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高溫炭化法制備竹炭的研究
摘要：采用高溫炭化法制備竹炭。研究了溫度、保溫時間和升溫速率對竹炭吸附性能的影響，并通過N 吸附等溫線對其孔結構進行表征。結果表明，隨著溫度、保溫時間的增大，竹炭的亞甲基藍吸附值和碘吸附值呈現逐步增長的趨勢;升溫速率的提高，促進了炭素前驅體石墨化程度的提高，不利于竹炭孔隙結構的發達;高溫炭化法可以制得微孔、中孔、大孔較發達的竹炭。在較佳的實驗條件下，高溫炭化法可制得竹炭的亞甲基藍吸附值和碘吸附值分布為280mg/g和947.3mg/g。論文關鍵詞：高溫炭化,竹炭,吸附
竹材作為一種多孔介質材料，熱解后形成的竹炭具有特殊的孔隙結構，且有一定的比表面積，廣泛用于調濕、有害氣體的去除以及水體中有機污染物和重金屬的去除。近年，隨著竹材加工工業的發展，在其加工過程中，將出現很多竹刨花、竹屑等加工剩余物，企業一般將其作為燃料，如果將竹材及其副產品用于制備竹炭、竹活性炭等環節友好型吸附材料，可為竹炭、竹活性炭的制備提供良好的原料來源。
因竹炭來源廣、成本低廉、吸附性能良好，越來越多的研究者對竹炭的制備及吸附性能進行了研究。戴嘉璐等采用竹材為原料，經高溫炭化制得竹炭研究結果表明，竹炭結構是含石墨微晶的無定型碳結構，基本保持竹材的微觀形態，導管內壁存在類似層狀石墨結構。朱江濤等研究了30℃下竹炭對苯酚溶液的吸附動力學，結果表明，竹炭對苯酚的吸附動力學過程可以用準二級模型進行很好的描述。蔣新元等利用不同部位的竹材如竹蔸、竹節和竹枝制備竹炭，并對其進行表征。S.Y.Wang等研究了不同制備工藝條件下，竹炭對水溶液中Pb，Cu和Cr的吸附，結果表明900℃制得的竹炭的吸附性能和比表面積比800℃的高。H.Lalhruaitluanga等研究了竹炭、竹活性炭對Pb的吸附情況，結果表明，竹炭、竹活性炭對Pb的吸附，主要由其表面的–OH，C H和C O官能團起作用。KeiMizuta等比較了市售活性炭與竹炭對水溶液中硝酸鹽的吸附，結果表明，竹炭的吸附性能對水溶液中的硝酸鹽的吸附性能優于市售活性炭。
本研究采用高溫炭化的方法制備竹炭，討論了炭化溫度、保溫時間和升溫速率對竹炭吸附性能的影響，并對其進行表征，以期為竹炭的制備和應用提供理論基礎。
1、材料與方法
1.1原料
以南平邵武市產的毛竹為原料(3年生)，粉碎、過篩，取粒徑0.2～1mm，自然風干后備用。
1.2試驗步驟
用日本制KDFS.70型，程序升溫爐對竹屑進行炭化，以3～15℃/min的升溫速度到4個不同的溫度(500～1000℃)并保溫2～10h。
1.3檢測方法
依據GB/T12496.8-1999，12496.10—1999，測定竹炭的亞甲基藍吸附值、碘吸附值。采用美國Micrometric公司ASAP2010型全自動比表面積分析儀對竹炭的比表面積進行測定。
表1炭化工藝對竹炭性能的影響
Table1Theeffectofcarbonizationconditions
| 工藝 | 得 率（%） | 亞甲基藍 (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 |
2、結果與討論
2.1溫度的影響
為了解炭化的溫度對竹炭性能的影響，研究以5℃/min的升溫速率到500～1000℃，保溫4h制備竹炭，結果列于表1。由表1可知，隨著炭化溫度的升高，竹炭的得率呈現不斷下降的趨勢，從500℃的32.78%降低到1000℃的8.31%，這是由于隨著溫度的升高，竹屑熱分解反應進行得激烈，燒失增大，得率降低。亞甲基藍吸附值和碘吸附值呈現先升后降的趨勢，在500～700℃時變化不大，700～900℃時，有了較大的增加，分別從700℃的38.5mg/g和681.2mg/g上升到900℃的235mg/g和873.9mg/g，而當溫度繼續上升到1000℃時，又有所下降。這是由于溫度高時，反應進行的比較激烈，能在較短的時間內，生成發達的微孔，但溫度過高時，反應進行的太快，反而會使微孔進一步燒失成中孔或大孔。
