漢麻稈基活性炭的制備研究

石雨，劉爽，田媛，闞侃，高寶昌

（1.黑龍江省科學(xué)院大慶分院，黑龍江大慶 163319；2.大慶煉化公司，黑龍江大慶 163319）

漢麻稈基活性炭的制備研究

石雨1，劉爽2，田媛1，闞侃1，高寶昌1

（1.黑龍江省科學(xué)院大慶分院，黑龍江大慶 163319；2.大慶煉化公司，黑龍江大慶 163319）

以漢麻桿為原料，KOH為活化劑，制備了高比表面積活性炭。利用其對(duì)氮?dú)馕矫摳角€進(jìn)行分析，得出碳化和活化后BET比表面積分別為1 674.27m2·g-1和1 834.01m2·g-1，孔容積分別為0.74cm3·g-1和0.85 cm3·g-1，平均孔徑為2.27nm和2.02nm。

漢麻；活性炭；比表面積；吸附

生物質(zhì)材料是植物通過(guò)光合作用，利用水和二氧化碳合成的有機(jī)物，也是隨處可得的可再生資源，因此這類材料的利用得到了人們的廣泛關(guān)注，主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的生物質(zhì)材料，是生產(chǎn)活性炭非常好的原料。目前，各種各樣的生物質(zhì)材料被用于制備活性炭，如玉米秸稈、稻草稈、松針、松子殼、椰子殼、棕櫚樹(shù)皮和甘蔗渣等。以價(jià)格低廉的生物質(zhì)材料為原料制備活性炭，并對(duì)其展開(kāi)應(yīng)用，對(duì)于環(huán)境治理具有重要意義。

具有悠久種植歷史的漢麻是人類最早用來(lái)織物的天然纖維，擁有著“國(guó)紡源頭，萬(wàn)年衣祖”之美譽(yù)，可用來(lái)制成具有吸濕、透氣、散熱性能良好的服飾，它的抑菌、防輻射和吸音等功能還可為軍方所用。總后勤部軍需裝備研究所自2003年起已對(duì)漢麻進(jìn)行了綜合利用研究。利用漢麻稈芯的豐富孔穴結(jié)構(gòu)和其良好的吸濕性，制備出已廣泛應(yīng)用于我軍多種面料和雨衣中的高性能防水透濕型聚氨酯。防護(hù)用具的防護(hù)水平提高也與漢麻有著重要的聯(lián)系。用漢麻稈芯制備成的碳化硅防彈插板，不僅重量輕，而且大大提高了防護(hù)系數(shù)［1］。不僅如此，漢麻稈的化學(xué)組成和疏松多孔的獨(dú)特結(jié)構(gòu)也使其成為一種非常適合制備生物質(zhì)活性炭的原料，而且漢麻種植簡(jiǎn)單，對(duì)土地要求不高，是種易獲得的生物質(zhì)材料。

目前被廣泛研究報(bào)道的用來(lái)制備活性炭的生物質(zhì)材料大多是農(nóng)業(yè)秸稈廢棄物。而對(duì)麻類植物制備活性炭的研究報(bào)道大多集中在麻纖維活性炭。以漢麻稈這種生物質(zhì)材料制備活性炭的研究鮮有報(bào)道［2］。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料、試劑與儀器

A.原料：漢麻稈（黑龍江省科學(xué)院大慶分院種植）。B.試劑：氫氧化鉀、磷酸、濃鹽酸等（均為分析純）。C.儀器：AR1140/C電子天平、101-1A電熱鼓風(fēng)干燥箱、MXG1200-80真空管式爐。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

A.漢麻稈預(yù)處理。將漢麻稈切成每段10cm，在120℃下恒溫干燥24h。

B.配制10mol/L的KOH溶液。秤取140.275gKOH至燒杯中，加少量水溶解，倒入250mL容量瓶中。洗滌溶解KOH的燒杯及玻璃棒3次，并將洗滌液倒入容量瓶中。加水定容。

C.配制1.5mol/L的H3PO4溶液。量取25.63mL85%的濃磷酸（其濃度為14.63mol/L）溶于適量水中，倒入250mL容量瓶中，加適量水稀釋，定容。

D.配制0.1mol/L的HCl溶液。量取4.1mL 37%的濃鹽酸（其密度為1.19g/cm3）,倒入燒杯中，加適量蒸餾水，攪拌均勻，待冷卻后倒入500mL容量瓶中。洗滌燒杯和玻璃棒3次，并將洗滌液倒入容量瓶中。加水定容。

