許 偉， 劉軍利*， 繆存標(biāo)， 孫 康， 宋曜光

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；國(guó)家林業(yè)局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開放性實(shí)驗(yàn)室；江蘇省 生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042；2.福建元力活性炭股份有限公司，福建 南平 353000)

乙基纖維素包覆成型活性炭的制備及其性能研究

XU Wei

許 偉1， 劉軍利1*， 繆存標(biāo)2， 孫 康1， 宋曜光1

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；國(guó)家林業(yè)局 林產(chǎn)化學(xué)工程重點(diǎn)開放性實(shí)驗(yàn)室；江蘇省 生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042；2.福建元力活性炭股份有限公司，福建 南平 353000)

以乙基纖維素(EC)為包覆材料，無水乙醇為溶劑，在50 ℃溶解制成包膜液。將制備好的包膜液均勻地噴涂在成型活性炭的表面，經(jīng)熱處理后，制備得到包覆EC的活性炭產(chǎn)品?？疾炝税ひ旱馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)、噴涂體積及熱處理溫度對(duì)包覆活性炭強(qiáng)度和吸附性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：膜液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.23%、30 g活性炭噴涂20 mL膜液、熱處理溫度140 ℃條件下，制備的包覆活性炭產(chǎn)品強(qiáng)度達(dá)93.66%，相比原料活性炭提高7.35個(gè)百分點(diǎn)，丁烷工作容量為86.0 g/L,相比原料活性炭下降9.6 g/L，在活性炭表面形成了一層3～4 μm的薄膜。EC包覆沒有改變活性炭?jī)?nèi)部的孔結(jié)構(gòu)特征，但會(huì)影響活性炭表面的潤(rùn)濕性，經(jīng)EC包覆后活性炭水接觸角(θ)為89.76°(原料活性炭的θ為15.41°)，疏水性能顯著提高；包覆后的活性炭產(chǎn)品表面光滑平整，無浮塵，形狀保持良好。

成型活性炭；表面包覆；強(qiáng)度；水接觸角

成型活性炭具有獨(dú)特的尺寸和形狀，較高的堆積密度，在儲(chǔ)存和運(yùn)輸中具有明顯優(yōu)勢(shì)，易于滿足不同行業(yè)的使用需求[1-2]，但此類活性炭在使用過程中存在強(qiáng)度低、易粉化破碎等問題，影響活性炭的使用效果和使用壽命。為解決成型活性炭強(qiáng)度不高的問題，目前國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在活性炭生產(chǎn)過程中原料的精選、添加黏合劑種類、捏和擠壓工藝以及活化劑用量等方面[3-5]，而通過對(duì)成型活性炭表面包覆膜材料提高其強(qiáng)度的方法研究較少。乙基纖維素(EC)是一種熱塑性、低可燃性的纖維素烷基醚，具有化學(xué)穩(wěn)定性高、吸濕性小、成膜性和透氣性強(qiáng)等特點(diǎn)。EC制成的薄膜不易磨損，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性，在醫(yī)藥、食品、明膠劑、紡織和纖維等工業(yè)中有多種用途，廣泛用于固體制劑的薄膜包衣和氣體分離膜[6-7]。本研究以提高成型活性炭原料強(qiáng)度為出發(fā)點(diǎn)，以表面包覆為手段，制備出了強(qiáng)度高、表面浮灰少、疏水性高的活性炭產(chǎn)品，并研究了包膜液的濃度、噴涂體積、熱處理溫度等對(duì)包覆活性炭性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料、試劑與儀器

原料：一種磷酸法生產(chǎn)的木質(zhì)柱狀活性炭，滑縣大潮林物產(chǎn)有限責(zé)任公司，粒徑為3 mm，長(zhǎng)度為3～10 mm，初始強(qiáng)度86.31%，灰分4.21%，水分10.39%。對(duì)比樣：1#活性炭(粒徑為4 mm的椰殼成型活性炭)，福建元力活性炭股份有限公司；2#活性炭(粒徑為2 mm的煤質(zhì)成型活性炭)，河南鴻宇活性炭廠；3#活性炭(粒徑為3 mm的木質(zhì)成型活性炭)，福建恒翔炭業(yè)有限公司。

