烯、聚丙烯、呋喃树脂、酚醛树脂、聚碳酸酯、聚四氯乙烯等，这些原料可用来制活性炭。20世纪80年代，有人研究了以有机树脂 (树脂前驱体如苯乙烯-二乙烯苯共聚物，聚偏二氯乙烯 ，聚丙烯酯等)为原料合成活性炭17。这种活性炭纯度高，机械强度优于普通煤质活性炭，并具有孔径分布可控的优点，广泛用于生物医学领域；粒状酚醛树脂是制造高性能活性炭的好原料，用它生产的活性炭具有独特的微细孔，经表面处理，可用于电池电极材料、净水器、氮气发生装置用炭分子筛等方面18。2.2.4 其他材料用含

23、有机组分的泥浆悬浮体所制得的活性炭，对从同类泥浆中提取重金属氧化物和其他有毒物质是特别有效的。含卤代烃的混合物在刘易斯（Lewis）酸型催化剂存在下（例如：氯化铝）可加热到200500，所得产物可直接作为吸附剂使用或者活化后使用。2.3 活性炭的制备方法简介活性炭的制备一般采用常规制备方法，它包括化学活化法和物理活化法两种。近年来，国内外专家又相继研发了催化活化法、界面活化法、铸型炭化法、聚合物炭化法等。下面，我分别对其进行叙述。2.3.1 化学活化法所谓化学活化法就是指将化学药品加入原料中，然后在惰性气体的保护下进行加热，同时进行炭化和活化的一种方法。通常采用木质素含量较高的植物性原料，最常

24、用的活化剂是氯化锌、磷酸和氢氧化钾6。 氯化锌活化法氯化锌法是比较常用的一种活化剂，1988年以前，世界上主要采用氯化锌法作为活化剂。氯化锌法是将各种含碳原料与氯化锌均匀混合(或浸渍)后，经过炭化、活化、酸浸、回收化学药品、漂洗、干燥、粉碎等过程制取活性炭的一种方法。首先,氯化锌对植物原料中的纤维素起润胀、胶溶以致溶解作用，药液渗透到原料内部，溶解纤维素而形成孔隙。其次,氯化锌在高温下具有催化脱水作用，使原料中的氢、氧原子以水的形式分离出来，使更多的碳保留在原料中，提高了活性炭的得率。用氯化锌作活化剂，能降低活化温度，活化时产生的焦油颜色明显变浅，这说明木屑的活化过程与通常的热解反应有所不同。

25、然后,氯化锌在炭化时能起骨架作用，即它们在原料被炭化时给新生的碳提供一个骨架，让碳沉积在它的上面。新生的碳具有初生的键，有吸附力，能使碳与氯化锌等锌化物结合在一起。当用酸和水把氯化锌等无机成分溶解洗净之后，碳的表面便暴露出来，成为具有吸附力的活性炭内表面。这种作用最明显的体现是：活性炭的孔隙总容积随锌屑比的增大而增大。而且当锌屑比大时，可以制得过渡孔较发达的活性炭，锌屑比小时，又可制得微孔较发达的活性炭。氯化锌法的活化温度比物理活化法低，所生成炭的基本微晶也比较小，可以促进多孔型结构发展。用此法制备活性炭的得率一般较高，可达40%（对绝干原料），80%碳转到活性炭中来，这是氯化锌法的一大特色。

26、但是氯化锌法有污染严重（大气和水体）、重金属残留影响成品用途等二大弊端，使用此法的厂家有减少的趋势，这在一定程度上限制了氯化锌法的发展。 磷酸活化法磷酸法是将各种含碳原料与磷酸均匀混合(或浸渍)后，在适宜温度下，经过炭化、活化、回收化学药品、漂洗、干燥、粉碎等过程制取活性炭的一种方法。我国自湖州鹿山林场1988年首创磷酸法生产活性炭以来，磷酸法工艺在国内已得到了很大发展19，磷酸作为活化剂除具有上述基本作用外，还具有比氯化锌污染程度轻，易于清洗，生产成本低等优点，随着近几年对磷酸做活化剂的不断深入研究和分析，磷酸作活化剂生产的活性炭质量亦有大大的提高，已经成为当今活性炭工业中化学活化法的主要生

