胡志杰，鄭 鵬，葉明清

(1.南京林業(yè)大學化工學院，江蘇 南京210037;2.吉林大學物流學院，吉林長春130012)

利用水蒸氣活化稻殼生產(chǎn)活性炭的研究

胡志杰1，鄭 鵬2，葉明清2

(1.南京林業(yè)大學化工學院，江蘇 南京210037;2.吉林大學物流學院，吉林長春130012)

研究了水蒸氣法活化制備稻殼活性炭的工藝條件，探討了炭化溫度、活化溫度、活化時間和水蒸氣用量對活化效果的影響。結果表明最佳工藝條件為：炭化溫度450℃、活化溫度900℃、活化時間90 min和水蒸氣用量為炭化料的1.5倍，制備的活性炭碘值844 mg/g，亞甲基藍吸附值138 mL/g。這些指標與木質活性炭相當。且投資少，能耗低，具有良好的社會效益與經(jīng)濟效益。

稻殼;水蒸氣活化;活性炭

稻殼作為稻谷加工的主要副產(chǎn)品之一，占稻谷質量的20%左右，我國每年大概生產(chǎn)0.4億t。目前我國稻殼利用水平較低，在許多糧食加工企業(yè)，稻殼已成為一大污染源。稻殼基本沒有營養(yǎng)價值，國家已禁止其作為飼料使用［1－2］。如作為廢棄物，不僅占地方而且污染環(huán)境。給稻殼尋找一個好的出路已經(jīng)成為有識之士所關注的問題。活性炭同一般的化工產(chǎn)品相比，有其獨特性，其最大的特點是具有發(fā)達孔隙結構和很大的比表面積，廣泛應用于化工、食品、制藥、環(huán)保等多個領域。我國是活性炭生產(chǎn)大國，產(chǎn)量位居世界首位［3－5］。最近幾年，活性炭產(chǎn)量迅速增加，其生產(chǎn)原料不足的問題日益顯現(xiàn)出來［6－10］，稻殼是一種資源豐富且分布較集中的可再生資源。以稻殼為原料，用化學試劑活化法制備活性炭的研究已有報道［11］，但水蒸氣活化稻殼制備活性炭的研究未見有報道。

水蒸氣活化法中，影響活性炭質量的主要是炭化溫度、活化溫度、活化時間和水蒸氣用量等。因此，本論文主要探究炭化溫度、活化溫度、活化時間和水蒸氣用量等工藝參數(shù)對活性炭產(chǎn)品質量的影響。

1 實驗部分

1.1 原料、試劑與儀器

稻殼：安徽永德米廠提供;101－1型電熱鼓風干燥箱：南京實驗儀器廠生產(chǎn);干餾爐：南京實驗儀器廠;活化爐：林產(chǎn)化工研究所制作;BT50M型恒流泵：浙江余姚電動儀表廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 稻殼的炭化與活化 將稻殼用一定濃度的熱堿水浸泡一定的時間、洗凈(將灰分含量降到7%左右)、晾干，含水率為9.5%。稱取一定量的洗凈晾干的稻殼裝入干餾釜內(nèi)，放到干餾爐內(nèi)通電加熱，通過調(diào)壓器來控制升溫速率，當溫度達到設定溫度以后，保溫0.5 h，停止加熱，等冷卻以后取出稱質量，計算得率。稱取一定量的炭化稻殼裝入活化爐內(nèi)，將活化爐調(diào)整好以后，開始通電加熱，當達到一定溫度以后，開始用恒流泵通入一定量的水蒸氣，當達到設定時間以后，停止加熱、取出產(chǎn)品、稱質量并計算得率。將產(chǎn)品干燥、稱質量、研磨待用。

1.2.2 活性炭性能的測定 水蒸氣活化法制備的活性炭可通過考察碘吸附值與亞甲基藍吸附值來評價其質量。稻殼活性炭的碘吸附值與亞甲基藍吸附值的測定方法依照國家標準《木質活性炭試驗方法》GB/T12496.1～12496.22－1999進行。