無水乙醇(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.7%，沸點(diǎn)78.15 ℃)，分析純；乙基纖維素(黏度45～55 mPa·s，軟化點(diǎn) 100～135 ℃)，化學(xué)純；正丁烷，分析純。

DF-101S型集熱式磁力加熱攪拌器，常州市偉嘉儀器制造有限公司；WGLL-658BE型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，天津市泰森特儀器有限公司；S3400N-I型掃描電子顯微鏡，日本日立公司；STA409PC同步熱分析儀，德國(guó)耐馳儀器制造有限公司；APAP2020全自動(dòng)比表面積分析儀，美國(guó)麥克儀器公司；OCA15EC接觸角測(cè)量?jī)x，德國(guó)Dataphysics公司；自制噴瓶。

1.2 包覆活性炭的制備

稱取一定量干燥的乙基纖維素，加入一定比例的無水乙醇溶劑，在50 ℃恒溫水浴中攪拌加熱至充分溶解，制成乙基纖維素膜液。將配置好的膜液裝入噴瓶中，趁熱均勻噴涂到一定質(zhì)量或體積的活性炭表面，噴涂過程中，反復(fù)翻動(dòng)活性炭，使膜液噴涂均勻。噴涂過程中若出現(xiàn)活性炭團(tuán)聚，要將發(fā)生團(tuán)聚的活性炭輕輕揉開。噴涂一定體積后，取出活性炭樣品，放置到干燥箱中，在一定溫度下熱處理180 min，熱處理結(jié)束后，取出放置于干燥器中冷卻待測(cè)。對(duì)于熱處理過程中揮發(fā)出的乙醇蒸氣，從干燥箱的頂部引出，經(jīng)過冷凝器后通入水中進(jìn)行收集處理，工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)時(shí)可利用活性炭罐進(jìn)行回收；對(duì)于未使用完的膜液可通過蒸餾冷凝的方式回收乙醇[8-9]。

1.3 包覆活性炭性能表征

1.3.1 活性炭基本性能分析 依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 12496.6—1999，測(cè)定活性炭原料的強(qiáng)度(耐磨強(qiáng)度)。依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 20449—2006，測(cè)定活性炭原料的丁烷工作容量。

1.3.2 同步熱分析 使用同步熱分析儀，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，以20 ℃/min從室溫升至280 ℃，確定乙基纖維素膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔點(diǎn)。

1.3.3 掃描電鏡分析 使用掃描電子顯微鏡，觀察活性炭包覆乙基纖維素膜后的表面形貌在不同熱處理溫度時(shí)的變化及產(chǎn)品的橫斷面。

1.3.4 孔結(jié)構(gòu)及比表面積的表征 采用全自動(dòng)比表面積分析儀，在液氮溫度(77K)下以高純氮為吸附介質(zhì)，測(cè)定活性炭粉末的N2吸附等溫線，并采用BET方程計(jì)算活性炭比表面積，孔容積由相對(duì)壓力為0.99時(shí)的氮吸附總量決定，活性炭微孔容積由Dubinin-Astakhovk方程計(jì)算。

1.3.5 表面潤(rùn)濕性分析 使用接觸角測(cè)量?jī)x分別測(cè)定活性炭在包覆前后的靜態(tài)接觸角。微量注射器每次注射3 μL去離子水，測(cè)試精度為1°，重復(fù)3次并取平均值作為靜態(tài)接觸角。

2 結(jié)果與討論

2.1 乙基纖維素包覆活性炭制備條件的確定

2.1.1 熱處理溫度的選擇

圖1 乙基纖維素膜的同步熱分析圖Fig.1 Simultaneous thermal analysis diagram of ethyl cellulose film

2.1.1.1 包覆膜的DSC曲線 取1.00 g乙基纖維素溶于30 mL無水乙醇中，在50 ℃攪拌溶解，配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.23%的膜液。將膜液倒入托盤中過夜，形成乙基纖維素膜，制成的包覆膜無色透明，通透性良好。取剪碎的薄膜樣品進(jìn)行同步熱分析測(cè)試，第二次升溫時(shí)的DSC曲線見圖1。