27、产工艺之一。影响磷酸法所得活性炭性能的因素与氯化锌法一样也比较多，主要有活化温度、活化时间、活化剂的浓度、浸渍时间、浸渍比等。 氢氧化钾活化法目前我国主要的化学活化法都集中在磷酸法和氯化锌法上，但科学工作者一直没有停止使用KOH法来研制活性炭，并取得了一定成绩。美国、日本等国在这方面已实现了工业化，但我国在这方面的研究还处于实验室研究阶段，具体工艺及实验条件还有待深入研究。张双全等人提出了制备活性炭的“催化氧化理论”并开发了一种具有“催化氧化”性能的NP型催化剂，主要由硝酸盐、含钾化合物和辅助催化剂混合而成。梅建庭等人分别以煤沥青、石油焦、油棕榈壳、煤焦为原料，采用KOH活化处理制得BET比表

28、面积非常大、高吸附性能活性炭。 其他化学活化法 在化学活化法制备活性炭方法中，除磷酸法、氯化锌法和氢氧化钾法外还可用硫酸、碳酸钾、硫化氢、碳酸铵、硫化钾、白云石等作为活化剂来制备性能各异的优质活性炭。其具体工艺及机理因活化剂不同而不同。2.3.2 物理活化法物理活化法是把原料炭化以后，用水蒸气、二氧化碳、空气、烟道气等，在6001 200下进行活化的方法。物理法一般使用水蒸气、二氧化碳、烟道气等作为活化剂，已在我国得到了广泛应用。物理活化法最大的优点是所得活性炭产品纯净，对环境污染小，活性炭产品适用面广，活性炭孔隙结构分布均匀且孔隙以微孔居多。在气体活化法中又分为焖烧炉烟道气活化法、机械耙式炉

29、水蒸气活化法、沸腾炉空气水蒸气活化法和多管炉水蒸气活化法等等。以塑料等高分子有机物为原料制得的活性炭大都有别于普通活性炭，其吸附性能优越，可用于特殊场合。如具有高氯仿吸附性能、除去废水中的腐质物质、用于双层电容器、除去较高分子质量聚合物、用于臭氧分解等等。 催化活化法金属及其化合物对碳的气化具有催化作用，所用的金属主要有碱金属氧化物及盐类、碱土金属氧化物及盐类、过渡金属氧化物及稀土元素。采用催化活化的方法可以提高活性炭的中孔容积。Marsh和Rand等人在聚呋哺甲醇中掺入Fe或Ni微粒后用二氧化碳活化，制成中孔发达的活性炭纤维。国内刘植昌20等人以金属有机化合物（二茂铁）为添加剂，加入到中温煤

30、沥青中利用乳化法制成含铁沥青微球，活化后制得比表面积发达的沥青基球状活性炭。用催化活化制得的活性炭中会残留部分金属元素，用于液相吸附、催化剂载体和医用材料是不良因素。 界面活化法不同富碳基体间存在较大内应力使界面成为活化反应中心。富碳基体间的内应力大于界面结合强度时界面出现裂纹，这些裂纹使活化分子易于通过，进而形成中孔。界面法活化采用的添加剂主要是炭黑复合物、制孔剂、有机聚合物。张引枝21以一定量的炭黑或石墨粉与PAN混合、纺丝、氧化、水蒸气活化，发现炭黑对中孔的生成有利。 聚合物炭化法由两种或两种以上聚合物以物理或化学方法混合而成的聚合物如果有相分离的结构，热处理时不稳定的聚合物将分解并在稳

31、定的聚合物中留下孔洞。Ozki22等将酚醛树脂和聚丁烯丁脂在甲醇中以1:1比例混合，制得中孔活性炭。现在所利用的形成孔隙的聚合物由于热解形成孔隙而不能回收利用，将来可采用不进行热解而使用蒸发的孔隙形成剂考虑对它回收利用，还可以考虑缩短融化处理时间，提高经济效益。 铸型炭化法将有机聚合物引入无机模板中很小空间(纳米级)并使之炭化，去除模板后即可得到与无机物模板空间结构相似的多孔炭材料。Kamegawa和Yoshida23利用硅胶微粒作为模板，制得比表面积l 1002 000 m2/g，孔径为l10 nm，并集中在2 nm的窄孔径分布的活性炭 。铸型炭化的优点是可以通过改变模板的方法控制活性炭孔径

