生物基竹炭材料的制備及其性能研究

李海云，王永壘，方紅霞

(黃山學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，安徽 黃山 245041)

我國竹類資源豐富，竹材產(chǎn)量和竹林面積均居世界前列。每年可砍伐竹子幾千萬噸，相當(dāng)于1 000多萬立方米木材的量，因而竹林有中國“第二森林”之美稱［1-2］。然而，在竹材的加工過程中，不可避免會產(chǎn)生大量的竹屑、竹粉、竹刨花等邊角料。目前處理這些邊角料的方法主要有以下幾種［3-6］，作為燃料燒掉，或用來作為培養(yǎng)食用菌或苗木的材料，或作為填料用于復(fù)合材料的加工，但是大部分竹材邊角料還沒有得到真正的利用，如何將這些竹粉等變成高附加值的材料是亟待解決的問題。

竹炭是竹材碳化后的產(chǎn)物，碳化后的產(chǎn)物顆粒表面有許多微孔，因而其內(nèi)比表面積大，在吸附、催化等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用［7-10］。為了進(jìn)一步優(yōu)化開發(fā)這些竹材剩余物資源，本論文從水熱碳化出發(fā)，研究了180 目竹粉進(jìn)行水熱碳化的最佳工藝條件，并借助紅外光譜、熱重分析、掃描電鏡等手段對其進(jìn)行表征。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

濃硫酸，分析純;竹粉，工業(yè)品。

Nicolet 380 傅里葉變換紅外光譜儀;TGA 4000熱重分析儀;S-3400 掃描電子顯微鏡。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

稱取180 目竹粉5.00 g，按照固液比為1∶15，取新配制好的硫酸溶液加入至250 mL 三頸燒瓶中，啟動(dòng)攪拌，在一定的溫度下充分碳化反應(yīng)。待反應(yīng)結(jié)束后，采用真空抽濾將基碳材料分離出來，用蒸餾水沖洗濾液至中性，取出產(chǎn)物，在120 ℃真空干燥箱中干燥12 h，即可得到產(chǎn)品。

1.3 竹炭收率

在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)添加的竹粉量記錄為m0，待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將在真空烘箱中充分干燥后的產(chǎn)品稱重，記錄為m，竹炭收率計(jì)算公式如下:

y=m/m0×100%

2 結(jié)果與討論

2.1 硫酸濃度對竹炭收率的影響

分別研究了55%，65%，75%，85%，95%的硫酸溶液對竹炭收率的影響，結(jié)果見圖1。其它反應(yīng)條件為:碳化溫度90 ℃，碳化時(shí)間6 h。

圖1 硫酸濃度對竹炭收率的影響Fig.1 Effect of the concentration of sulfuric acid on the yield of bamboo carbon

由圖1 可知，硫酸濃度對竹炭的形成有較大的影響。隨著硫酸濃度的增加，竹炭收率先增加而后輕微下降。當(dāng)硫酸濃度在55% ～65%，竹炭收率增加較快;而后隨著硫酸濃度的增加，竹炭收率增加變慢，當(dāng)硫酸濃度達(dá)到85%時(shí)，碳化效果最好，竹炭收率最高。繼續(xù)增大硫酸濃度，竹炭收率輕微下降，這表明當(dāng)硫酸濃度過高時(shí)會表現(xiàn)出極強(qiáng)的氧化性，導(dǎo)致副產(chǎn)物的生成。因此，最佳的硫酸濃度為85%。

2.2 碳化溫度對竹炭收率的影響

不同的碳化溫度對竹炭收率的影響見圖2。其它反應(yīng)條件為:硫酸濃度85%，碳化時(shí)間6 h。

圖2 碳化溫度對竹炭收率的影響Fig.2 Effect of the carbonization temperature on the yield of bamboo carbon

