木屑炭化物制備工藝研究

章江麗，陳順偉，包立根，朱杭瑞，程輝武

（1.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院 浙江省森林資源生物與化學(xué)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023；2.浙江民心生態(tài)科技有限公司，浙江 衢州 324022）

杉木（Cunninghamia lanceolata）是我國(guó)南方重要的速生商品材樹種，在我國(guó)森林蓄積量和木材生產(chǎn)中占有十分重要的地位。隨著20世紀(jì)50年代杉木造林面積迅速增加，浙江省現(xiàn)已有生態(tài)公益林杉木林面積10.53萬hm3[1]。其中每年采伐木材約40%作制材加工，制材加工時(shí)約有10%的木材變成鋸屑[2]，資源豐富。利用這些加工剩余物鋸木屑制備木屑炭化物既可用于物理法制備活性炭的原料，又可廢物利用節(jié)約資源。

活性炭具有良好的吸附性能，廣泛用于環(huán)境保護(hù)、食品、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域中。目前國(guó)內(nèi)外制備活性炭主要以木材、優(yōu)質(zhì)煤等為原料[3～6]，生產(chǎn)成本較高成為制約活性炭應(yīng)用的一個(gè)重要因素。近年來拓展活性炭制備原料來源的研究報(bào)道較多[7～10]，包括廉價(jià)的農(nóng)林廢棄物料如果殼、農(nóng)作物秸稈等。本文采用正交試驗(yàn)，探討了各實(shí)驗(yàn)條件對(duì)制備木屑炭化物的影響，從而得到杉木屑制備木屑炭化物的最佳炭化工藝條件，為物理法活化制備活性炭提供優(yōu)質(zhì)原料，并為其工業(yè)化應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與材料制備

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料為采自浙江省木材加工廠的杉木鋸木屑，過篩至4 mm的粉狀顆粒，其灰分含量為1.49 %。

炭化儀器及檢測(cè)設(shè)備：馬弗爐Nabertherm L9/11/SKM，上海歐銳WELL8000型多用量熱儀，上海精科UV759S紫外—可見分光光度計(jì)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用L9（34）安排正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素與水平如表1。主要考察炭化溫度、炭化時(shí)間、原料含水率對(duì)木屑炭化物性能的影響。

表1 試驗(yàn)因素與水平Table1 Factors and levels for experiment

1.3 樣品分析

將通過正交試驗(yàn)炭化制得的木屑炭過篩至71 μm，置于干燥器中備用。

按 GB/T17664-1999《木炭和木炭試驗(yàn)方法》測(cè)定灰分含量、固定碳含量、揮發(fā)分含量；pH值按 GB/T 12496.7-1999《木質(zhì)活性炭檢驗(yàn)方法pH的測(cè)定》；未炭化物含量（吸光度）按GB/T 12496.13-1999《木質(zhì)活性炭檢驗(yàn)方法未炭化物的測(cè)定》，在試樣中加入氫氧化鈉溶液加熱煮沸后，過濾，采用分光光度計(jì)在波長(zhǎng) 370nm測(cè)定濾液的吸光度測(cè)定；熱值分析采用氧彈量熱儀進(jìn)行測(cè)定，樣品量0.50±0.05。重復(fù)3次，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用統(tǒng)計(jì)軟件DPS（浙江大學(xué)研制）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 炭化工藝影響分析

對(duì)木屑炭化物的得率、揮發(fā)分、灰分、固定碳、pH值、未炭化物含量（采用吸光度表達(dá)）、熱值進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表2。同時(shí)，對(duì)炭化溫度、炭化時(shí)間和木屑含水率3個(gè)因素對(duì)木屑炭化物性能的影響進(jìn)行Duncan新復(fù)極差法多重比較分析，結(jié)果見表3。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table2 Results of orthogonal test

2.1.1 炭化得率 由表2和表3可知，木屑炭化得率變化趨勢(shì)與炭化溫度的關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)，隨炭化溫度的升高下降明顯，且隨著含水率的增大而增大的趨勢(shì)；炭化溫度對(duì)炭化得率在5 %水平上呈顯著差異，且炭化溫度400 ℃和500 ℃在1 %水平上呈極顯著差異。炭化時(shí)間、含水率對(duì)炭化得率影響不顯著。

2.1.2 揮發(fā)分含量 由表2可知，木屑炭揮發(fā)分含量隨炭化溫度的升高呈明顯下降趨勢(shì)，炭化溫度為400 ℃時(shí)，揮發(fā)分含量＞24%；炭化溫度為450℃時(shí)，揮發(fā)分含量在17% ～ 20%；炭化溫度為500℃時(shí)，揮發(fā)分含量在10% ～14%。揮發(fā)分含量隨炭化時(shí)間的延長(zhǎng)而下降的趨勢(shì)不明顯，炭化時(shí)間為2.0 h時(shí)，均值為19.01%； 2.5 h時(shí)，均值為18.94%； 3.0 h時(shí)，均值為18.22%。

表3 Duncan新復(fù)極差法多重比較Table3 Duncan method for multiple comparisons

由表3表明，炭化溫度對(duì)揮發(fā)分含量的影響呈5%水平顯著差異和1%水平極顯著差異。從炭化時(shí)間來看，3.0 h與2.5 h、3.0 h與2.0 h之間在1%水平上呈顯著差異，而2.5 h與2.0 h之間無顯著差異；從原料含水率來看，3個(gè)水平之間在5 %水平上呈顯著差異。