32、的分布，但该方法制备工艺复杂，需用酸去除模板，使成本提高。2.4 活性炭的结构与性质活性炭是以碳为主要成分的吸附材料,结构比较复杂,既不像石墨、金刚石那样具有碳原子按一定规律排列的分子结构,又不像一般含碳物质那样具有复杂的大分子结构,一般认为活性炭是由类似石墨的碳微晶按“螺层行结构”排列,由于微晶间的强烈交联形成了发达的孔结构。活性炭的孔结构与原料、生产工艺有关。国际纯粹及应用化学联合会(IUPAC)推荐微孔半径小于2nm，中孔半径为2100nm，大孔的半径大于100nm24。如图2.1所示。图2.1 活性炭的孔径结构模型活性炭的吸附性能不仅和其孔隙结构有关，而且和活性炭的化学组成和化学结构有

33、关。活性炭表面的不饱和价和结构缺陷，不仅对活性炭吸附非极性物质有影响，而且对极性物质在活性炭表面的吸附也有很大的影响。活性炭中除了碳元素以外，包含两类掺杂物，一类是化学结合的元素，主要是氧和氢，来源于未完全炭化的原料，或者是在活化过程中，外来的非碳元素与碳发生化学结合；另一类掺杂物是灰分，它是活性炭的无机部分，主要来自活性炭生产用原料。木质活性炭的灰分含量较低，一般在8以下，煤基活性炭的灰分含量较高，一般在820，采用超纯煤或特殊加工工艺，煤基活性炭灰分可降到6以下。活性炭是疏水性的非极性吸附剂，能选择性地吸附非极性物质，而对不饱和的含碳化合物，如含双键或叁键的化合物选择吸附能力较小；活性炭的

34、比表面积较大，一般活性炭产品的比表面积可达5001 200m2/g，特殊用途的具有更高的比表面积6。活性炭的化学性质非常稳定，能耐酸、碱，能在比较大的酸碱范围内应用；它不溶于水和其他溶剂，所以能在水溶液和许多溶剂中使用；它还能经受高温和高压的作用，在有机合成中常用作催化剂或载体。活性炭失效后，可以用多种方法进行再生，使其恢复原来的吸附能力，它一般能进行多次再生，如果再生方法适合，其吸附能力不会显著降低。2.5 活性炭的应用活性炭作为优良的吸附剂在饮用水的净化、废水的深度处理、净化或储存气体等方面有着广泛的应用。研究表明，活性炭主要对相对分子质量小于3 000，尤其是5001 000的有机物吸附

35、作用较强25。2.5.1 水质净化活性炭在净化给水方面不仅对色、臭去除效果良好，而且对合成洗涤剂ABS、三卤甲烷（THMs）、卤代烃、游离氯也有较高的吸附能力，也能有效地去除几乎无法分解的氨基甲酸酯类杀虫剂等。活性炭能有效地去除水中的游离氯和某些重金属（如Hg、Sb、Sn、Cr）且不易产生二次污染，常用于家庭用水及饮用水的净化处理工艺中26。2.5.2 污水处理活性炭在废水处理方面的主要优点是处理程度高、出水水质稳定。与其他方法配合使用可获得质量很高的出水水质，甚至达到饮用水标准。刘红等27发现，Fe2+的催化效果明显优于Cu2+，焦化废水在经3 g/L的活性炭吸附后，再以1.5g/L的H2O

36、2、0.4g/L的Fe2+进行催化氧化，COD总去除率可达96.3。宋志文28等采用生物活性炭法处理低浓度甲醇废水，利用活性炭的吸附作用和生物膜的降解作用，处理效果明显好于树脂和单纯活性炭吸附。在其最佳运行条件下，当甲醇的质量浓度为l1.323.1 mg/L时，去除率可大于90。陈颖29等用载镍活性炭对含活性红X一3B废水进行处理，去除率能达到98.74以上，较不加金属的活性炭去除率提高30。解强等30也研究发现，活性炭经硝酸改性后再负载硝酸铜进行二次活化制备高性能活性炭，可使硝酸铜的催化性能得到进一步的提升。活性炭单独使用也有特殊的效用。A·Fortuny等研究发现，活性炭在催化湿

