林业科学  2005, Vol. 41 Issue (3): 212-214   PDF    
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高慧, 石苏华, 周学辉.
Gao Hui, Shi Suhua, Zhou Xuehui.
微波法制竹刨花活性炭的工艺研究
Study on Technology of Activated Carbon of Bamboo by Microwave Method
林业科学, 2005, 41(3): 212-214.
Scientia Silvae Sinicae, 2005, 41(3): 212-214.

文章历史

收稿日期:2003-07-14

作者相关文章

高慧
石苏华
周学辉

微波法制竹刨花活性炭的工艺研究
高慧, 石苏华, 周学辉     
安徽农业大学森林利用学院 合肥 230036
关键词:活性炭    微波法    竹刨花    磷酸    
Study on Technology of Activated Carbon of Bamboo by Microwave Method
Gao Hui, Shi Suhua, Zhou Xuehui     
College of Forest Utilization, Anhui Agricultural University Hefei 230036
Abstract: Under the microwave, the activated carbon from bamboo shavings was prepared with the phosphoric acid according to orthogonal tests.The optimum conditions were obtained.The results of the experiment showed that the bamboo shavings could be producted good activated carbon by the method of microwave-phosphoric acid.The iodine number reached 836 mg·g-1.The decolorizing capacity of metylene blue reached 13 mL·(0.1 g)-1.The decolorizing capacity of caramel adsorption reached 113%.The addition of sulfuric acid or hydrogen peroxide could also significantly improve its adsorb function.
Key words: activated carbon    microwave method    bamboo shavings    phosphoric acid    

当前我国政府制订了保护生态、环境的政策, 启动了天然林保护工程, 使一些以木材为原料的活性炭生产受到很大的影响。为了解决木材长期供不应求的矛盾, 近年来, 中国竹材的工业化利用开始起步, 主要生产竹材地板、胶合板和竹家具等。在竹材加工过程中, 出现很多竹刨花、竹屑副产品, 企业一般弃之作燃料, 如果将竹刨花制成活性炭, 不仅可以变废为宝, 实现资源再利用, 提高企业效益, 还将缓解活性炭在国内外供不应求的局面(张齐生, 1995;2002)。

以磷酸作为活化剂的化学法有比传统的氯化锌法污染较轻、成本较低等优点, 已经成为当今世界活性炭工业中的主要生产工艺之一(黄彪等, 2003)。但常规磷酸法炭化、活化时间长达2~8 h, 耗能高; 如采用微波技术加热方式, 热效率高, 可大大缩短炭活化时间, 降低能耗。本研究将磷酸与微波法相结合, 对竹刨花制备活性炭工艺进行探讨。

1 材料与方法 1.1 材料及试剂

所用竹刨花来自于安徽霍山三星地板厂, 大小约为4 mm×3 mm×(0.15~0.25)mm。按四分法取样, 参考GB/T 17664-1999木炭和木炭试验方法, 对原料进行工业分析, 其工业成分中水分占8.13%, 灰份占1.14%, 挥发份占76.41%, 固定碳占14.32%。

制备活性炭所用的磷酸为工业级, 硫酸、过氧化氢以及测定活性炭性能的试剂均采用分析纯。

1.2 试验步骤

用60目筛子筛选原料, 除去粉末状的竹屑。称取15 g竹刨花, 按液比1:3.5加入磷酸, 搅拌均匀, 浸渍36 h后, 倒入耐高温的坩埚中, 送入微波炉内进行炭化—活化, 成炭后, 取出用70~80 ℃热水反复洗涤, 直至洗涤液的pH达到5~6, 烘干, 研细, 通过200目筛, 备检。