由圖2 可知，隨著碳化溫度的增加，竹炭收率也逐漸增加。然而，當(dāng)碳化溫度達(dá)到90 ℃以后，繼續(xù)增加碳化溫度至95 ℃，竹炭的收率幾乎無明顯變化。這就說明低溫不利于竹炭材料的形成，適宜的高溫可以增加硫酸碳化的效率。因而，適宜的碳化溫度為90 ℃。

2.3 碳化時(shí)間對竹炭收率的影響

不同的碳化時(shí)間對竹炭收率的影響見圖3。其它反應(yīng)條件為:硫酸濃度85%，碳化溫度90 ℃。

圖3 碳化時(shí)間對竹炭收率的影響Fig.3 Effect of the carbonization time on the yield of bamboo carbon

由圖3 可知，隨著碳化時(shí)間的增加，竹炭收率也逐漸增加。當(dāng)碳化時(shí)間為6 h 時(shí)，竹炭的收率達(dá)到了62%，此后繼續(xù)增加碳化時(shí)間，竹炭收率變化不大，因此，最佳的碳化時(shí)間為6 h。

2.4 紅外光譜分析

圖4 是優(yōu)化條件下(硫酸濃度85%，碳化溫度90 ℃，碳化時(shí)間6 h)產(chǎn)品的紅外光譜圖。

圖4 竹炭產(chǎn)品的紅外光譜Fig.4 IR spectroscopy of the bamboo carbon

由圖4 可知，在3 420 cm－1處出現(xiàn)的寬峰為碳化過程中形成的羥基多聚體吸收峰;在2 920 cm－1處為烷基吸收峰，說明存在著脂肪族分子;1 710 cm－1和1 620 cm－1處的吸收峰分別為 C O和 C C 的伸縮振動(dòng)吸收峰，1 384 cm－1處對應(yīng)羧基的吸收峰，1 130 cm－1是特征的醚基(C—O—C)伸縮振動(dòng)吸收峰。這說明在硫酸溶液的作用下，竹粉發(fā)生脫水碳化，形成多聚體竹炭材料。

2.5 熱重分析

由圖5 可知，竹炭產(chǎn)品在200 ℃前幾乎不失重，在236 ℃時(shí)，產(chǎn)品的失重量約5%，可能是由于樣品未能干燥完全引起的;從289 ℃到850 ℃為產(chǎn)品的快速失重階段，在500 ℃時(shí)，產(chǎn)品的失重量約50%，這說明得到的竹炭產(chǎn)品熱穩(wěn)定性好，可以滿足碳材的基本需要。

圖5 竹炭產(chǎn)品的熱重圖Fig.5 TG of the bamboo carbon

2.6 竹炭形貌分析

為了從微觀方面觀察竹炭的形貌特征，本實(shí)驗(yàn)采用日本日立公司S3400 型掃描電鏡對所得竹炭產(chǎn)品的形貌進(jìn)行表征，結(jié)果見圖6。

圖6 竹炭SEM 掃描圖Fig.6 The SEM of the bamboo carbon

由圖6 可知，竹炭材料的表面呈現(xiàn)多孔狀，且各種孔徑均比較發(fā)達(dá)。總體上看，多孔結(jié)構(gòu)比較均勻，同時(shí)，孔的分布也較為整齊。故而，該竹炭材料將有較強(qiáng)的吸附能力，在催化劑載體及吸附等領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用。

3 結(jié)論

以180 目竹粉為原料，運(yùn)用水熱碳化的方法，在濃硫酸的作用下竹粉發(fā)生一系列的碳化反應(yīng)得到竹炭，并對其碳化反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化，在最佳的工藝條件(硫酸濃度85%，碳化溫度90 ℃，碳化時(shí)間6 h)下，竹炭收率可達(dá)62%。通過紅外光譜、熱重(TG)分析和掃描電鏡對所得的竹炭產(chǎn)品進(jìn)行表征，結(jié)果表明所得的竹炭材料耐熱性較好，表面的多孔分布均勻，是一種有較高應(yīng)用價(jià)值的生物基炭材料。

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