37、式氧化传统污水厂不能处理的含酚废水方面是有希望的替代品。在与其他金属催化剂的240h对比测试中，不负载任何金属的活性炭表现出最高的酚转化能力。研究表明，低灰分(质量分数3.75)活性炭在酚的湿式氧化中有催化效应。在转化酚的过程中，炭因烧失而逐渐消耗且炭比表面积也减少了，这是其酚转化能力从100下降到10d后的48的原因。目前科学家正重点研究寻找合适的酚氧化条件，以避免炭的消耗。2.5.3 回收有机溶剂和净化废气活性炭能够应用于居住空间的空气净化，如办公室，医院，实验室，宾馆等，它还用于防止空气污染和回收有益化合物。例如它可以从废气中回收有机溶剂，如石油，甲苯，丙酮，低醇，卤化物（氯仿，四氯化碳

38、二氯甲烷等）。活性炭的另一个应用就是去除空气或石油中的异味，如硫化氢，硫醇等，活性炭是去除它们最有效的吸附剂。活性炭能将烷烃，一氧化碳，氮氧化物变成二氧化碳和氮气，因此可应用于汽车工业中的废气污染控制。2.5.4 在医学领域的应用活性炭在医学领域中也有着广泛的应用。科学家将活性炭作为药物对急性毒鼠强中毒的家兔进行治疗。从实验结果来看，将家兔口服活性炭可以明显减少毒鼠强在体内的吸收，加快毒鼠强排泄，从而减轻中毒的症状，降低了死亡率，取得了良好的疗效31。活性炭还被广泛地应用于对药物的吸附作用，从而可以很方便地控制药物的浓度，提高药品的疗效并降低副作用。2.5.5 活性炭作为催化剂的载体活性炭可用

39、来作为多种催化添加剂的载体，最好的活性炭是其在浸渍之前，通常洗除灰分的中孔和粗孔的活性炭。作为加氢催化剂常常利用以钯（Pd）浸渍的粉末活性炭。以醋酸锌浸渍的活性炭，在乙炔同醋酸的反应中用来制取醋酸乙酯。在利用氯化汞浸渍的活性炭上，可由乙炔同氯化氢反应而合成氯乙烯。以碱金属的磷酸盐与硅酸盐所浸渍的活性炭可用于氯乙烷脱氯化氢的反应中，用来制取氯乙烯。此外，浸渍炭用于防毒保护也是基于浸渍活性炭的催化作用。 2.5.6 其他用途除了在传统领域的应用外，人们正在开发活性炭的新用途。例如活性炭可以提炼金属，分离溶液中的成分。需要指出的是，一个引起广泛关注的应用领域是电容器等新能源领域。张玲等以竹节为原料，

40、氢氧化钾为活化剂可制得比电容高达55F/g的竹节基高比表面积活性炭，由它组装的双层电容器具有良好的冲放电性能和循环性能32。Feng-Chin Wu等将冷杉木于900水蒸气活化17h制得系列活性炭，它们在液相电解质中表现出高能量、低等效电阻和高可逆特性。原因在于活性炭形成了中孔结构。中孔结构的形成取决于活化时间。当活化时间为7h时，在酸性电解质中，从该活性炭在200mV/s的循环伏安曲线可以计算出，其容量达到120F/g。2.6 主要性能检测指标活性炭作为一种碳质吸附材料，广泛应用于气相和液相的吸附净化，因此对其物理性能、吸附性能和化学性能进行准确的检测，对指导活性炭的生产和应用是非常重要的，

41、为了控制活性炭产品的质量和指导活性炭的应用，根据活性炭的品质和用途，建立了许多种活性炭的性能检测方法，一般可分为活性炭的性能检测、微观结构检测和应用模拟评价检测方法。一般活性炭的性能检测应用得最广泛，主要包括物理性能检测、吸附性能检测和化学性能检测等，重要指标有碘值、亚甲基蓝、四氯化碳、比表面、孔径分布、苯吸附、强度、装填密度、灰分和挥发量等，目前在我国活性炭生产和销售中主要采用的活性炭检测方法有中国法（GB）、美国法（ASTM）和日本法（JIS）等。按活性炭种类分有煤基活性炭检测方法和木质活性炭检测方法，虽然检测方法和检测结果有差异，但基本原理相同。本节中主要介绍一般活性炭的物理性能检测和吸