2.1.3 灰分含量 由表2和表3可知，木屑炭灰分含量隨炭化溫度的升高而呈上升趨勢(shì)，炭化溫度對(duì)灰分含量在5 %水平上呈顯著差異，且炭化溫度400℃和500℃在1%水平上呈極顯著差異。而炭化時(shí)間、原料含水率對(duì)灰分含量影響不顯著。

2.1.4 固定碳含量 由表2可知，木屑炭化物的固定碳含量變化趨勢(shì)與炭化溫度的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，隨炭化溫度的升高呈明顯上升趨勢(shì)，炭化溫度為400℃時(shí)，固定碳含量在70 %～72 %；炭化溫度為450℃時(shí)，固定碳含量為76% ～78%；炭化溫度為500 ℃時(shí)，固定碳含量為81%～84%。固定碳含量隨炭化時(shí)間的增大而增大，炭化時(shí)間為2.0 h時(shí)，均值為76.45%；2.5 h時(shí)，均值為76.63%；3.0 h時(shí)，均值為77.11%。

由表3表明，炭化溫度對(duì)固定碳含量的影響呈5%水平顯著差異和1%水平極顯著差異；從原料含水率來看，含水率22.61%與31.26%、22.61%與12.10%之間呈5 %水平顯著差異，而含水率12.10%與31.26%之間無顯著差異；炭化時(shí)間對(duì)固定碳含量的影響不顯著。

2.1.5 pH值 由表2和表3可知，9個(gè)木屑炭樣品的灰分含量pH值都大于9.0，且炭化溫度、炭化時(shí)間、原料含水率3個(gè)因素的各自3個(gè)處理水平之間都無顯著差異，說明炭化溫度、炭化時(shí)間、原料含水率對(duì)木屑炭的pH值影響較小。

2.1.6 吸光度（未炭化物含量） 由表2可知，吸光度變化趨勢(shì)與炭化溫度的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，隨炭化溫度升高呈明顯下降趨勢(shì)，說明炭化溫度越高，木屑炭的未炭化物含量越低，木屑炭化越完全。炭化溫度為400 ℃時(shí)，吸光度在0.5～1.1； 450℃時(shí)，吸光度在0.1～0.3； 500 ℃時(shí)，吸光度＜0.1。

由表3表明，炭化溫度400 ℃與500 ℃之間在5 %水平上呈顯著差異。炭化時(shí)間和原料含水率對(duì)吸光度的影響不顯著。

2.1.7 熱值 由表2和表3可知，木屑炭化物的熱值隨炭化溫度的升高而呈上升趨勢(shì)，隨炭化時(shí)間的增大而增大。炭化溫度對(duì)熱值在5 %水平上呈顯著差異，且炭化溫度400 ℃和500 ℃在1 %水平上呈極顯著差異；從原料含水率來看，含水率22.61%與31.26%、22.61%與12.10%之間在5 %水平上呈顯著差異，而含水率12.10%與31.26%之間無顯著差異；而炭化時(shí)間三個(gè)處理水平之間無顯著差異。

2.2 炭化工藝選擇

由表3可知，炭化溫度、炭化時(shí)間和含水率三個(gè)因素對(duì)木屑炭各性能的影響程度依次為炭化溫度最大，含水率其次，炭化時(shí)間最小。炭化溫度對(duì)揮發(fā)分含量、固定碳含量的影響呈5 %水平顯著差異和呈1 %水平極顯著差異，對(duì)炭化得率、灰分含量和熱值在5%水平上呈顯著差異；含水率對(duì)揮發(fā)分含量的影響在5 %水平上呈顯著差異；炭化時(shí)間對(duì)木屑炭各性能存在不顯著影響；其中，炭化溫度、炭化時(shí)間和含水率在 pH值和吸光度上差異不顯著，因此三個(gè)因素對(duì)木屑炭的pH值和吸光度性能不予考慮。

以木屑炭為原料制備活性炭時(shí)，對(duì)木屑炭的炭化性能要求揮發(fā)分含量相對(duì)較小、固定碳含量相對(duì)較高，并希望獲得較高的生產(chǎn)效率即炭化得率較高，因此，選取炭化工藝為炭化溫度450℃、炭化時(shí)間2.5 h、原料含水率高（即31.26 %以上）。

3 結(jié)論

（1）L9（34）正交試驗(yàn)結(jié)果表明，炭化溫度對(duì)木屑炭化得率及其炭化物揮發(fā)分含量、灰分含量、固定碳含量和熱值的影響呈5%水平顯著差異和 1%水平極顯著差異；原料含水率對(duì)木屑炭揮發(fā)分含量的影響呈5%水平顯著差異，含水率 22.61%分別與 12.10%、31.26%在灰分含量、固定碳含量和熱值具有顯著影響；炭化時(shí)間對(duì)木屑炭各理化特性存在不顯著影響。

（2）以活性炭原料為木屑炭化物的目標(biāo)用途，其優(yōu)化工藝為炭化溫度450℃、炭化時(shí)間2.5 h、原料含水率高（即31.26%以上）。在此工藝條件下，揮發(fā)分含量19.62%、灰分含量4.15%、固定碳含量76.23%、pH值9.46、吸光度0.251 0、熱值31 550 J/g，炭化得率可達(dá)32.11%。

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