謝偉雪

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院，甘肅蘭州 730021）

1 引言

作為一個紡織生產和消費大國，我國每年對紡織原料的需求巨大。隨著人們生活水平的提高，棉麻紡織品的使用周期越來越短，紡織品生產過程產生的邊角廢料及人民生活中淘汰的廢舊紡織品數(shù)量劇增，帶來了巨大的環(huán)境壓力。我國每年產生的與纖維有關的廢棄物不僅造成了驚人的浪費，對環(huán)境的污染也越來越嚴重，所帶來的直接和間接經濟損失也越來越大。我國目前還沒有建立廢舊衣物分類處理制度，大量的廢舊紡織品被當作垃圾掩埋、焚燒，合成纖維、人造纖維留在地表面可長達數(shù)年之久。在這個過程中，會產生有害氣體和難降解物質，既造成了資源浪費，又污染了環(huán)境。

生物炭是在缺氧或無氧環(huán)境下，由生物質裂解形成的一種富碳物質。熱解炭化是一個復雜的化學反應過程，在炭化過程中，原料中的纖維素、木質素等物質發(fā)生了熱解，產生一些小分子含碳有機物和無機物等物質。目前關于利用木質廢棄物如秸稈等含有的豐富纖維素、半纖維素和木質素等成分來制備生物炭的研究較多［1］，但對于廢衣物制備生物質炭的研究很少。本文以廢紡織品為對象，首先分析生活垃圾中廢紡織品預處理過程中處理劑和粉碎的粒徑對制備生物炭的影響，然后對廢紡織品制備出的生物炭從炭化溫度、生物炭產率、生物炭含量、生物炭碘吸附量和生物炭電鏡分析等方面進行分析研究。

2 試劑與儀器

實驗所用的廢紡織品來自廢品回收站，生物炭吸附性能指示劑為碘溶液，所用化學試劑都為分析純。

主要儀器：粉碎機、電熱鼓風干燥箱、真空管式爐、MIN QUAN MQD-B3R振蕩器、DL-5-B離心機、NA-300型空氮一體機、水浴鍋、Phenom Pro SEM電鏡等。

3 結果與分析

3.1 廢紡織品的預處理方法

紡織品可以為棉毛紡織品或麻紡織品，將廢紡織品原樣放入燒杯中，放入水浴中加熱至80℃，加入含有硝酸鹽和磷酸鹽的混合液中浸漬并不斷攪拌，恒溫30 min后擠出水分，于60℃下熱風干燥，得到預處理物［2］。將預處理的樣品和無處理的樣品分別在熱解溫度為350℃和400℃條件下進行熱解炭化制備生物炭并分析，分析結果見圖1。

圖1 處理劑對生物炭產率的影響

由圖1可以看出，在同一炭化溫度（350℃或400℃）下，有處理劑廢紡織品制備出的生物炭產率高于無處理劑組的生物炭產率。其中，炭化溫度為350℃時，有處理劑廢紡織品制備出的生物炭產率為49%，比無處理劑組的生物炭產率高15%；炭化溫度為400℃時，有處理劑廢紡織品制備出的生物炭產率為44%，比無處理劑組的生物炭產率高20%。這可能是采用含有磷酸鹽和硝酸鹽的處理劑對紡織品進行預處理的結果，磷酸鹽含有磷元素，硝酸鹽含有氮元素，二者均可作為無機阻燃劑，能夠降低炭化的溫度，提高纖維狀生物炭的產率。

3.2 廢紡織品粒徑粉碎的方法

將處理后的廢紡織品進行烘干，處理物的含水率小于10%。經實驗發(fā)現(xiàn)，若含水率太高，會增加熱解過程的傳質速度和熱解溫度。將烘干后的處理物粉碎為粒徑小于等于20目的粉狀物，若粉狀物的粒徑大于20目，在相同條件下炭化不完全，終產物的顏色呈灰色而不是黑色。而且隨著粒徑的增大，炭化溫度也隨之增加，需要較高的炭化溫度，不經濟［3］。