42、附性能检测方法。2.6.1 活性炭的物理性能检测一般将活性炭的水分含量、灰分含量、强度（有时指机械耐磨强度，有时指抗碎裂强度）、粒度分布、表观密度（或称装填密度）、漂浮率、着火点、挥发物含量等项目归于物理性能检测范畴，当将活性炭的“化学性质”认为是“化学纯度”时有时将其灰分含量和挥发物含量归属于活性炭的化学性能检测范畴。 强度强度是活性炭重要的物理性能测试指标，其测试原理是将活性炭样放在一个装有一定数量不锈钢球的专用盘中，进行顶式旋转和击打组合运动，运动中活性炭骨架和表层同时受到破坏，测定被破坏活性炭粒度变化的情况，用保留在强度试验筛上的颗粒部分所占活性炭样品的百分数作为活性炭的强度，一般活性

43、炭强度测试有专用设备，各种指标中都有专门的规定。 装填密度活性炭装填密度测试方法是活性炭经振动落入量筒中，称100ml活性炭的质量，计算装填密度。其测试方法比较简单，但与其它性能指标有密切关系，一般对同一种原料和工艺生产的活性炭产品，其装填密度越高，其吸附性能越差。 漂浮率漂浮率主要测定活性炭在液相中的漂浮性能，其测试方法是将烘干的活性炭样品放在盛有一定量水的容器内浸渍，经搅拌静置后，将漂浮在水面上的活性炭取出烘干、称重，计算出漂浮率。漂浮率越低说明活性炭质量越好。2.6.2 活性炭的吸附性能检验活性炭的吸附性能检验一般包括水容量、亚甲基蓝吸附值、碘值、苯酚吸附值、四氯化碳吸附率、饱和硫容量、

44、穿透硫容量、四氯化碳脱附率、防护时间的测定等项目。 碘值碘值是表征活性炭吸附性能的一个指标，一般认为其数值高低与活性炭的中微孔的多少有很好的关联性。其测试原理是称取一定量的活性炭样与配制好已知浓度的碘液充分振荡混合吸附后，用滴定法测定溶液中残留碘量，计算出每克活性炭样吸附碘的毫克数。碘值指标是测定活性炭性能最常用的指标，具有测定仪器简单、快速、易操作等特点，是应用最广的活性炭吸附性能测试方法，在活性炭生产、科研中广泛使用，我国各种活性炭一般均用此指标表征活性炭的吸附性能；但碘值的测试结果和采用的测试方法有关，中国方法、美国方法和日本方法的碘值测试方法略有不同，测试结果也有差异，因此在报告碘值测

45、试结果时应标注采用的检测方法。 亚甲基蓝亚甲基蓝也是表征活性炭吸附性能的一个指标，由于其分子直径较大，一般认为其主要吸附在孔径较大的孔内，起数值高低主要表征活性炭中孔数量的多少。其测试原理是称取一定量的活性炭样与配制好的已知浓度的亚甲基蓝溶液充分混合吸收，利用分光光度计测试亚甲基蓝溶液浓度的变化，计算出每克活性炭样吸附亚甲基蓝的毫克数。亚甲基蓝吸附指标是测定活性炭吸附性能的常用指标，主要表示活性炭液相吸附的能力，具有测试仪器简单、快速、易操作等特点，是应用最广的活性炭吸附性能测试方法，在活性炭生产、科研中广泛使用，我国水处理用活性炭一般均用此指标表征活性炭的吸附性能。2.7 存在的问题及今后的

46、发展方向2.7.1 调整产品结构及开发新产品目前国内活性炭产品多以中低档为主，高档产品较少。而外贸出口对活性炭质量要求越来越高，且随着国内外对环保日益重视，工业废水处理用炭逐年上升，其庞大的用量只有价格低廉产品才能符合要求。当然，国内学者也开发了不少新产品：溶剂回收炭、特种催化剂和催化剂载体用活性炭、低成本净水净气活性炭、烟气脱硫活性炭、黄金提取活性炭、电池极板炭、汽车尾气净化炭等。但是还有许多高档活性炭在国内还一直处于试验研究阶段，没有实现工业化。所以产品结构的调整及新产品的开发一定得摆在各项工作中的重中之重。2.7.2 应用领域的拓宽目前生产的活性炭大都用于环保中的废水和废气处理。如自19