從圖1可以看出乙基纖維素膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)在129 ℃附近，熔點(diǎn)(Tm)在175 ℃左右，開始融化的溫度約為166 ℃。一般認(rèn)為當(dāng)聚合物膜熱處理溫度接近Tg時(shí)，聚合物結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生蠕變而對(duì)膜造成一定程度的破壞[10]。而當(dāng)熱處理溫度接近膜的熔點(diǎn)時(shí)，膜會(huì)融化破裂，力學(xué)性能基本喪失。因此，熱處理溫度應(yīng)該選在乙基纖維素膜開始融化的溫度(166 ℃)之下，同時(shí)為使熱處理能夠蒸發(fā)掉乙醇溶劑，熱處理的下限溫度應(yīng)選在乙醇的沸點(diǎn)(78 ℃)之上，并要特別注意熱處理溫度在Tg附近時(shí)對(duì)膜性能的影響。綜上所述，本研究選擇的熱處理溫度范圍為80～160 ℃。

2.1.1.2 熱處理溫度對(duì)活性炭表面形貌的影響 圖2列出了活性炭原料經(jīng)乙基纖維素包覆后(包覆條件：膜液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.23%，30 g活性炭噴涂20 mL膜液)，在不同熱處理溫度下處理180 min后放大1 000倍的表面電鏡圖。從圖2可以看出，未經(jīng)包覆的活性炭表面浮塵較多，粗糙不平；經(jīng)乙基纖維素包覆后活性炭表面變得較為光滑平整，看不到浮塵，表面被均勻的包覆住。熱處理溫度為120和140 ℃時(shí)活性炭表面的形貌相差不大，而熱處理溫度為160 ℃時(shí)，包覆膜的表面出現(xiàn)了大的裂孔，包覆膜失去了完整性，熱塑性的乙基纖維素冷卻后團(tuán)聚在一起，形成許多顆粒，使表面變得粗糙。

圖2 不同溫度熱處理后活性炭表面的掃描電鏡圖

2.1.1.3 熱處理溫度對(duì)包覆活性炭強(qiáng)度和丁烷吸附性能的影響 活性炭經(jīng)包覆后進(jìn)行熱處理有2個(gè)方面的作用：1) 熱處理使活性炭本身含有的水分以及無水乙醇溶劑揮發(fā)出來，打開被膜液堵塞的孔隙，形成氣體進(jìn)出的通道，減少因包覆造成的活性炭吸附性能下降；2) 乙基纖維素具有優(yōu)良的熱塑性，熱處理時(shí)能發(fā)生流動(dòng)變形，促進(jìn)包覆膜的完整愈合，提高包覆膜的均勻性和完整性。在熱處理過程中，溫度的選擇十分重要，熱處理溫度過低活性炭自身的水分及溶劑不能被蒸發(fā)出來，活性炭?jī)?nèi)部的孔隙被部分堵塞，造成活性炭對(duì)丁烷的吸附力降低；而當(dāng)熱處理溫度過高時(shí)，包覆膜容易軟化破裂，膜層收縮，厚度下降，力學(xué)性能降低。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.23%的膜液均勻噴涂20 mL到30 g活性炭表面，在不同溫度下熱處理180 min，研究了噴涂后活性炭強(qiáng)度和丁烷吸附性能隨熱處理溫度的變化情況，結(jié)果見表1。

表1 熱處理溫度對(duì)包覆活性炭強(qiáng)度和丁烷吸附性能的影響

從表1可以看出，包覆后的活性炭強(qiáng)度在熱處理溫度低于140 ℃時(shí)變化較小，而當(dāng)熱處理溫度高于140 ℃時(shí)強(qiáng)度呈現(xiàn)快速減小的趨勢(shì)，這是由于熱處理溫度過高導(dǎo)致包覆膜結(jié)構(gòu)收縮破裂，膜層厚度下降，力學(xué)性能降低造成的。當(dāng)熱處理溫度為80～100 ℃時(shí)，丁烷工作容量和丁烷持附率隨著熱處理溫度的升高而升高；當(dāng)溫度高于100 ℃后，丁烷工作容量變化幅度較小。這是因?yàn)楫?dāng)熱處理溫度高于水和無水乙醇的沸點(diǎn)后，活性炭本身含有的水分以及無水乙醇溶劑被完全蒸發(fā)出來，膜液堵塞的孔隙被打開，再增加熱處理的溫度，沒有更多的水和溶劑跑出來，而包覆膜由于高溫發(fā)生破裂，對(duì)提高活性炭的丁烷工作容量影響不大；但當(dāng)熱處理溫度低于100 ℃時(shí)，正丁烷氣體進(jìn)入微孔的通道沒有被完全打開，進(jìn)入微孔內(nèi)的氣體分子相對(duì)較少，因而持附率較低。與原料相比，熱處理溫度為140 ℃時(shí)，包覆后的活性炭具有較高的強(qiáng)度和丁烷工作容量，強(qiáng)度提高7.35個(gè)百分點(diǎn)，丁烷工作容量降低9.6 g/L。因此，綜合考慮本研究選擇140 ℃作為包覆活性炭的熱處理溫度。