3.3 廢紡織品制備生物炭的分析

3.3.1 實驗設計

將粉狀物在惰性氣體氮氣的保護下以5～8℃/min的升溫速率升溫至280～480℃，炭化0.5～2.0 h，得到生物炭性質與炭化反應溫度的對應關系，見表1。

表1 生物炭性質與炭化反應溫度的對應關系

3.3.2 實驗分析

3.3.2.1 炭化溫度分析

由表1可以看出，炭化溫度范圍為280～480℃時，生物炭的產率為31%～68%。炭化溫度越高，纖維狀生物炭的產率越低，因為溫度越高，產生的液體和氣體越多，相應產生的固體就越少［4］。炭化溫度越低，纖維狀生物炭的產率越高，然而，炭化溫度越低，炭化就越不完全，使得終產物中含有部分未炭化原料，其顏色呈灰色而不是黑色。

3.3.2.2 生物炭含碳量分析

由表1可以看出，炭化溫度范圍為280～480℃時，生物炭的含碳量為55%～78%。碳含量越高越有利于碳儲存，具有較高含碳量的生物炭不僅可以減少肥料的用量，還可以減少溫室氣體的排放，對實現(xiàn)碳減排將非常有意義。

3.3.2.3 生物炭碘吸附值分析

生物炭的吸附能力采用碘吸附值為指標，碘吸附值是根據GB/T 12496.8—1999《木質活性炭試驗方法 碘吸附值的測定》進行測定的［5］，因為生物炭和活性炭的性質非常相似，因此可采用木質國標。

由表1可以看出，炭化溫度范圍為280～480℃時，生物炭碘吸附值為3 800～4 500mg/g。碘吸附值很高，說明該生物炭中孔和微孔很發(fā)達，對小分子物質吸附能力很強。

3.3.2.4 生物炭電鏡分析

將廢紡織品處理樣粉末和制備出的生物炭粉末，放在載物片上，裝入樣品后，噴吹1 min進行粉末分散，裝入Phenom Pro SEM電鏡分析儀下進行觀察。樣品取不同位置觀察［6-7］，結果見圖2。

圖2 廢紡織品處理樣及生物炭SEM圖

由圖2可以看出，廢紡織品經炭化后，制備出的生物炭表面結構松散，出現(xiàn)了很多吸附孔，吸附能力增強，這與其碘吸附值的分析結果相符合。

3.3.2.5 生物炭制備過程氣體的回用

廢紡織品制備生物炭過程中，采用低升溫速率，會產生少量的氣體。為了增加原料的傳熱系數(shù)、提高氮氣的溫度和氣體的回用，將出口處的氣體通過氣泵使其回流到進口處，并隨著氮氣再次流經反應體系，實現(xiàn)炭化過程產生氣體的循環(huán)流動和回用，減少氣體排放量，保護大氣環(huán)境。

4 結論

（1）用含有硝酸鹽和磷酸鹽的混合液處理劑對廢紡織品進行預處理后，能夠降低炭化的溫度，提高纖維狀生物炭的產率。

（2）廢紡織品制備生物炭的粒徑小于等于20目、含水率小于10%時，將會提高熱解炭化的效果和產率。

（3）炭化溫度范圍為280～480℃時，生物炭的產率為31%～68%，生物炭的含碳量為55%～78%，生物炭碘吸附值為3 800～4 500mg/g。生物炭產率較高，碳含量較好，碘吸附值很高。生物炭表面結構松散，吸附能力增強，說明該生物炭品質良好，吸附作用強。同時生物炭制備過程中產生的氣體實現(xiàn)循環(huán)流動和回用，減少了氣體排放量，保護大氣環(huán)境。

（4）廢紡織品制備的生物炭可用于土壤修復、大氣污染和水污染吸附污染物等領域。