47、99年以来美国用于水处理炭占整个活性炭消费量的35%以上。随着一些超高比表面活性炭的出现，人们试图用它来存储高能量密度物质（天然气和氢气）、与纳米材料复合作为功能性绿色材料、高新电子电极材料以及药物缓释剂等等。尽管国内外开展这方面的研究比较多，但大都处于初始阶段，还有待进行深入系统的研究。2.8 本论文的研究目的和意义众所周之，传统的活性炭原料是木材、果壳和优质煤，木材虽是可再生资源，但由于生长的周期长及受环保和生态平衡的制约，不可能大量用作活性炭的原料。这几年，木屑资源短缺已日趋严重。因此，不断寻找新的原料资源，探索新的工艺条件，增加新的品种，扩大活性炭的应用仍是我国活性炭工业发展的主要任务

48、。随着我国经济的发展，面对快节奏的现代化生活，人们越来越多地选择了使用方便、快捷的一次性筷子。大量的一次性筷子在使用以后，或丢弃于田间地头形成固体废弃物，或被晒干焚烧造成大气污染。这不仅破坏了生态环境，而且大大浪费了林业资源。本课题拟以生活中常见的用过的一次性筷子为原料，采用化学活化法制备活性炭，对用过的一次性筷子的综合利用作探索性的实验研究。这些技术的产业化不仅可避免农林废弃物对环境的污染，而且能生产出附加值高的产品，从而实现我国林业经济的可持续发展，同时对拓宽活性炭的原料来源具有十分重要的现实意义。2.9 本章小结本章中介绍了活性炭的发展历程和研究现状、基本结构与性质、应用领域，以及不同品

49、种活性炭的用途。重点叙述了制备活性炭的各类原料与各种方法，目前普遍认为果壳是制备活性炭的最佳原料，它不仅可以制备出性能适中，价格低廉的活性炭，同时也解决了废弃物被当作燃料使用或被烧掉而导致环境污染的问题。化学活化法和物理法是制备活性炭的传统方法，污染较大，成本高，时间长，劳动强度高，能耗高，效率低下，所以国内外专家已经探索出诸如微波辐射法、界面活化法、催化活化法等先进方法制备活性炭。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 实验研究3 实验研究3.1 主要仪器及设备SHB- T型循环水式多用真空泵；FA2104A型电子天平；YP1201N电子天平（LED）；1013型电热鼓风恒温干燥箱；KS多用调速

50、振荡器；DL1型万用电炉；SX3-10-14型快速升温电阻炉；VEGA XMH型扫描电子显微镜。pH试纸，滴定架，试验筛（200目），试样袋，帆布手套，塑胶手套，中速定性滤纸（12.50cm），白色容量瓶（2 000ml），棕色容量瓶（2 000ml），锥形瓶，碘量瓶，量筒（100ml），量筒（50ml），烧杯（250ml），烧杯（500ml），玻璃棒，移液管，研钵，漏斗，洗耳球，漏斗，坩埚（200ml）。 3.2 主要试剂和原料一次性筷子：攀枝花市某农贸市场提供；盐酸、氯化锌、磷酸、氢氧化钾、碘、碘化钾、硫代硫酸钠、可溶性淀粉等：均为分析纯；重铬酸钾：基准试剂。3.3 实验原理本实验是以一次

51、性筷子为原料，采用化学活化法制备活性炭。其原理是把原料经过炭化和活化制成活性炭。炭化的目的是脱出非碳原子，使原料转变成具有无定形结构的碳，并具有相当大的比表面积。活化的目的就是使木炭的比表面积进一步增大，并且形成大量的孔结构，使原来的木炭转变为吸附量很大并具有大量精细孔结构的活性炭。3.4 实验工艺流程 配制溶液 配制“1+9”HCl量取200ml盐酸，缓慢倒入1 800ml蒸馏水中，然后置于2 000ml棕色容量瓶中，摇匀，放置于避光处。 配制活化剂配置活化剂浓度为15%的KOH溶液：称取24gKOH，将其倒入160ml水中，置于250ml烧杯中。配置活化剂浓度为50%的ZnCl2溶液：称取

