利用秸稈原材料制備活性炭吸附材料的工藝研究與應用

王強 陳琛 陳劍宏（遼寧東野環(huán)保產(chǎn)業(yè)開發(fā)有限公司，遼寧 葫蘆島 125000）

利用秸稈原材料制備活性炭吸附材料的工藝研究與應用

王強 陳琛 陳劍宏（遼寧東野環(huán)保產(chǎn)業(yè)開發(fā)有限公司，遼寧 葫蘆島 125000）

本文研究探討了農(nóng)作物秸稈原材料制備活性炭吸附材料的反應條件，并在生產(chǎn)設備碳化活化爐中進行了中試生產(chǎn)，探討了生產(chǎn)工藝條件對活性炭吸附材料質(zhì)量指標的影響。當碳化溫度為450-600℃，碳化時間為90min，活化溫度為900℃，活化時間為30min，蒸汽通入量為0.4kg/h，得到的活性炭材料碘值為650mg/L，亞甲藍值120mg/g。將該秸稈活性炭材料應用到企業(yè)污水吸附過濾罐中，可以顯著降低廢水的COD、色度、氣味、有機物類污染指標。故對秸稈原材料通過預干燥、碳化、活化、冷卻、篩分來制備活性炭吸附材料，為廢棄農(nóng)作物的資源化再利用起到了積極作用，具有較強的應用前景。

農(nóng)作物秸稈；吸附材料；碳化活化一體爐

活性炭通常是以優(yōu)質(zhì)煤、果殼、木炭等作為原料，通過物理和化學處理等一系列工序加工制造而成的一種優(yōu)良吸附材料，具有發(fā)達的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，廣泛應用于冶金、輕紡、國防、環(huán)保及日常生活領域，是現(xiàn)代社會工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護中必不可少的炭質(zhì)吸附材料。

近十幾年來，隨著我國國民經(jīng)濟飛速發(fā)展及環(huán)保力度的加強，國內(nèi)活性炭的需求也以較快的速度增長。截止到2014年活性炭需求量已達到32萬噸，而且每年還會以5%-8%的需求量急劇增加，其中城市污水處理、工業(yè)廢水處理、氣體凈化和煙氣凈化將是我國活性炭需求的主要增長。而當今世界面臨日益嚴重的資源短缺問題，煤、石油等不可再生資源價格不斷上漲，并出現(xiàn)了接近枯竭的趨勢，我國經(jīng)濟的高速增長和可持續(xù)發(fā)展也不可避免受到制約。因此新材料、新資源的開發(fā)成為當務之急。農(nóng)作物秸稈原料是一種貯量豐富，可再生的綠色新型資源，但長期以來沒有得到良好的利用。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中每年秸稈產(chǎn)量達5.7億噸，但被利用的不足30%，大多數(shù)只是進行簡單加工作為牲畜飼料，堆肥還田和沼氣發(fā)酵，沒有充分發(fā)揮秸稈中木質(zhì)素和纖維素的價值，多數(shù)得不到利用的秸稈采用焚燒方式處理，產(chǎn)生大量的煙塵污染空氣，并且由于大多數(shù)采用焚燒的處理方法，不僅造成了資源的浪費，還引起嚴重的空氣污染。因此，秸稈的有效利用對于中國乃至世界經(jīng)濟的持續(xù)健康發(fā)展具有重大意義。

1 實驗過程及工業(yè)應用

1.1 實驗過程

本文采用的農(nóng)作物秸稈原料主要為花生殼和苞米稈，同時加入適量的木屑三者按照花生殼40%，苞米秸稈30%，木屑30%的比例混勻。原料事先需經(jīng)過水洗烘干，去掉泥土等雜質(zhì)，水份控制在≤15%，雜質(zhì)含量≤3%。將混合后的原料加入到碳化釜中，通入氮氣將釜中的空氣置換掉，然后緩慢升溫至450℃，原料發(fā)生碳化反應，保持在90分鐘后，升溫至900℃后開始通入水蒸氣30min，反應完成后待溫度自然降低至常溫后將碳化好的材料取出。

表1 幾組不同反應條件下活性炭質(zhì)量指標

1.2 實驗結(jié)果分析

秸稈原材料炭化過程中影響產(chǎn)量和質(zhì)量的主要原因，如炭化溫度、炭化速度、活化溫度、活化時間、活化介質(zhì)通入量、壓力等等

（1）炭化溫度

木炭的得率和質(zhì)量與炭化的最終溫度有很大關系，在炭化過程中，木炭中炭、氫、氧的含量隨炭化溫度的升高而變化，炭化溫度越高，含炭量增加，氫和氧的含量降低。因此，應該很好地控制炭化最終溫度。在保證木炭質(zhì)量的前提下，盡可能地降低炭化溫度，一般低溫炭炭化溫度保持在450-500度。

