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高温炭化法制备竹炭的研究_化学专业论文

发布时间:2014-10-16 来源:人大经济论坛
摘要:采用高温炭化法制备竹炭。研究了温度、保温时间和升温速率对竹炭吸附性能的影响,并通过N 吸附等温线对其孔结构进行表征。结果表明,随着温度、保温时间的增大,竹炭的亚甲基蓝吸附值和碘吸附值呈现逐步增长的趋势;升温速率的提高,促进了炭素前驱体石墨化程度的提高,不利于竹炭孔隙结构的发达;高温炭化法可以制得微孔、中孔、大孔较发达的竹炭。在较佳的实验条件下,高温炭化法可制得竹炭的亚甲基蓝吸附值和碘吸附值分布为280mg/g和947.3mg/g。 论文关键词:高温炭化,竹炭,吸附 竹材作为一种多孔介质材料,热解后形成的竹炭具有特殊的孔隙结构,且有一定的比表面积,广泛用于调湿、有害气体的去除以及水体中有机污染物和重金属的去除。近年,随着竹材加工工业的发展,在其加工过程中,将出现很多竹刨花、竹屑等加工剩余物,企业一般将其作为燃料,如果将竹材及其副产品用于制备竹炭、竹活性炭等环节友好型吸附材料,可为竹炭、竹活性炭的制备提供良好的原料来源。 因竹炭来源广、成本低廉、吸附性能良好,越来越多的研究者对竹炭的制备及吸附性能进行了研究。戴嘉璐等采用竹材为原料,经高温炭化制得竹炭研究结果表明,竹炭结构是含石墨微晶的无定型碳结构,基本保持竹材的微观形态,导管内壁存在类似层状石墨结构。朱江涛等研究了30℃下竹炭对苯酚溶液的吸附动力学,结果表明,竹炭对苯酚的吸附动力学过程可以用准二级模型进行很好的描述。蒋新元等利用不同部位的竹材如竹蔸、竹节和竹枝制备竹炭,并对其进行表征。S.Y.Wang等研究了不同制备工艺条件下,竹炭对水溶液中Pb,Cu和Cr的吸附,结果表明900℃制得的竹炭的吸附性能和比表面积比800℃的高。H.Lalhruaitluanga等研究了竹炭、竹活性炭对Pb的吸附情况,结果表明,竹炭、竹活性炭对Pb的吸附,主要由其表面的–OH,C H和C O官能团起作用。KeiMizuta等比较了市售活性炭与竹炭对水溶液中硝酸盐的吸附,结果表明,竹炭的吸附性能对水溶液中的硝酸盐的吸附性能优于市售活性炭。 本研究采用高温炭化的方法制备竹炭,讨论了炭化温度、保温时间和升温速率对竹炭吸附性能的影响,并对其进行表征,以期为竹炭的制备和应用提供理论基础。 1、材料与方法 1.1原料 以南平邵武市产的毛竹为原料(3年生),粉碎、过筛,取粒径0.2~1mm,自然风干后备用。 1.2试验步骤 用日本制KDFS.70型,程序升温炉对竹屑进行炭化,以3~15℃/min的升温速度到4个不同的温度(500~1000℃)并保温2~10h。 1.3检测方法 依据GB/T12496.8-1999,12496.101999,测定竹炭的亚甲基蓝吸附值、碘吸附值。采用美国Micrometric公司ASAP2010型全自动比表面积分析仪对竹炭的比表面积进行测定。 表1炭化工艺对竹炭性能的影响 Table1Theeffectofcarbonizationconditions 工艺 得 率(%) 亚甲基蓝 (mg/g) 碘值(mg/g) 500-5-4 32.78 32.5 546.0 600-5-4 26.86 35.5 593.3 700-5-4 21.39 38.5 681.2 800-5-4 17.05 121 823.2 900-5-4 14.71 235 873.9 1000-5-4 8.31 182.5 842.1 900-5-2 17.92 175 725.1 900-5-4 14.71 235 873.9 900-5-6 10.15 280 947.3 900-5-8 7.84 283 972.5 900-5-10 2.06 302.5 1032.8 900-3-4 14.01 212.5 809.4 900-5-4 14.71 235 873.9 900-10-4 15.65 227.5 833 900-15-4 14.32 230.5 819.3 注:500-5-4表示500℃-5℃/min-4h 2、结果与讨论 2.1温度的影响 为了解炭化的温度对竹炭性能的影响,研究以5℃/min的升温速率到500~1000℃,保温4h制备竹炭,结果列于表1。