甘蔗渣基炭材料的制備及結(jié)構(gòu)和性能研究

曾 建，梁 磊，謝晉謀，黃向陽(yáng)，楊新強(qiáng)

（1廣州甘蔗糖業(yè)研究所 廣東省甘蔗改良與生物煉制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510316；2廣東省植物纖維綜合利用工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心，廣東廣州510316；3廣州市植物纖維綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510316；4云南康豐糖業(yè)(集團(tuán))有限公司，云南保山678000）

0 引言

中國(guó)的森林資源一直在減少，環(huán)境日益遭到破壞，國(guó)家越來(lái)越重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)與森林資源開(kāi)發(fā)的問(wèn)題。同時(shí)，隨著國(guó)家退耕還林政策的實(shí)施，嚴(yán)格限制利用天然林木生產(chǎn)木炭和木炭用量的大量增加，天然木炭已經(jīng)滿足不了市場(chǎng)需求。因此，使用秸稈、木屑、花生殼等低品位生物質(zhì)制備的炭材料越來(lái)越受到重視[1]。秸稈、木屑、花生殼等低品位生物質(zhì)都是農(nóng)業(yè)廢棄物和工業(yè)廢棄物，原料來(lái)源豐富，價(jià)格低廉，直接焚燒不僅利用率低，而且污染環(huán)境。

甘蔗渣是制糖工業(yè)副產(chǎn)品，最主要的成分是纖維素，其次是木質(zhì)素和半纖維素，其中纖維素占32%～48%，木質(zhì)素占23%～32%，半纖維素占19%～24%，成分相對(duì)穩(wěn)定[2-4]。甘蔗渣的碳水化合物的含量與一般木材相當(dāng)，是一種含豐富碳源的材料，利用甘蔗渣制備炭材料是甘蔗渣高值化綜合利用的一種新途徑[5-6]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料、試劑與儀器

甘蔗渣，廣東茂源糖業(yè)有限公司；氫氧化鈉，化學(xué)純。

馬弗爐，天津泰斯特儀器公司；粉碎機(jī)，青島興旺機(jī)制木炭廠；木炭機(jī)，青島興旺機(jī)制木炭廠；臺(tái)式掃描電鏡，荷蘭Phenom公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖1為實(shí)驗(yàn)流程圖。將甘蔗渣浸入1%(w/w)NaOH溶液，液質(zhì)比5：1，室溫下攪拌清洗0.5 h，取出甘蔗渣用自來(lái)水清洗至接近中性后，過(guò)濾，置于烘箱干燥。將干燥后的甘蔗渣，經(jīng)粉碎機(jī)粉碎，再經(jīng)木炭機(jī)擠壓成型，然后置于炭化爐高溫炭化，最后得到甘蔗渣基炭材料，炭材料為中空結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)流程照片圖如圖2。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

圖2 實(shí)驗(yàn)流程照片圖

2 結(jié)果與討論

2.1 含水量

在擠出成型過(guò)程中，甘蔗渣的含水量對(duì)成型過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量影響很大，當(dāng)原料水分過(guò)高時(shí)，加熱過(guò)程中產(chǎn)生的蒸汽太多不能順利地從棒的中心孔中排除，造成棒的表面開(kāi)裂，嚴(yán)重時(shí)造成不出棒，但水分太低成型也很困難，甚至無(wú)法成型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，原料最適宜的水分應(yīng)保持在10%左右，表1是甘蔗渣含水量對(duì)擠出成型的影響。

表1 甘蔗渣含水量對(duì)擠出成型的影響

2.2 甘蔗渣尺寸

表2是甘蔗渣尺寸對(duì)擠出成型的影響。甘蔗渣的尺寸不宜太長(zhǎng)，太粗，也不宜太短，太細(xì)，否則不利于甘蔗渣的擠壓成型。在甘蔗渣擠壓成型之前，甘蔗渣需要進(jìn)行粉碎，尺寸大小以20～30目為佳。

表2 甘蔗渣尺寸對(duì)擠出成型的影響

2.3 擠出成型溫度

甘蔗渣棒成型過(guò)程中不添加任何黏合劑和其他化學(xué)試劑。溫度過(guò)低，容易造成出棒筒堵塞，難以出棒，甚至可能將螺桿扭斷；溫度過(guò)高，會(huì)使棒體表層炭化，難以形成有效壓力，無(wú)法成型，擠出成型溫度對(duì)擠出成型的影響結(jié)果見(jiàn)表 3。結(jié)果表明，甘蔗渣在擠壓成型過(guò)程中，溫度應(yīng)控制在160～180℃左右，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整。