表2 活性炭的得率與炭化溫度的關系

（2）原料的含水率

秸稈原材料自然含水量的多少直接影響活性炭炭化時間，一般來說，原料的含水率在15—20%為宜。原材料熱解時排出的水分有兩個來源，一是自然含有的水分，二是熱解時產(chǎn)生的反應水。熱解過程中所產(chǎn)生的反應水的多少，決定于原材料的種類、熱解方法、炭化最終溫度、升溫速度等。在正常的炭化速度下，反應水的重量占絕干木材重量的24-28%。并且在不同的熱解階段，所產(chǎn)生的水量是不同的。熱解速度越快，水分的產(chǎn)量越小。如果要提高木炭產(chǎn)量，應降低熱解速度，提高反應水的產(chǎn)量。這是因為提高反應水的產(chǎn)量可降低原料中碳素的消耗，因而可提高活性炭的產(chǎn)量。

表3 活性碳生產(chǎn)設備比較表

(3)活化介質(zhì)條件

秸稈原料經(jīng)高溫碳化后，有相當部分碳化物殘留在活性炭微孔中。此時碳化物需用水蒸汽、二氧化碳等氧化性氣體進行氣化反應，使殘留碳化物在900℃左右氣化成CO2，CO等氣體。使微孔表面得到清理，恢復其吸附性能。

殘留碳化物與氧化性氣體的反應式如下：

活化再生過程中，氧對活性炭的基質(zhì)影響很大，因此必須在微正壓條件下運行。過量的氧將使活性炭燒損灰化，而過低的氧量又將影響爐內(nèi)溫度和再生效果。因此，一般的高溫加熱再生爐內(nèi)對氧必須嚴格控制，余氧量小于1%，CO含量為2.5%左右，水蒸汽注入量為0.2-1 kg／kg活性炭。

（4）中試生產(chǎn)

中試生產(chǎn)是在碳化活化一體爐上，該爐體一端是預熱燃燒室，另一端是煙氣二次燃燒室、鍋爐和煙囪，加料槽下一次是碳化段、活化段、冷卻出料口，碳化段和活化段均是由料道和煙道組成，其料道相同，碳化段煙道墻上設有煙氣通孔，使煙道與料道相通，活化段由耐火磚砌制而成，形成數(shù)排煙道和料道，活化段煙道的頂部和底部以及兩層煙道之間的隔層用帶有通孔的耐火磚砌成，可形成蒸汽通道。中試生產(chǎn)時候?qū)㈩A先烘干除雜的秸稈原料用提升機從料斗加入到爐中（事先烘爐），料道加滿位置，調(diào)節(jié)蒸汽通入量，每1小時補料一次，30分鐘出料一次，正常生產(chǎn)時不用煤、電等提供熱源和動力，是無煙環(huán)保型爐。炭化階段產(chǎn)生的可燃煙氣進入活化段進行燃燒，使爐內(nèi)活化段的溫度達900-1100℃，促進活化段內(nèi)炭化原料充分活化。同時利用爐本身的預熱使蒸汽鍋爐升溫，蒸汽鍋爐產(chǎn)生的活化介質(zhì)（水蒸汽）返回爐內(nèi)活化段活化造孔，提高活性炭產(chǎn)品質(zhì)量。活化段產(chǎn)生的一氧化碳等復合可燃氣進入煙道與氧氣結(jié)合后進行二次充分燃燒，解決了傳統(tǒng)爐排煙不達標的問題。(見表3)

1.3 秸稈活性炭吸附材料在污水處理上的應用

取錦西石油五廠的采油廢水做過濾吸附實驗，利用碳化-蒸汽活化法制備的秸稈活性炭有較高碘值和比表面積，能顯著降低水中COD、有機物等污染物，且過濾后的廢炭還可再生3-4次使用，效果良好。

表4 秸稈活性炭碳過濾廢水COD前后對比

2 結(jié)論展望

研究利用秸稈原材料通過碳化-活化工藝制取活性炭吸附材料是切實可行的，它原料來源廣泛，成本低廉，制得的活性炭材料吸附性能較好，在水處理行業(yè)有巨大的應用前景。隨著國內(nèi)外經(jīng)濟的不斷發(fā)展及環(huán)境保護意識的日益加強，尤其是飲用水深度凈化和各類污水處理用活性炭的需求量將越來越大，具有巨大的國內(nèi)外需求市場。既有利于農(nóng)作物資源化再利用，又有一定的社會和經(jīng)濟效益。

利用秸稈原料制取活性炭吸附材料，當碳化溫度為450-600℃，碳化時間為90min，活化溫度為900℃，活化時間為30min，蒸汽通入量為0.4kg/h，得到的活性炭材料碘值為650mg/g，亞甲藍值120mg/g。

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王強（1981-），男（漢族），遼寧省鐵嶺縣人，2007年畢業(yè)于沈陽工藝大學化學工程與工藝專業(yè)，目前從事危險廢物資源化再利用應用研究。

陳琛（1985-），男（漢族），陜西省咸陽市人，2007年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學，目前從事危險廢物資源化再利用應用研究。