連東紅

(武夷山市林業(yè)總公司，福建 武夷山 353000)

木質(zhì)活性炭的生產(chǎn)原料品種較多，主要為木材、竹子、果殼等[1]農(nóng)林廢棄物。我國作為林業(yè)大國之一，擁有較多品種和數(shù)量的木材，可為制備各類活性炭提供不同的原材料，為我國木質(zhì)活性炭的生產(chǎn)和發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)和有力的保障[2]。采用這些價格低廉、可再生的原材料來制備活性炭，結(jié)合適當?shù)墓に噮?shù)，不僅能制得良好的活性炭，還能節(jié)省資金，起到保護環(huán)境的效果。

為了制備性能較佳的活性炭產(chǎn)品，國內(nèi)外研究者采用氫氧化鈉活化法制備活性炭。YingZhang等[3]采用氫氧化鈉為活化劑，制備稻殼基活性炭，并用于吸附硝酸根離子；Konno等[4]研究了氫氧化鈉堿活化法制備生物質(zhì)基活性炭及其在雙電層電容器中的應(yīng)用；葉厲等[5]提出以稻殼炭化料為原料，采用NaOH化學活化法制備活性炭；黃鎮(zhèn)等[6]采用KOH/NaOH作為椰殼活性炭的活化擴孔劑，并對活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律進行分析；孔德國等[7]以棉花桿生物炭為原料，采用氫氧化鈉活化法制備活性炭，并對活性炭的持水能力進行研究。綜上所述，氫氧化鈉活化法制備活性炭的原料主要為炭化料，而直接采用木質(zhì)材料為原料的研究較少。本文以氫氧化鈉作為活化擴孔劑，采用杉木屑為原料制備活性炭，對制備過程中的活化時間、氫氧化鈉濃度和活化溫度等工藝參數(shù)的影響進行討論，可望為木質(zhì)原料的綜合利用提供途徑，并為活性炭的氫氧化鈉法生產(chǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實驗

1.1 原料與試劑

杉木屑來源于福建省南平市，取粒徑0.38～0.15 mm的杉木屑為原料。碘、亞甲基藍、氫氧化鈉等化學藥品購于國藥集團化學試劑有限公司，均為分析純。

1.2 活性炭的制備

將0～10%的氫氧化鈉溶液與杉木屑按液比3∶1混合?；旌暇鶆蚝?，在烘箱105 ℃下烘干，并在800、850、900、950 ℃下進行活化處理0.5、1.0、1.5 h?；罨Y(jié)束后冷卻至室溫，取出活化料，進行酸洗、水洗直到洗滌液呈中性，并于105 ℃下烘干，然后將烘干樣粉碎至0.15 mm，即可得到木質(zhì)活性炭。

1.3 活性炭性能測試

根據(jù)GB/T 12496.10—1999木質(zhì)活性炭試驗方法亞甲基藍吸附值的測定法[8]和GB12496.8—2015木質(zhì)活性炭試驗方法碘吸附值的測定法[9]測定亞甲基藍吸附值和碘吸附值。

2 結(jié)果與分析

2.1 木質(zhì)活性炭的得率分析

木質(zhì)活性炭在不同活化時間、氫氧化鈉濃度和活化溫度下的得率變化趨勢見圖1。木質(zhì)活性炭的得率隨活化溫度的增高呈不斷下降的趨勢。在800～850 ℃階段，木質(zhì)活性炭的得率降低較大，從15.50%下降至9.88%；在850～950 ℃階段，木質(zhì)活性炭的得率降低較小。木質(zhì)活性炭的得率隨氫氧化鈉濃度的增大不斷下降，氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)在2.5%～10%階段，得率降低較小，與未使用氫氧化鈉溶液(即質(zhì)量分數(shù)0 %)活化相比，得率降低幅度較大。木質(zhì)活性炭的得率隨活化時間的延長不斷下降。這是由于隨著活化溫度、氫氧化鈉濃度和活化時間的增加，活性炭的活化反應(yīng)進行得較徹底，氫氧化鈉對木質(zhì)材料的刻蝕量增加，炭化料的骨架結(jié)構(gòu)也受到破壞，因此，木質(zhì)活性炭的得率隨活化溫度、氫氧化鈉濃度和活化時間的增加不斷下降。

圖1 不同工藝對木質(zhì)活性炭得率的影響

2.2 活化溫度對活性炭性能的影響

將2.5%的氫氧化鈉與木屑混合，在800～950 ℃下活化1 h，制備木質(zhì)活性炭，活化溫度對木質(zhì)活性炭吸附性能的影響見圖2。由圖2可知，木質(zhì)活性炭的吸附能力隨著活化溫度的升高呈先升后降的趨勢，850 ℃時，碘吸附值、亞甲基藍吸附值最大，分別為693.1、75 mg·g-1。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：較高的活化溫度有利于提高氫氧化鈉的刻蝕作用，從而使制得的木質(zhì)活性炭具有發(fā)達微孔和中孔等類型的孔隙結(jié)構(gòu)[10]。然而，過高的活化溫度，將導致活化的能量提高，活化作用提升，加劇了相鄰孔隙間孔壁的坍塌，從而導致微孔和中孔等類型的孔隙擴大，故碘吸附值和亞甲基藍吸附值呈下降現(xiàn)象。

2.3 氫氧化鈉濃度對活性炭性能的影響

將0～10%的氫氧化鈉與木屑混合，在850 ℃下活化1 h，制備木質(zhì)活性炭，氫氧化鈉濃度對活性炭吸附性能的影響見圖3。由圖3可知，木質(zhì)活性炭的碘吸附值、亞甲基藍吸附值隨著氫氧化鈉濃度的增加呈先升后降的趨勢，在氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)為5.0%時達到最大值，分別為753.2、102 mg·g-1。氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)在0～5.0%范圍內(nèi)，木質(zhì)活性炭的吸附性能有較大提升。其原因是：隨著氫氧化鈉濃度的提高，碳原子的消耗量在活化進程中增加，促進了木質(zhì)活性炭微孔和中孔等類型的孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)達。然而，隨著氫氧化鈉濃度的進一步提高，吸附值反而降低，這是由于隨著氫氧化鈉濃度的增加，提高了其擴孔效應(yīng)，引起了微孔和中孔等類型的孔壁塌陷。

2.4 活化時間對活性炭性能的影響

將2.5%的氫氧化鈉與木屑混合，在850 ℃下活化0.5～1.5 h，制備木質(zhì)活性炭，活化時間對活性炭吸附性能的影響見圖4。木質(zhì)活性炭的吸附性能隨著活化時間的延長先升后降，在1.0 h時達到最大，碘吸附值、亞甲基藍吸附值分別為693.1、75 mg·g-1。其原因是：原料中碳原子的消耗隨著活化時間的延長增加，有利于促進木質(zhì)活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)的增加。然而，活化時間的增長，微孔和中孔等類型的孔壁不斷坍塌，產(chǎn)生擴孔反應(yīng)，使得其吸附能力降低。

圖4 不同活化時間對吸附性能的影響

3 結(jié)論

隨著活化時間、氫氧化鈉濃度和活化溫度的增加，木質(zhì)活性炭的得率不斷下降；木質(zhì)活性炭的吸附值呈先上升后下降的趨勢。在較優(yōu)的工藝條件：活化溫度850 ℃、氫氧化鈉濃度為2.5%、活化時間1.0 h下，木質(zhì)活性炭的碘吸附值為693.1 mg·g-1、亞甲基藍吸附值為75 mg·g-1。