2 結果與討論

2.1 水蒸氣活化法制備活性炭單因素試驗及結果分析

2.1.1 炭化溫度的影響 不同炭化溫度下所制得的炭化料在活化溫度850℃、活化時間60 min、水蒸氣用量為炭化料的2倍(質量比，下同)的條件下，進行活化，結果見表1。

從表1中可以看出，隨著炭化溫度逐漸升高，活性炭的吸附能力也逐漸增強，但當溫度超過450℃以后，碘吸附能力變小，亞甲基藍吸附值幾乎不變，可能是因為溫度升高會使的活性炭孔隙表面被燒失，孔徑變大所致。因此炭化溫度以不超過500℃為宜。

2.1.2 活化溫度的影響 在炭化溫度450℃、活化時間為60 min、水蒸氣用量為炭化料的2倍的條件下，考察不同活化溫度對活化效果的影響。結果見表1。

從表1中可以看出，隨著活化溫度逐漸升高，活性炭的吸附能力也逐漸增強，但當溫度超過900℃以后，吸附能力變小。這說明在活化過程中新孔的產(chǎn)生和破壞是同時進行的，隨著溫度的升高，活化反應的速率加快，產(chǎn)生大量的微孔，但溫度過高，又會使孔結構遭到破壞［12］。因此活化溫度以不超過950℃為宜。

2.1.3 活化時間的影響 在炭化溫度450℃、活化溫度為900℃、水蒸氣用量為炭化料的2倍的條件下，考察不同的活化時間對活化效果的影響。結果見表1。

從表1中可以看出，隨著活化時間逐漸加長，活性炭的吸附能力也逐漸增強，在活化初始階段，由于活化劑的作用，炭化后留在空隙中的焦油等物質和紊亂碳被除去，暴露出由碳原子組成微晶結構間空隙。隨著活化劑繼續(xù)和微晶結構反應，孔隙不斷加寬，相鄰微孔間的壁被燒壞而形成較大孔隙，結果導致過渡孔和大孔容積增加。因此，孔隙生成和結構與炭的氧化過程密切相關。因此在活化時間較短時，生成的微孔居多，對亞甲基藍吸附不利;但時間過長，燒失率過大，會導致產(chǎn)品質量下降，增加成本，故活化時間以不超過120 min為宜。

2.1.4 水蒸氣用量的影響 在炭化溫度450℃、活化溫度為900℃、活化時間為60 min的條件下，考察水蒸氣用量對活化效果的影響。結果見表1。

從表1中可以看出，隨著水蒸氣用量逐漸增高，活性炭的吸附能力也逐漸增強，但當水蒸氣用量超過炭化料量的1.5倍時，吸附能力變化很小。水蒸氣作為活化介質，原料中的部分碳原子與水蒸氣反應，造成大量微孔而使之成為活性炭，如果水蒸氣用量太少，會使反應不充分，所形成的微孔數(shù)目就少，吸附能力不高。隨著水蒸氣用量的加大，吸附性能明顯升高，但水蒸氣用量過大，會使碳原子損失太多，孔徑會變大，使得吸附能力增加不明顯。因此水蒸氣用量以不超過炭化料質量的2倍為宜。

表1 各因素對活性炭性能的影響

2.2 水蒸氣活化稻殼制備活性炭正交試驗及結果分析

根據(jù)單因素試驗結果，以碘吸附值和亞甲基藍吸附值為考察指標，選擇炭化溫度、活化時間、活化溫度和水蒸氣用量4個主要因素，選取3個水平，采用的正交設計為L9(34)進行正交試驗，來考察各因素的主次影響。試驗設計與結果見表2。

