植物生物質(zhì)制備活性炭研究進(jìn)展

劉　娜，張　彥，樊　靜

（衡水學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，河北　衡水　053000）

植物生物質(zhì)制備活性炭研究進(jìn)展

劉娜，張彥，樊靜

（衡水學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，河北衡水053000）

【摘要】植物廢料為原料制備的活性炭，是研究中的熱門話題之一,具有廣闊的發(fā)展空間。在當(dāng)前活性炭研究中，常用的植物生物質(zhì)原料可分為農(nóng)業(yè)殘余物、木材類原料、竹類原料以及木質(zhì)素四大類。活性炭具有發(fā)達(dá)的內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)與良好的吸附性能，在食品、化工、制藥、與環(huán)境保護(hù)等眾多領(lǐng)城有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

【關(guān)鍵詞】植物生物質(zhì)；活性炭；炭化；活化

1　活性炭性質(zhì)

活性炭不僅具有優(yōu)良的吸附性，同時廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、環(huán)境保護(hù)、國防、催化劑載體、氣體的分離、傳感器、醫(yī)藥中間體、水質(zhì)凈化和原料中間體脫色、儲氫、空氣凈化、化工分離、膜分離等許多領(lǐng)域。除此之外，活性炭還具有許多優(yōu)點：①性能穩(wěn)定，具有催化性能；可以在不同溫度、酸堿中使用；②炭表面上含有(或可以附加)許多官能團(tuán)；③高度發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)以及巨大的內(nèi)比表面積。

2　制備原料

當(dāng)前降低活性炭成本的重要手段是尋找價格低廉、產(chǎn)量豐富的原料。按不同的來源，制備活性炭的植物生物質(zhì)原料可以分為以下4類。

2.1農(nóng)業(yè)廢棄物

在當(dāng)前利用價值很低，甚至沒有經(jīng)濟(jì)效益的農(nóng)業(yè)廢棄物，現(xiàn)在主要的處置措施(焚燒與填埋)會對環(huán)境造成嚴(yán)重影響。因其具有硬度大小合適、灰分含量不高等優(yōu)越性，農(nóng)業(yè)廢棄物是良好的活性炭制備原料。

王寧等以炭化椰殼為原料，在1～2h的活化時間內(nèi)（在900℃下以水蒸氣為活化劑制備活性炭）使活性炭比表面積突破了1500m2/g，孔徑集中低于2nm。馬琰坤等用炭化椰殼為原材料，利用水蒸氣與二氧化碳混合在一起組成的復(fù)合活化劑，在溫度低于900℃時制備出高比表面積活性炭，達(dá)到了2 587m2/g的比表面積。微孔體積為1.37m2/g?？蛇_(dá)到1.47m2/g的總孔容積，可以用做雙電極電容器的電極材料。

2.2木材類原料

木材類原料可分為兩類：一類是來自林業(yè)的殘余物。例如橄欖枝、松針等，這類原料具備多孔以及硬度大等特性，另一類如橡樹、雪松、杉木等在木材加工的過程中產(chǎn)生的邊材及鋸末等廢棄物。依據(jù)現(xiàn)有研究可知，優(yōu)化工藝后，能作為催化劑的載體，因為木材類原料制出的活性炭具有特殊的多孔結(jié)構(gòu)。

2.3竹類原料

當(dāng)前，已有很多國內(nèi)外的專家研究了竹質(zhì)活性炭，并且取得了優(yōu)良的成績。Keith用竹子作為原料，在850℃下活化的同時添加70％的KOH作為活化劑，制備出高達(dá)800m2/g比表面積的活性炭，產(chǎn)率高達(dá)22％ 。鄧先倫等對以竹屑為原料制取活性炭進(jìn)行了研究，其也使用了磷酸作為活化劑，制取的活性炭產(chǎn)品過渡孔發(fā)達(dá)，對各種大小不同分子的色素吸附能力都比較好，對檸橡酸等溶液的脫色能力最為優(yōu)越。張華磊等用竹屑為原料，同樣采取磷酸法活化，制出的活性炭，孔的大小以中微孔為主，占到了86.3％，適用于將汽油蒸氣回收利用以及液體的脫色精制。在制備竹質(zhì)活性炭的先進(jìn)技術(shù)中，以微波輻射法為主導(dǎo)方法，目前應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)比較成熟。除此之外，還有許多新技術(shù)如二次活化、溶膠凝膠以及超臨界法等先進(jìn)方法[2]。