由表1可知,随着炭化温度的升高,竹炭的得率呈现不断下降的趋势,从500℃的32.78%降低到1000℃的8.31%,这是由于随着温度的升高,竹屑热分解反应进行得激烈,烧失增大,得率降低。亚甲基蓝吸附值和碘吸附值呈现先升后降的趋势,在500~700℃时变化不大,700~900℃时,有了较大的增加,分别从700℃的38.5mg/g和681.2mg/g上升到900℃的235mg/g和873.9mg/g,而当温度继续上升到1000℃时,又有所下降。这是由于温度高时,反应进行的比较激烈,能在较短的时间内,生成发达的微孔,但温度过高时,反应进行的太快,反而会使微孔进一步烧失成中孔或大孔。 2.2保温时间的影响 为了解保温时间对竹炭性能的影响,研究以5℃/min的升温速率到900℃,保温2~10h制备竹炭,结果列于表1。由表1可知,随着保温时间的延长,竹炭的得率呈现不断下降的趋势,从2h的17.92%下降到1000℃的2.06%,这是由于随着保温时间的延长,热分解反应进行得越充分,烧失增大,得率降低。亚甲基蓝吸附值和碘吸附值呈现逐渐上升的趋势,其中2~4h有较大的增加,分别从2h的175mg/g和725.1mg/g增加到4h的235mg/g和873.9mg/g,4~6h阶段,也有较大的增长趋势,6h时分别达到280mg/g和947.3mg/g,6~10h阶段,变化较小,基本达到平衡。这是由于保温时间太短,活化反应进行得不够充分,氧气只在物料的表层发生反应,没有足够的时间进入里层进行反应,所以吸附性能比较差。保温时间太长,活化反应进行得比较充分,在孔隙结构生成的同时,也有大量的孔隙结构被烧失,故吸附性能变化不大。 2.3升温速率的影响 为了解升温速率对竹炭性能的影响,研究以3~15℃/min的升温速率到900℃,保温4h制备竹炭,结果列于表1。由表1可知,随着升温速率的提高,得率、亚甲基蓝吸附值和碘吸附值均呈现先升后降的趋势,得率在10℃/min达到最大,为15.65%,而亚甲基蓝吸附值和碘吸附值在升温速率为5℃/min达到最大,分别为235mg/g和873.9mg/g。 这是由于升温速率的提高可使木质原料的热分解加快,气体释放的速率加快,烧失增多,短时间内产生较多合适的游离基,而且气体析出速率增加,促进了炭素前驱体石墨化程度的提高,不利于竹炭孔隙结构的发达。由表1还可知,得率、亚甲基蓝吸附值和碘吸附值随升温速率的升高,变化不大,总体保持平衡,说明升温速率对其影响不大。 2.4N吸附等温线的分析 吸附等温线常用来表示吸附系统的平衡状态,还可以用来计算吸附剂的比表面积、孔隙体积和孔径分布等。图1描述了900℃,保温2~8h的竹炭吸附等温线。由图1可以看出,不同保温时间的N吸附等温线的形状相似,氮气吸收量的增加不仅在低相对压力下,而且在整个压力范围内也是明显的。按国际纯化学和应用化学协会(IUPAC)的分类,该类等温线属于Ⅰ型和Ⅱ型的结合型,说明该竹炭具有较发达的中孔和微孔。 由图1明显看出,随着保温时间的延长,竹炭对氮气的吸附能力也随之升高。在相对压力小于0.1时,微孔被完全填充,而随着相对压力的进一步增大,对应的吸附容积也不断增大(该阶段为中孔的填充过程),说明具有发达的中孔结构。当相对压力大于0.9时,氮气吸附量则出现较大的增加,即吸附等温线有脱尾现象,说明大孔也较发达。根据以上分析可知,竹炭具有发达的微孔、中孔、大孔结构,且随温度的升高,孔隙结构越发达。 由图1还可知,6h和8h的吸附等温线比较接近,说明这两种条件下制得的竹炭孔隙结构差不多,时间的延长对其孔隙结构影响不大。而2~6h的吸附等温线在对应的相对压力下,有较大的变化,说明在该阶段,随着保温时间的延长,有利于竹炭孔隙结构的发达。 3、结论
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