植物生物質制備活性炭研究進展

劉　娜，張　彥，樊　靜

（衡水學院應用化學系，河北　衡水　053000）

植物生物質制備活性炭研究進展

劉娜，張彥，樊靜

（衡水學院應用化學系，河北衡水053000）

【摘要】植物廢料為原料制備的活性炭，是研究中的熱門話題之一,具有廣闊的發展空間。在當前活性炭研究中，常用的植物生物質原料可分為農業殘余物、木材類原料、竹類原料以及木質素四大類。活性炭具有發達的內部空隙結構與良好的吸附性能，在食品、化工、制藥、與環境保護等眾多領城有廣闊的應用前景[1]。

【關鍵詞】植物生物質；活性炭；炭化；活化

1　活性炭性質

活性炭不僅具有優良的吸附性，同時廣泛應用于農業、工業、環境保護、國防、催化劑載體、氣體的分離、傳感器、醫藥中間體、水質凈化和原料中間體脫色、儲氫、空氣凈化、化工分離、膜分離等許多領域。除此之外，活性炭還具有許多優點：①性能穩定，具有催化性能；可以在不同溫度、酸堿中使用；②炭表面上含有(或可以附加)許多官能團；③高度發達的孔隙結構以及巨大的內比表面積。

2　制備原料

當前降低活性炭成本的重要手段是尋找價格低廉、產量豐富的原料。按不同的來源，制備活性炭的植物生物質原料可以分為以下4類。

2.1農業廢棄物

在當前利用價值很低，甚至沒有經濟效益的農業廢棄物，現在主要的處置措施(焚燒與填埋)會對環境造成嚴重影響。因其具有硬度大小合適、灰分含量不高等優越性，農業廢棄物是良好的活性炭制備原料。

王寧等以炭化椰殼為原料，在1～2h的活化時間內（在900℃下以水蒸氣為活化劑制備活性炭）使活性炭比表面積突破了1500m2/g，孔徑集中低于2nm。馬琰坤等用炭化椰殼為原材料，利用水蒸氣與二氧化碳混合在一起組成的復合活化劑，在溫度低于900℃時制備出高比表面積活性炭，達到了2 587m2/g的比表面積。微孔體積為1.37m2/g。可達到1.47m2/g的總孔容積，可以用做雙電極電容器的電極材料。

2.2木材類原料

木材類原料可分為兩類：一類是來自林業的殘余物。例如橄欖枝、松針等，這類原料具備多孔以及硬度大等特性，另一類如橡樹、雪松、杉木等在木材加工的過程中產生的邊材及鋸末等廢棄物。依據現有研究可知，優化工藝后，能作為催化劑的載體，因為木材類原料制出的活性炭具有特殊的多孔結構。

2.3竹類原料

當前，已有很多國內外的專家研究了竹質活性炭，并且取得了優良的成績。Keith用竹子作為原料，在850℃下活化的同時添加70％的KOH作為活化劑，制備出高達800m2/g比表面積的活性炭，產率高達22％ 。鄧先倫等對以竹屑為原料制取活性炭進行了研究，其也使用了磷酸作為活化劑，制取的活性炭產品過渡孔發達，對各種大小不同分子的色素吸附能力都比較好，對檸橡酸等溶液的脫色能力最為優越。張華磊等用竹屑為原料，同樣采取磷酸法活化，制出的活性炭，孔的大小以中微孔為主，占到了86.3％，適用于將汽油蒸氣回收利用以及液體的脫色精制。在制備竹質活性炭的先進技術中，以微波輻射法為主導方法，目前應用技術已經比較成熟。除此之外，還有許多新技術如二次活化、溶膠凝膠以及超臨界法等先進方法[2]。

2.4木質素

木質素主要來自工業紙漿的副廢物，因為其自然分解時間很長，如果不經處理就排放到河流里會對水體造成嚴重污染。目前許多學者在進行了相關的研究。

孫勇等用蘆葦黑液為原料制取出的活性炭，木質素微孔活性炭的比表面積高達1 219m2/g，并且具有良好的吸附苯酚能力。路棋等發現，一種制備活性炭的優良原料可來自針葉造紙蒸煮黑液中的木質素，其優化條件為：磷料比為4.5：1.0，活化溫度為550℃，活化時間為40min，制備出的活性炭亞甲基藍吸附值高達195mL/g，得率為40.75％，碘吸附值為656mL/g。

3　制備方法

炭化與活化是制備活性炭的兩種主要方法。制備過程中，可以進行一步炭化活化，這時兩個過程可以各自單獨進行；也可以進行兩步炭化，這時兩個過程同時進行。

3.1炭化

依據現有文獻，溫度控制在450～1 000℃時炭化效果比較好。一般情況下，隨著溫度的升高，活性炭的產量逐漸減少。sai等用ZnCl2活化生物質制取活性炭過程中，如果升高溫度，則會降低活性炭的產量，但與浸泡的時間沒有關系。Peter等研究發現，固態產物的減少而液態與氣態產物的增加是由于炭化溫度的不斷升高。然而，如果升高溫度，產物中固定碳與灰分的比例變大，而揮發性物質的比例下降。故溫度升高時，活性炭的吸附性能會增強。如果升高溫度，則會降低活性炭的產量，歸于兩點原因：其一焦炭殘留物的二次分解；其二是溫度越高生物質熱解越充分。

3.2活化

活化是為了利用化學物質或蒸氣來清除炭化過程中的裂解產物、炭原子氧化及焦油物質，這些物質都匯集在孔隙結構里。產生微孔及擴大炭化料裂孔隙以提高比表面積以及孔洞體積，產出具有高吸附量的活性炭。物理活化法、化學活化法是兩種主要的活化方法。

3.2.1物理活化法

物理活化法指將炭化材料與空氣、二氧化碳、水蒸氣等氧化性氣體與碳材料混合，在高溫條件下發生活化反應，致使碳材料中的無序碳氧化刻蝕成為孔，目的是使材料的內部產生微孔結構[3]。蘇偉等采用CO2與水蒸氣共同活化來制取高比表面積活性炭，其是采用椰殼炭作為原料進行制備的，研究結果表明，用CO2與水蒸氣活化10～17h粒徑在0.28～0.90nm的椰殼炭，可以制備出比表面積高達2 700m2/g的活性炭。

3.2.2化學活化法

化學活化法是指將化學藥品加到原料里，同時進行活化及炭化的方法，化學活化法需要在惰性氣體保護下加熱才能進行[4]?；瘜W活化法中經常用到的活化劑有堿金屬與堿土金屬的氫氧化物、一些酸類以及無機鹽類。KOH ，H2P04，CaCl2和ZnCl2等是當前比較常用的化學活化劑，這其中以KOH作為活化劑效果優異。

【參考文獻】

[1]董宇,申哲民,王茜等.生物質活性炭制備的比較研究[J].安徽農業學,2011,39(6)

[2]尹炳奎,朱石清,朱南文等.生物質活性炭的制備及其染料廢水中的應用[J].環境污染與防治,2006,28(8)

[3]施雪,趙麗麗,吳江等.生物質活性炭對模擬煙氣汞吸附特性的實驗研究[J].上海理工大學學報,2013,35(5)

[4]李勤,金保升,黃亞繼等.水蒸氣活化制備生物質活性炭的實驗研究[J].東南大學學報（自然科學版）,2009,39(5)

【基金項目】衡水市科學技術研究指導計劃項目（10009z）