2.4木質(zhì)素

木質(zhì)素主要來自工業(yè)紙漿的副廢物，因為其自然分解時間很長，如果不經(jīng)處理就排放到河流里會對水體造成嚴(yán)重污染。目前許多學(xué)者在進(jìn)行了相關(guān)的研究。

孫勇等用蘆葦黑液為原料制取出的活性炭，木質(zhì)素微孔活性炭的比表面積高達(dá)1 219m2/g，并且具有良好的吸附苯酚能力。路棋等發(fā)現(xiàn)，一種制備活性炭的優(yōu)良原料可來自針葉造紙蒸煮黑液中的木質(zhì)素，其優(yōu)化條件為：磷料比為4.5：1.0，活化溫度為550℃，活化時間為40min，制備出的活性炭亞甲基藍(lán)吸附值高達(dá)195mL/g，得率為40.75％，碘吸附值為656mL/g。

3　制備方法

炭化與活化是制備活性炭的兩種主要方法。制備過程中，可以進(jìn)行一步炭化活化，這時兩個過程可以各自單獨進(jìn)行；也可以進(jìn)行兩步炭化，這時兩個過程同時進(jìn)行。

3.1炭化

依據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)，溫度控制在450～1 000℃時炭化效果比較好。一般情況下，隨著溫度的升高，活性炭的產(chǎn)量逐漸減少。sai等用ZnCl2活化生物質(zhì)制取活性炭過程中，如果升高溫度，則會降低活性炭的產(chǎn)量，但與浸泡的時間沒有關(guān)系。Peter等研究發(fā)現(xiàn)，固態(tài)產(chǎn)物的減少而液態(tài)與氣態(tài)產(chǎn)物的增加是由于炭化溫度的不斷升高。然而，如果升高溫度，產(chǎn)物中固定碳與灰分的比例變大，而揮發(fā)性物質(zhì)的比例下降。故溫度升高時，活性炭的吸附性能會增強。如果升高溫度，則會降低活性炭的產(chǎn)量，歸于兩點原因：其一焦炭殘留物的二次分解；其二是溫度越高生物質(zhì)熱解越充分。

3.2活化

活化是為了利用化學(xué)物質(zhì)或蒸氣來清除炭化過程中的裂解產(chǎn)物、炭原子氧化及焦油物質(zhì)，這些物質(zhì)都匯集在孔隙結(jié)構(gòu)里。產(chǎn)生微孔及擴(kuò)大炭化料裂孔隙以提高比表面積以及孔洞體積，產(chǎn)出具有高吸附量的活性炭。物理活化法、化學(xué)活化法是兩種主要的活化方法。

3.2.1物理活化法

物理活化法指將炭化材料與空氣、二氧化碳、水蒸氣等氧化性氣體與碳材料混合，在高溫條件下發(fā)生活化反應(yīng)，致使碳材料中的無序碳氧化刻蝕成為孔，目的是使材料的內(nèi)部產(chǎn)生微孔結(jié)構(gòu)[3]。蘇偉等采用CO2與水蒸氣共同活化來制取高比表面積活性炭，其是采用椰殼炭作為原料進(jìn)行制備的，研究結(jié)果表明，用CO2與水蒸氣活化10～17h粒徑在0.28～0.90nm的椰殼炭，可以制備出比表面積高達(dá)2 700m2/g的活性炭。

3.2.2化學(xué)活化法

化學(xué)活化法是指將化學(xué)藥品加到原料里，同時進(jìn)行活化及炭化的方法，化學(xué)活化法需要在惰性氣體保護(hù)下加熱才能進(jìn)行[4]?；瘜W(xué)活化法中經(jīng)常用到的活化劑有堿金屬與堿土金屬的氫氧化物、一些酸類以及無機(jī)鹽類。KOH ，H2P04，CaCl2和ZnCl2等是當(dāng)前比較常用的化學(xué)活化劑，這其中以KOH作為活化劑效果優(yōu)異。

【參考文獻(xiàn)】

[1]董宇,申哲民,王茜等.生物質(zhì)活性炭制備的比較研究[J].安徽農(nóng)業(yè)學(xué),2011,39(6)

[2]尹炳奎,朱石清,朱南文等.生物質(zhì)活性炭的制備及其染料廢水中的應(yīng)用[J].環(huán)境污染與防治,2006,28(8)

[3]施雪,趙麗麗,吳江等.生物質(zhì)活性炭對模擬煙氣汞吸附特性的實驗研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報,2013,35(5)

[4]李勤,金保升,黃亞繼等.水蒸氣活化制備生物質(zhì)活性炭的實驗研究[J].東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2009,39(5)

【基金項目】衡水市科學(xué)技術(shù)研究指導(dǎo)計劃項目（10009z）