2.1.2 膜液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和噴涂體積的選擇 乙基纖維素與無水乙醇的配比直接影響膜液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低，膜液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低對(duì)包覆活性炭的強(qiáng)度影響較大。膜液質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低時(shí)，膜液中乙基纖維素分子含量較少，分子間作用力弱，制得的膜力學(xué)性能較差，包覆在活性炭表面后對(duì)其強(qiáng)度提高較??；膜液質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí)，一方面，乙基纖維素在無水乙醇中難以完全溶解，分子間的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)變差，未能溶解的乙基纖維素團(tuán)聚在一起形成凝膠粒子，影響成膜的均勻性和完整性，另一方面，配置的膜液有較高的黏度，在噴涂過程中活性炭顆粒之間容易相互粘連發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，干燥后也難于分開，不利于應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)中為探究不同膜液質(zhì)量分?jǐn)?shù)包覆活性炭對(duì)其性能的影響，分別以1.00 g乙基纖維素溶解于100、75、50和30 mL無水乙醇配置得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.27%、1.69%、2.54%和4.23%的膜液。在熱處理溫度140 ℃條件下，將4種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膜液噴涂在活性炭樣品表面，膜液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)包覆后的活性炭性能有較大的影響，如表2所示。

由表2可知，以不同膜液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)30 g活性炭噴涂20 mL膜液，經(jīng)熱處理后包覆活性炭的強(qiáng)度隨膜液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而顯著提高，正丁烷的吸附性能隨膜液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高有所下降。30 g活性炭噴涂 20 mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.23%的膜液時(shí)，活性炭的強(qiáng)度要比噴涂20 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.27%的膜液后高出6.83個(gè)百分點(diǎn)，丁烷工作容量下降5.0 g/L，丁烷持附率提高2.45個(gè)百分點(diǎn)，由此可見相對(duì)于強(qiáng)度的提高，活性炭的吸附性能下降較小。綜合考慮，膜液質(zhì)量分?jǐn)?shù)以2.50%～4.50%為宜。

對(duì)于同一膜液質(zhì)量分?jǐn)?shù)來講，噴涂不同體積的膜液也會(huì)影響包覆活性炭的性能，且影響較大。如表2所示，在熱處理溫度為140 ℃時(shí)，以膜液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.23%為例，噴涂30 mL膜液時(shí)，活性炭的強(qiáng)度要比噴涂20 mL膜液高1.53個(gè)百分點(diǎn)，比噴涂10 mL膜液高3.97個(gè)百分點(diǎn)?；钚蕴繉?duì)正丁烷的吸附性能隨噴涂體積的提高而下降，丁烷持附率升高。由于在使用噴瓶進(jìn)行噴涂時(shí)，每次噴涂能噴覆到的活性炭表面有限，因此噴涂的體積不能過少。如果噴涂體積過少，會(huì)使得活性炭表面不能被完全包覆住，制成的包覆膜不完整且包覆膜薄而容易破裂，力學(xué)性能較差。而當(dāng)噴涂體積過多時(shí)，包覆膜的厚度增加，不利于氣體分子的進(jìn)出，活性炭之間還會(huì)發(fā)生粘連團(tuán)聚，影響活性炭的使用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)30 g活性炭樣品噴涂20 mL膜液時(shí)，能制備出均勻完整的包覆膜。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，噴涂體積則要根據(jù)實(shí)際情況選擇，通過適當(dāng)提高膜液質(zhì)量分?jǐn)?shù)以減少噴涂體積的方法是合適的。

表2 膜液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和噴涂體積對(duì)包覆活性炭強(qiáng)度和丁烷吸附性能的影響

