高溫炭化制備竹炭方法的研究

費騰?王龍宇?楊一中

摘 要：采用高溫炭化的方法制備竹炭的研究，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。

關鍵詞：高溫炭化;竹炭;吸附

1.竹材與竹炭

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，加工產生的竹刨花、竹屑等剩余物，如果將其用于制備竹炭、竹活性炭等環境友好型吸附材料，可為竹炭、竹活性炭的制備提供良好的原料來源。

科學實驗證明，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;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;竹炭對水溶液中的硝酸鹽的吸附性能優于市售活性炭。

2.竹炭制備的材料

以南平毛竹為原料（3年生），粉碎、過篩，取粒徑0.2～1mm，自然風干后備用。

3.竹炭制備的試驗方法

3.1 試驗步驟

用日本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。

3.2 試驗檢測方法

依據GB/T12496.8-1999和12496.10-1999，測定竹炭的亞甲基藍吸附值、碘吸附值。采用美國ASAP2010型全自動比表面積分析儀對竹炭的比表面積進行測定。

4.試驗結果討論

4.1 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，結果表明，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%，原因是隨著溫度的升高，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。

4.2 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，結果表明，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。

4.3 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，結果表明，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。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。

4.4 ?N2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。由圖可以看出，（1）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。說明該竹炭具有較發達的中孔和微孔;（2）隨著保溫時間的延長，竹炭對氮氣的吸附能力也隨之升高;（3）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。

6.結語

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。高溫炭化法可以制得微孔、中孔、大孔較發達的竹炭。

參考文獻：

[1]張齊生.重視竹材化學利用，開發竹炭應用技術[J].南京林業大學學報，2002，25（1）：1-4.

[2]戴嘉璐，郭興忠，楊輝，等.竹炭微結構的研究[J].材料科學與工程學報，2007，25（5）：743-745.