2.2保溫時間的影響
為了解保溫時間對竹炭性能的影響，研究以5℃/min的升溫速率到900℃，保溫2～10h制備竹炭，結果列于表1。由表1可知，隨著保溫時間的延長，竹炭的得率呈現不斷下降的趨勢，從2h的17.92%下降到1000℃的2.06%，這是由于隨著保溫時間的延長，熱分解反應進行得越充分，燒失增大，得率降低。亞甲基藍吸附值和碘吸附值呈現逐漸上升的趨勢，其中2～4h有較大的增加，分別從2h的175mg/g和725.1mg/g增加到4h的235mg/g和873.9mg/g，4～6h階段，也有較大的增長趨勢，6h時分別達到280mg/g和947.3mg/g，6～10h階段，變化較小，基本達到平衡。這是由于保溫時間太短，活化反應進行得不夠充分，氧氣只在物料的表層發生反應，沒有足夠的時間進入里層進行反應，所以吸附性能比較差。保溫時間太長，活化反應進行得比較充分，在孔隙結構生成的同時，也有大量的孔隙結構被燒失，故吸附性能變化不大。
2.3升溫速率的影響
為了解升溫速率對竹炭性能的影響，研究以3～15℃/min的升溫速率到900℃，保溫4h制備竹炭，結果列于表1。由表1可知，隨著升溫速率的提高，得率、亞甲基藍吸附值和碘吸附值均呈現先升后降的趨勢，得率在10℃/min達到最大，為15.65%，而亞甲基藍吸附值和碘吸附值在升溫速率為5℃/min達到最大，分別為235mg/g和873.9mg/g。
這是由于升溫速率的提高可使木質原料的熱分解加快，氣體釋放的速率加快，燒失增多，短時間內產生較多合適的游離基，而且氣體析出速率增加，促進了炭素前驅體石墨化程度的提高，不利于竹炭孔隙結構的發達。由表1還可知，得率、亞甲基藍吸附值和碘吸附值隨升溫速率的升高，變化不大，總體保持平衡，說明升溫速率對其影響不大。
2.4N吸附等溫線的分析 吸附等溫線常用來表示吸附系統的平衡狀態，還可以用來計算吸附劑的比表面積、孔隙體積和孔徑分布等。圖1描述了900℃，保溫2~8h的竹炭吸附等溫線。由圖1可以看出，不同保溫時間的N吸附等溫線的形狀相似，氮氣吸收量的增加不僅在低相對壓力下，而且在整個壓力范圍內也是明顯的。按國際純化學和應用化學協會(IUPAC)的分類，該類等溫線屬于Ⅰ型和Ⅱ型的結合型，說明該竹炭具有較發達的中孔和微孔。
由圖1明顯看出，隨著保溫時間的延長，竹炭對氮氣的吸附能力也隨之升高。在相對壓力小于0.1時，微孔被完全填充，而隨著相對壓力的進一步增大，對應的吸附容積也不斷增大(該階段為中孔的填充過程)，說明具有發達的中孔結構。當相對壓力大于0.9時，氮氣吸附量則出現較大的增加，即吸附等溫線有“脫尾”現象，說明大孔也較發達。根據以上分析可知，竹炭具有發達的微孔、中孔、大孔結構，且隨溫度的升高，孔隙結構越發達。
由圖1還可知，6h和8h的吸附等溫線比較接近，說明這兩種條件下制得的竹炭孔隙結構差不多，時間的延長對其孔隙結構影響不大。而2～6h的吸附等溫線在對應的相對壓力下，有較大的變化，說明在該階段，隨著保溫時間的延長，有利于竹炭孔隙結構的發達。
3、結論
(1)隨著溫度、保溫時間的增大，竹炭的亞甲基藍吸附值和碘吸附值呈現逐步增長的趨勢。升溫速率的提高，促進了炭素前驅體石墨化程度的提高，不利于竹炭孔隙結構的發達。
(2)根據N吸附等溫線的分析，高溫炭化法可以制得微孔、中孔、大孔較發達的竹炭。
(3)在較佳的實驗條件下，高溫炭化法可制得竹炭的亞甲基藍吸附值和碘吸附值分布為280mg/g和947.3mg/g。
參考文獻
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