綜上，選擇乙基纖維素包覆成型活性炭的制備條件為：乙基纖維素膜液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.23%，30 g活性炭，噴涂體積20 mL，熱處理溫度140 ℃。此條件下制備的乙基纖維素包覆活性炭強(qiáng)度達(dá)93.66%，相比原料活性炭提高7.35個(gè)百分點(diǎn)；丁烷工作容量為86.0 g/L，相比原料活性炭降低9.6 g/L，后文性能分析所用包覆活性炭樣品均為此優(yōu)化條件下制得的樣品。

2.2 乙基纖維素包覆活性炭的性能分析

2.2.1 外觀 圖3列出了乙基纖維素包覆活性炭產(chǎn)品的實(shí)物照片。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，相比于原料活性炭，經(jīng)包覆后的活性炭表面光滑平整，有光澤、無浮塵，保持了原有的形狀特征，且顆粒間分散良好。

2.2.2 橫斷面的掃描電鏡圖 使用掃描電鏡觀察包覆乙基纖維素活性炭的橫斷面，如圖4所示。

圖4 包覆活性炭的橫斷面掃描電鏡圖

從圖中可以看出，當(dāng)放大3 000倍時(shí)，明顯觀察到活性炭表面包覆了一層厚度約為3～4 μm的膜，包覆膜厚度均勻，與活性炭表面結(jié)合較好，可起到保護(hù)和支撐的作用，這是活性炭強(qiáng)度提高的主要原因。

2.2.3 孔結(jié)構(gòu)分析 活性炭原料在包覆前后的N2吸附-脫附等溫線及孔徑分布圖見圖5，孔結(jié)構(gòu)參數(shù)在表3中列出。由圖5可以看出，經(jīng)乙基纖維素包覆后的活性炭的N2吸附-脫附等溫線及孔徑分布曲線與原料活性炭的曲線幾乎重合在一起，表明乙基纖維素包覆沒有改變活性炭?jī)?nèi)部的孔結(jié)構(gòu)特征，保留了活性炭原料發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)。

圖5 包覆前后活性炭的N2吸附-脫附等溫線及孔徑分布圖

從表3可以看出，與原料活性炭相比，包覆乙基纖維素的活性炭BET比表面積、總孔容積、微孔孔容和平均孔徑等參數(shù)幾乎相同，中孔孔容略微降低，微孔率略微提高，這是由于包覆時(shí)膜液可以通過大孔進(jìn)入部分中孔，而不能進(jìn)入活性炭?jī)?nèi)部狹小的微孔導(dǎo)致的。包覆時(shí)部分中孔被進(jìn)入的膜液堵塞，導(dǎo)致中孔孔容有所降低，微孔內(nèi)由于沒有膜液進(jìn)入，因而微孔孔容保持不變，微孔率隨之提高。然而，由于包覆只發(fā)生在表面，所以對(duì)活性炭BET比表面積、總孔容積等基本無影響。由此可以得出，包覆活性炭的丁烷工作容量下降主要與表面包覆膜有關(guān)。包覆膜的存在阻礙了丁烷氣體分子透過，降低了活性炭對(duì)丁烷的飽和吸附量，而包覆后活性炭對(duì)N2的飽和吸附量沒有改變，說明包覆活性炭更適合吸附分子尺寸較小易透過包覆膜的氣體。

表3 包覆前后活性炭的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2.4 潤(rùn)濕性分析 氣體濕度能顯著影響活性炭的吸附性能，特別是當(dāng)氣體濕度大于50%時(shí)，吸附作用會(huì)受到顯著抑制[11]。表面包覆是改變材料表面潤(rùn)濕性的有效手段，通過表面包覆減小活性炭的潤(rùn)濕性能，有利于活性炭在水分較多的環(huán)境中使用。接觸角是表現(xiàn)材料潤(rùn)濕性的直觀參數(shù)，通常把θ=90°作為潤(rùn)濕與否的界限，當(dāng)θ>90°時(shí)，稱為不潤(rùn)濕；當(dāng)θ<90°時(shí)，稱為潤(rùn)濕，且θ值越小潤(rùn)濕性能越好[12]。本研究測(cè)定了被乙基纖維素包覆前后活性炭的接觸角變化，如圖6所示，包覆前活性炭的水接觸角θ為15.41°，包覆后θ為89.76°，接近90°?？梢钥闯鱿嗤瑢?shí)驗(yàn)條件下，包覆后活性炭水的接觸角有較大的提高，表明包覆后活性炭表面疏水性能增強(qiáng)，說明乙基纖維素包覆能顯著提高活性炭的疏水性能。