1.3 检测方法

测定活性炭的焦糖脱色率(A法)、亚甲基蓝吸附值、碘吸附值, 依据GB/T 12496、1~12496、22-1999检测。

2 结果与分析 2.1 正交试验结果及分析

经过多次摸索性试验研究, 选择对活性炭性能影响最大的3个因素:磷酸浓度、活化时间和微波功率, 采用正交表L9(34)编制正交试验, 见表 1

表 1 正交试验方案及结果 Tab.1 Results of orthogonal test

以上分析表明:1)极差R的大小反映了因子变化时试验指标的变化幅度。由表 2可以得出, 不论对于亚甲基蓝脱色还是焦糖脱色和碘吸附值, 因子B活化时间的极差R都是最大, 就是说, 微波活化时间对活性炭质量指标影响最大。由此得出, 活化时间是决定孔隙发达程度的主要因素, 根据能够对碘、亚甲基蓝及焦糖分子吸附的最小孔隙直径分别是1.0、1.5、2.8 nm, 推测活化时间越长, 孔隙数越多, 大孔、过渡孔和微孔都会随之增加。2)正交试验表明, 竹刨花是一种优良的制取粉状活性炭的原料, 综合得率基本在39%~43%之间, 碘吸附值、亚甲基蓝吸附值、焦糖脱色率都比较好, 这是其他方法和原料很少出现的结果。3)从表 3分析得出, 对于碘吸附值和焦糖脱色率来说, 它们的最佳条件为A2B3C3, 即磷酸浓度为40°Be′, 活化时间为25 min, 微波功率为800 W; 对亚甲基蓝吸附值, 它的最佳条件为A1B3C2或A1B3C3, 考虑生产成本, 选择A1B 3C2, 即磷酸浓度为35°Be′, 活化时间为25 min, 微波功率为700 W。

表 2 指标数据分析 Tab.2 Analysis of date of target
表 3 各因子对主要指标影响顺序 Tab.3 Order of effects of factors on the target
2.2 添加催化剂的影响

为了探讨催化剂硫酸和过氧化氢对活性炭吸附性能的影响, 选择了正交试验中1#即磷酸浓度为35°Be′, 微波加热时间为15 min, 功率为600 W作为空白对照实验, 分别加入2%、4%、6%的H2SO4和H2O2。试验结果见表 4

表 4 添加催化剂对质量的影响 Tab.4 Effect of different amount of catalysts used on the product quality

试验结果表明, 加入催化剂后, 活性炭的综合吸附性能均得到了大幅度的提高, 尤其是亚甲基蓝吸附值指标, 其结果均大大超过了国家一级品标准[11 mL·(0.1 g)-1], 最大的比没加催化剂提高了79%, 这说明了在生产活性炭过程中加入硫酸(H2SO4)或过氧化氢(H2O2)能大大地激活过渡孔的发达程度。相比而言, 催化剂硫酸效果更好。

表 4可看出, 不论是硫酸还是过氧化氢, 随着催化剂用量的增加, 亚甲基蓝脱色力基本保持不变, 趋于一个极限值, 催化剂用量仅需要2%就可得到高的亚甲基蓝脱色力; 对于碘吸附值, 2种催化剂得到的效果差不多, 都能使结果达到800以上; 但对焦糖脱色率, 硫酸的效果非常明显, 随着硫酸用量的增加, 焦糖脱色率也增加, 而过氧化氢对焦糖脱色率的影响很小。这些说明, 硫酸不仅是作为催化剂, 也可以说是活化剂, 增强了磷酸活化剂的脱水和氧化作用, 对活性炭的孔径分布和孔隙度起主要作用。

3 结论

微波法是一种具有极高生产效率的活化方法, 活化时间不超过30 min, 该法大大地缩短了传统活化工艺所需时间, 如果能转化为生产力, 将有可能实现自动化控制, 有利于提高和稳定产品质量; 试验表明竹刨花是一种优良的制取粉状活性炭的原料, 为高效利用竹材资源, 开发新品种活性炭开辟了新的途径; 在磷酸浓度、活化时间和微波功率3个因子中, 对活性炭质量指标影响最大的是微波活化时间, 延长时间可以提高其产品的性能; 添加催化剂硫酸和过氧化氢均可以提高活性炭的质量, 其中硫酸的效果优于过氧化氢。

参考文献(References)
黄彪, 高尚愚. 2003. 竹炭、竹醋酸生产技术与应用研究综述. 福建林学院学报, 23(1): 93-96. DOI:10.3969/j.issn.1001-389X.2003.01.022
张齐生. 2002. 重视竹材化学利用, 开发竹炭应用技术. 南京林业大学学报, 25(1): 1-4.
张齐生. 1995. 竹材工业化利用. 北京: 中国林业出版社.