表3 擠出成型溫度對(duì)擠出成型的影響

2.4 產(chǎn)率

炭材料的產(chǎn)率(%)=炭材料的質(zhì)量/甘蔗渣棒的質(zhì)量×100。甘蔗渣制備炭材料產(chǎn)率見(jiàn)表4，甘蔗渣制備炭材料的平均產(chǎn)出率為28.6%。

表4 甘蔗渣制備炭材料產(chǎn)率

2.5 甘蔗渣預(yù)處理

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，未預(yù)處理的甘蔗渣灰分為3%～5%，堿洗預(yù)處理后的甘蔗渣灰分為0.7%～1.2%。未預(yù)處理的甘蔗渣制備的炭材料灰分為14%～26%，固定碳含量較低，堿洗預(yù)處理后的甘蔗渣制備的炭材料灰分為4%～6%，固定碳含量較高，發(fā)熱量大，性能與原木炭相當(dāng)[7]。結(jié)果表明，堿洗預(yù)處理對(duì)炭材料的性能有明顯的提高。表5的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由廣東省質(zhì)量監(jiān)督煤炭檢驗(yàn)站官方檢測(cè)，炭材料的成分包括水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳。

2.6 炭材料的微觀結(jié)構(gòu)

通過(guò)臺(tái)式掃描電鏡(SEM)觀察甘蔗渣基炭材料的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)炭材料的橫截面為獨(dú)特緊密的折疊紋路，沒(méi)有明顯的貫穿孔洞，如圖3所示。

圖4為阿拉丁20～50目活性炭和原木炭的SEM圖。圖中可以發(fā)現(xiàn)活性炭表面存在大量的微孔結(jié)構(gòu)，孔洞內(nèi)徑從零點(diǎn)幾微米到十幾微米不等，原木炭的橫截面存在大量的疏松孔洞，且孔洞內(nèi)徑較大，10 μm左右，與甘蔗渣基炭材料的微觀結(jié)構(gòu)有明顯的不同。這可以解釋機(jī)制甘蔗渣基炭材料的密度高于原木炭的原因。

表5 甘蔗渣預(yù)處理對(duì)炭材料性能的影響

圖3 甘蔗渣基炭材料的橫截面SEM圖（右圖為局部放大圖）

圖4 SEM圖（左：阿拉丁20～50目活性炭，右：原木炭）。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了甘蔗渣含水量、尺寸，擠出溫度、預(yù)處理方法對(duì)炭材料制備的影響，并用臺(tái)式掃描電鏡研究了炭材料的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，最佳制備條件為經(jīng)堿洗預(yù)處理的20～30目、含水量在8%～12%的甘蔗渣在160～180℃下擠出成型，再經(jīng)炭爐炭化后得到灰分較低，固定碳含量較高的炭材料。甘蔗渣制備炭材料的平均產(chǎn)出率可以達(dá)到 28.6%，甘蔗渣基炭材料的形貌結(jié)構(gòu)較為獨(dú)特。

[1] 李勤，黃亞繼，金保升. 利用生物質(zhì)制取活性炭的現(xiàn)狀及現(xiàn)實(shí)意義[J]. 山西能源與節(jié)能，2008，4(51)：13-15.

[2] 任俊莉，孫潤(rùn)倉(cāng)，劉傳富. 蔗渣可再生資源的最新利用進(jìn)展[J]. 中國(guó)糖料，2006(2)：55-57.

[3] 周林，郭祀遠(yuǎn)，蔡秒顏. 蔗渣的生物利用[J]. 中國(guó)糖料，2004(2)：40-42.

[4] 涂啟梁，付時(shí)雨，詹懷宇. 甘蔗渣綜合利用的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)資源綜合利用，2006(11)：13-16.

[5] 周曉薇. 用蔗渣生產(chǎn)顆粒活性炭[J]. 廣西蔗糖，2001(4)：31-34.

[6] 張志航，于淑娟，李國(guó)基，等. 氯化鋅法蔗渣制備活性炭研究[J]. 甘蔗糖業(yè)，1998(4)：32-34.

[7] 中華人民共和國(guó)林業(yè)部. 木炭和木炭試驗(yàn)方法 GB/T 17664-1999[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.