圖6 包覆前后活性炭的水接觸角

2.2.5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 為驗(yàn)證乙基纖維素包覆成型活性炭能提高成型活性炭的強(qiáng)度和表面疏水性，在膜液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.23%，30 g活性炭噴涂20 mL膜液，熱處理溫度為140 ℃的條件下，對(duì)3種市售成型活性炭(1#、2#、3#)進(jìn)行包覆，包覆前后活性炭的強(qiáng)度和水接觸角結(jié)果見表4。由表4可以看出，3種活性炭經(jīng)乙基纖維素包覆后強(qiáng)度和表面疏水性都明顯提高，證明乙基纖維素包覆成型活性炭對(duì)提高成型活性炭的強(qiáng)度和表面疏水性是有效的。

表4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3 結(jié) 論

3.1 乙基纖維素膜包覆成型活性炭能夠顯著提高成型活性炭的強(qiáng)度，包覆后的活性炭性能與膜液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、噴涂體積和熱處理溫度有關(guān)。在膜液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.23%，30 g活性炭噴涂20 mL膜液，熱處理溫度為140 ℃的條件下，制備的包覆活性炭的強(qiáng)度達(dá)93.66%，相比原料活性炭提高7.35個(gè)百分點(diǎn)；丁烷工作容量為86.0 g/L，相比原料活性炭下降9.6 g/L，水接觸角接近90°，在活性炭表面形成了一層3～4 μm的薄膜。

3.2 乙基纖維素膜包覆成型活性炭能夠在活性炭表面形成一層均勻的薄膜，包覆膜厚度均勻并與活性炭表面結(jié)合較好，起到保護(hù)和支撐的作用，這是活性炭強(qiáng)度提高的主要原因。包覆后的活性炭產(chǎn)品表面光滑平整，沒有浮塵，形狀保持良好。

3.3 乙基纖維素包覆成型活性炭不會(huì)改變活性炭?jī)?nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，活性炭的吸附性能得到較好的保留，丁烷工作容量下降主要與表面包覆膜阻礙分子透過有關(guān)。相比于原料活性炭，包覆后的活性炭水接觸角有較大的提高，接近不潤(rùn)濕，疏水性能增強(qiáng)，有利于其在水分含量較高的環(huán)境中使用。

[1]LIM W C，SRINIVASAKANNAN C，BALASUBRAMANIAN N. Activation of palm shells by phosphoric acid impregnation for high yielding activated carbon[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2010，88(2)：181-186.

[2]NAHIL M A，WILLIAMS P T. Pore characteristics of activated carbons from the phosphoric acid chemical activation of cotton stalks[J]. Biomass and Bioenergy，2012，37(1)：142-149.

[3]林冠烽. 磷酸法自成型木質(zhì)顆?；钚蕴康闹苽溥^程與機(jī)理研究[D]. 北京：中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院博士學(xué)位論文，2013. LIN G F. Preparation of self-form granular activated carbon from lignocellulosic material by phosphoric acid activation and analysis of its self-from mechanism[D]. Beijing：Doctoral Dissertation of Chiese Academy of Forestry，2013.

[4]QIAO W，KORAI Y，MOCHIDA I，et al. Preparation of an activated carbon artifact：Factors influencing strength when using a thermoplastic polymer as binder[J]. Carbon，2001，39(15)：2355-2368.

[5]靳瑛. 壓塊活性炭生產(chǎn)中壓塊強(qiáng)度的影響因素分析[J]. 能源與節(jié)能，2013(12)：139-141. JIN Y. Analysis of factors affecting briquetting intensity in producing briquette activated carbon[J]. Energy and Energy Conservation，2013(12)：139-141.

[6]劉桂香，徐仁賢. 乙基纖維素平板膜用于O2-N2氣體分離性能和結(jié)構(gòu)研究[J]. 膜科學(xué)與技術(shù)，1994，14(4)：46-52. LIU G X，XU R X. Study on properties and structures of ethyl cellulose flat membrane applied to O2-N2gas separation[J]. Membrane Science and Technology，1994，14(4)：46-52.