52、80g ZnCl2，将其倒入160ml水中，置于250ml烧杯中。配置活化剂浓度为50%的磷酸：量取80ml分析纯磷酸，倒入80ml水中，置于250ml烧杯中。本实验详细的工艺流程，如图3.1所示。 活性炭 活化剂（KOH、ZnCL2、H3PO4）一次性筷子破 碎浸 泡过 滤活化、炭化酸 洗水 洗干 燥图3.1 本实验的工艺流程图 原料的处理将购买的一次性筷子用刀破碎成为79mm大小的颗粒，每次称取15克，置于干燥的250ml烧杯中。然后倒入80ml预先配制好的一定浓度的活化剂溶液浸泡1014小时后，用SHB-III型循环水式多用真空泵及2 500ml抽滤瓶过滤。 原料的活化及产品的形成将以上

53、抽滤后的原料放入200ml的瓷坩埚中，盖上盖子，放入马弗炉中，待温度达到设定的温度后，开始计算炭化活化时间。待达到预定活化时间后，立即取出坩埚，将活化后的物质倒入盛有盐酸的烧杯中浸泡。为了达到除去漂浮的要求，需将其进行水洗，去除漂浮在水面上的活性炭及灰尘。据实验过程中的经验总结显示，水洗对活性炭的碘吸附值会有一定影响。这是由于水中含有氯和细菌等杂质，在水洗过程中活性炭会吸附这些杂质，有可能导致碘吸附值下降。水质越差，碘吸附值下降得越多，所以在实验条件允许的情况下，最好用蒸馏水洗涤。经多次水洗过滤后，使试样的pH值达到7时，停止洗涤。随后，将其倒入干净的烧杯中，在恒温干燥箱内120条件下干燥12

54、h后，取出立即称量，计算出产品得率。再将其研磨粉碎至过200目筛，即得到产品。氯化锌法和氢氧化钾法在水洗之前还要经过酸洗，以除去碱性化合物，同时氯化锌法还可以回收氯化锌。 产品碘吸附值的测定将以上制备出的活性炭产品进行碘吸附值的测定，其主要步骤如下： 碘吸附值测定中所需溶液的配制1）淀粉指示液的配制称取1.0g可溶性淀粉，加10ml水，在搅拌下注入190ml沸水中，再微沸2min，放置，取上层清液使用。2）0.1mol/l硫代硫酸钠标准溶液的配制实际称取52.0g硫代硫酸钠（Na2S2O3·5H2O）溶于适量水中，缓缓煮沸10 min后，冷却，在稀释至2 000ml，并储存于2 00

55、0ml棕色容量瓶中放置两周后标定。标定：称取0.15g于120烘干至恒重的重铬酸钾，置于250ml碘量瓶中，加入25ml水使溶解，加2.0g碘化钾及20ml"1+ 8"硫酸，摇匀，于暗处放置10min。加100ml水，用以上配制的硫代硫酸钠标准溶液滴定，近终点时加3ml淀粉指示液，继续滴定至溶液由蓝色变为亮绿色，此时，硫代硫酸钠标准溶液的用量为29.3ml。做空白实验：称取2.0g碘化钾置于250ml碘量瓶中，加入25ml水使溶解，在加入20ml“18”硫酸，摇匀，于暗处放置10min。加100ml水，用以上配制的硫代硫酸钠标准溶液滴定，近终点时加3ml淀粉指示液，继续滴定至溶液由蓝色变为亮绿色，此时，硫代硫酸钠标准溶液的用量为0.3ml。根据公式：c = m÷(V1-V2)×0.049 式(3.1)式中： c硫代硫酸钠的浓度，mol/l；m重铬酸钾质量，g；V1硫代硫酸钠溶液用量，ml；V2 空白试验硫代硫酸钠溶液用量，ml；49 重铬酸钾（1/6K2Cr2O7）摩尔质量，g/mol。可得出硫代硫酸钠标准溶液的浓度为0.105 425mol/l。3）0.1 mol/l碘标准溶液的配制实际称取碘化钾52.0