表2 正交試驗結果與分析

水蒸氣活化法生產(chǎn)的稻殼活性炭的碘吸附值和亞甲基藍吸附值的直觀分析見表2，從極差R可以看出，A＞B＞C＞D，炭化溫度與活化溫度對碘吸附值影響最為顯著，活化時間與水蒸汽用量次之?？赡艿脑蚴菧囟仁强紫渡傻淖钪饕蛩?，隨著溫度的升高，炭化和活化的反應速率加快，生成大量的微孔，但溫度過高會使孔隙變大，比表面積變小，對碘的吸附能力反倒下降;從極差R/可以看出，D＞A＞B＞C，即水蒸氣用量與炭化溫度對亞甲基藍吸附值有很大影響，活化溫度與活化時間對亞甲基藍吸附值影響較小?？赡苁且驗殡S著水蒸氣用量的加大，有大量的孔生成，吸附性能明顯升高，但水蒸氣用量過大，會使碳原子損失太多，孔徑會變大，比表面積變小，導致亞甲基藍吸附值變小;從極差R//可以看出，C＞D＞A＞B，即活化時間對得率影響最大，炭化溫度對產(chǎn)品得率影響最小。可能是因為活化時間加長，導致部分活性炭被燒失，使得產(chǎn)品得率下降。

就碘吸附值而言，碘吸附值越高，活性炭的吸附性能越好，由表2可得出最佳工藝條件A2B2C2D2，即：炭化溫度為450℃、活化溫度900℃、活化時間90 min和水蒸氣用量為炭化料的1.5倍。就亞甲基藍吸附吸附值而言，亞甲基藍吸附值越高，活性炭的吸附性能越好，由表2可得出最佳工藝條件A2B2C2D2，即：炭化溫度為450℃、活化溫度900℃、活化時間90 min和水蒸氣用量為炭化料的1.5倍。就產(chǎn)品得率而言，得率越高越好，由表2可以得出最佳工藝條件 A1B3C2D1，即：炭化溫度為400℃、活化溫度950℃、活化時間90 min和水蒸氣用量為炭化料的1.0倍。

綜合考慮以上情況，選用的最佳制備條件為：炭化溫度450℃、活化溫度為900℃、活化時間為90 min和水蒸氣用量為炭化料用量的1.5倍。

2.3 穩(wěn)定性實驗

在上述最佳工藝條件下進行3次穩(wěn)定性實驗，結果見表3。

從穩(wěn)定性實驗的結果可知，在最佳工藝條件下，制得的活性炭的平均碘吸附值844 mg/g，亞甲基藍吸附值138 mL/g，產(chǎn)品得率為13.9%。

表3 最佳工藝條件下的穩(wěn)定性實驗

3 結論

用水蒸氣活化稻殼制備活性炭，最佳制備條件為：炭化溫度450℃、活化溫度為900℃、活化時間為90 min和水蒸汽用量為活化料用量的1.5倍。在此條件下，制得的活性炭的碘吸附值844 mg/g，亞甲基藍吸附值138 mL/g，產(chǎn)品得率為13.9%。可見，用水蒸氣活化稻殼制備活性炭是可行的。

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Study on Preparation of Active Carbon from Rice Hull by Steam Activation

Hu Zhijie，Zheng Peng，Ye Mingqing
(1.College of Chemical Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China;2.College of Logistics，Jilin University，Changchun 130012，China)

The technology conditions of active carbon from rich hull was prepared by steam activation and the factors influencing the activation were investigated.The result show that the optimum conditions were the carbonization temperature 450℃，the activation temperature 900℃，the activation time 90 min and steam to solid ratio 1.5∶1.The maximum adsorb ability of iodine 844 mg/g，methylene blue 138 mL/g.These indexes are equal to activated carbons made from woods while its advantage is less in energy consumption and investment.Therefore，it has better economic and social benefits.

rich hull;steam activation;active carbon

TS210.9

A

1006－9690(2012)03－0067－04

10.3969/j.issn.1006－9690.2012.03.019

2011－12－15

江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目

胡志杰(1970—)男，安徽蚌埠人，實驗師，碩士，從事林產(chǎn)化學加工及活性炭制備的研究。