[7]黃雁，何希文，揣成智. 乙基纖維素水分散體在緩控釋薄膜包衣領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 塑料，2007，36(3)：37-40. HUANG Y，HE X W，CHUAI C Z. Application of ethylcellulose aqueous dispersion in controlled release coating[J]. Plastics，2007，36(3)：37-40.

[8]黃麗，劉石彩，朱光真，等. 活性炭對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物的吸附回收研究進(jìn)展[J]. 生物質(zhì)化學(xué)工程，2016，50(1)：50-56. HUANG L，LIU S C，ZHU G Z，et al. Recovery and adsorption of volatile organic compounds by activated carbon[J]. Biomass Chemical Engineering，2016，50(1)：50-56.

[9]王海東. 一種酒精蒸汽回收裝置：CN103301647A[P]. 2013-09-18. WANG H D. An alcohol vapor recovery device：CN103301647A[P]. 2013-09-18.

[10]姚從春. 乙基纖維素氣體復(fù)合膜的制備與改性研究[D]. 大連：大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013. YAO C C. Preparation and modification of EC-based gas composite membranes[D]. Dalian： Master Degree Thesis of Dalian University of Technology，2013.

[11]高華生，王大犟，葉蕓春，等. 空氣濕度對(duì)低濃度有機(jī)蒸氣在活性炭上吸附平衡的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22(2)：194-198. GAO H S，WANG D J，YE Y C，et al．The influence of atmospheric humidity on the adsorption capacity of activated carbon for low-concentration VOCs[J]．Acta Scientiae Circumstantiae，2002，22(2)：194-198.

[12]YILDRIM H E. Surface Chemistry of Solid and Liquid Interfaces[M]. Oxford: Blackwell Publishing Ltd.，2006.

Preparation and Properties of Formed Activated Carbon Coated by Ethyl Cellulose

XU Wei1， LIU Junli1， MIAO Cunbiao2， SUN Kang1， SONG Yaoguang1

(1. Institute of Chemical Industry of Forest Products，CAF；National Engineering Lab. for Biomass Chemical Utilization；Key and Open Lab. of Forest Chemical Engineering，SAF；Key Lab. of Biomass Energy and Materials，Jiangsu Province， Nanjing 210042， China； 2.Fujian Yuanli Active Carbon Co.，Ltd.， Nanping 353000, China)

The coated liquid was prepared with ethyl cellulose as coating material and ethanol as the solvent by dissolving at 50 ℃. In order to prepare activated carbon products coated by EC，the coated liquid was uniformly sprayed on the surface of formed activated carbon before heat treatment. The influences of the mass fraction of coated liquid, spray volume and heat treatment temperature on the strength and adsorption properties of coated activated carbon were studied. It was found that under the mass fraction of coated liquid was 4.23%，the weight of activated carbon was 30 g，the spray volume was 20 mL，and the heat treatment temperature was 140 ℃，the strength of the coated activated carbon reached 93.66% and increased 7.35 percentage points compared with that of raw activated carbon and the butane working capacity reached 86.0 g/L and decreased by 9.6 g/L, a thin film with thickness 3-4 μm was formed on the surface of the activated carbon. EC coating did not change the pore structure of activated carbon, but it would affect the wet ability of activated carbon surface, the water contact angle of coated activated carbon was 89.76°, which of the raw activated carbon was 15.41°, and it meant the hydrophobic performance was significantly improved. The surface of the activated carbon products prepared by this method was smooth，no dust，and the shape kept well.

formed activated carbon；surface coating；strength；water contact angle

10.3969/j.issn.0253-2417.2017.02.006

2016- 08- 04

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助(2015BAD14B06)

許 偉(1988— )，男，山東日照人，研究實(shí)習(xí)員，碩士，主要從事炭質(zhì)吸附材料的研究工作；E-mail：xxxuwei2008@163.com

*通訊作者：劉軍利(1974— )，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)能源與炭材料的研究工作；E-mail：liujunli1974@126.com。

TQ35；TQ424.1

A

0253-2417(2017)02- 0049- 08

許偉，劉軍利，繆存標(biāo)，等.乙基纖維素包覆成型活性炭的制備及其性能研究[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2017，37(2)：49-56.