E.漢麻稈基活性炭的制備。將預(yù)處理過(guò)的漢麻稈放入燒杯，用1.5mol/L的H3PO4溶液煮沸3h，之后烘干。在100mL/min的N2保護(hù)下，在管式爐中以5℃/min的速率升溫至400℃，恒溫碳化2h。溫度降至室溫后取出，該碳化處理后的樣品以“a”來(lái)表示。取a樣品1.51g，加入13.35mL 10mol/L的KOH溶液，充分?jǐn)嚢韬蟪?h，80℃恒溫加熱24h后烘干。在80mL/min的N2保護(hù)下，在管式爐中以10℃/min的速率升溫至400℃，恒溫1h，緊接著再以10℃/min的速率升溫至700℃，恒溫2h。待冷卻至室溫后取出，放入0.1mol/L的HCl中煮沸20min，再用去離子水洗至中性，120℃下烘干，得樣品“b”。

1.3 測(cè)試與表征

采用Hitachi S-4300掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)漢麻稈基活性炭的形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。比表面積(BET)測(cè)試采用ST-2000。

2 結(jié)果與分析

圖1樣品b的SEM圖Fig.1SEM images of b

圖1 為樣品b的SEM圖。國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)依據(jù)不同尺寸孔隙中分子吸附的不同，將吸附細(xì)孔分為三類：孔徑＞50nm為大孔，2~50nm為中孔，孔徑＜2nm為微孔［3］。由圖可看出活性炭蜂窩狀結(jié)構(gòu)很明顯，孔道豐富，很多大孔直徑在50μm左右，大孔孔壁上還分布著很多的中孔和微孔，因此樣品才會(huì)形成大的比表面積。孔道分布整齊規(guī)律，與漢麻稈芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

圖2樣品a、b的氮?dú)馕矫摳降葴鼐€Fig.2 Nitrogen adsorption/desorption isotherms of a and b

圖2 為樣品a和b的氮?dú)馕矫摳降葴鼐€。由圖可以看出，兩個(gè)樣品在低相對(duì)壓力下（P/P0≤0.3）時(shí)上升迅速，在P/P0為0.4左右時(shí)開(kāi)始上升緩慢，到0.8時(shí)出現(xiàn)吸附平臺(tái)，在0.4~0.8有滯后回線，均符合IUPAC分類的(Ⅳ)型等溫線特征。說(shuō)明活性炭結(jié)構(gòu)以中孔和大孔為主。

表1 樣品a、b的表面結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Surface textile parameters of a and b

表1為樣品a、b的表面結(jié)構(gòu)參數(shù)。由測(cè)試得到a和b的BET比表面積分別為1 674.27m2·g-1和1 834.01 m2·g-1，孔容積分別為0.74cm3·g-1和0.85 cm3· g-1，平均孔徑為2.27nm和2.02nm。a是只經(jīng)碳化處理得到的漢麻稈基活性炭樣品，b是在a樣品的基礎(chǔ)上再經(jīng)KOH活化處理所得到的樣品。由表可看出，經(jīng)KOH活化后，活性炭的比表面積和孔容積都有所增大。而平均孔徑的減少可能使活化過(guò)程中大孔道壁上又形成了更加豐富的中孔和微孔。

3 結(jié)論

本文以KOH活化法制備了漢麻稈基活性炭，并對(duì)比了只經(jīng)碳化處理和再經(jīng)活化處理的兩個(gè)樣品的表面結(jié)構(gòu)參數(shù)和吸附性能。活化后活性炭比表面積和孔容積都較只做碳化處理的活性炭有所增大，吸附效果也有所增強(qiáng)。

［1］張華，張建春，張杰.漢麻——一種高值特種生物質(zhì)資源及應(yīng)用［J］.高分子通報(bào)，2011，（08）：1-7.

［2］李慧琴，楊儒，徐新花.麻炭的制備及其微觀結(jié)構(gòu)［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，34（5）：508-513.

［3］李坤權(quán)，李燁，鄭正，等.高比表面生物質(zhì)炭的制備、表征及吸附性能［J］.環(huán)境科學(xué)，2013，34（1）：328-335.

Preparation of Hemp Stems Activated Carbon

SHI Yu,LIU Shuang,TIAN Yuan,KAN Kan,GAO Bao-chang
(1.Daqing Branch of Heilongjiang Academy of Sciences,Daqing 163319,China;
2.Daqing Petrochemical Company,Daqing 163319,China)

A kind of active carbon with high specific surface area is made from the pole material of hemp stems and the activator was KOH.The curves of the adsorption and stripping with the nitrogen are analysed.The result of the BET which are carbided and activated are 1647.27 m2·g-1and 1834.01 m2·g-1,the data of the pore volume are 0.74cm3·g-1and 0.85 cm3·g-1,the data of the average aperture are 2.27nmand 2.02nm.

Hemp,Activated carbon,Specific surface area,Adsorption

TQ424.1+4

A

1674-8646（2016）01-0012-0212111

2015-09-18

石雨（1990-），女，黑龍江齊齊哈爾人，學(xué)士，實(shí)習(xí)研究員，從事精細(xì)化工研究。