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高温炭化法制备竹炭的研究-吸附
摘要：采用高温炭化法制备竹炭。研究了温度、保温时间和升温速率对竹炭吸附性能的影响，并通过N 吸附等温线对其孔结构进行表征。结果表明，随着温度、保温时间的增大，竹炭的亚甲基蓝吸附值和碘吸附值呈现逐步增长的趋势;升温速率的提高，促进了炭素前驱体石墨化程度的提高，不利于竹炭孔隙结构的发达;高温炭化法可以制得微孔、中孔、大孔较发达的竹炭。在较佳的实验条件下，高温炭化法可制得竹炭的亚甲基蓝吸附值和碘吸附值分布为280mg/g和947.3mg/g。论文关键词：高温炭化,竹炭,吸附
竹材作为一种多孔介质材料，热解后形成的竹炭具有特殊的孔隙结构，且有一定的比表面积，广泛用于调湿、有害气体的去除以及水体中有机污染物和重金属的去除。近年，随着竹材加工工业的发展，在其加工过程中，将出现很多竹刨花、竹屑等加工剩余物，企业一般将其作为燃料，如果将竹材及其副产品用于制备竹炭、竹活性炭等环节友好型吸附材料，可为竹炭、竹活性炭的制备提供良好的原料来源。
因竹炭来源广、成本低廉、吸附性能良好，越来越多的研究者对竹炭的制备及吸附性能进行了研究。戴嘉璐等采用竹材为原料，经高温炭化制得竹炭研究结果表明，竹炭结构是含石墨微晶的无定型碳结构，基本保持竹材的微观形态，导管内壁存在类似层状石墨结构。朱江涛等研究了30℃下竹炭对苯酚溶液的吸附动力学，结果表明，竹炭对苯酚的吸附动力学过程可以用准二级模型进行很好的描述。蒋新元等利用不同部位的竹材如竹蔸、竹节和竹枝制备竹炭，并对其进行表征。S.Y.Wang等研究了不同制备工艺条件下，竹炭对水溶液中Pb，Cu和Cr的吸附，结果表明900℃制得的竹炭的吸附性能和比表面积比800℃的高。H.Lalhruaitluanga等研究了竹炭、竹活性炭对Pb的吸附情况，结果表明，竹炭、竹活性炭对Pb的吸附，主要由其表面的–OH，C H和C O官能团起作用。KeiMizuta等比较了市售活性炭与竹炭对水溶液中硝酸盐的吸附，结果表明，竹炭的吸附性能对水溶液中的硝酸盐的吸附性能优于市售活性炭。 本研究采用高温炭化的方法制备竹炭，讨论了炭化温度、保温时间和升温速率对竹炭吸附性能的影响，并对其进行表征，以期为竹炭的制备和应用提供理论基础。
1、材料与方法
1.1原料
以南平邵武市产的毛竹为原料(3年生)，粉碎、过筛，取粒径0.2～1mm，自然风干后备用。
1.2试验步骤
用日本制KDFS.70型，程序升温炉对竹屑进行炭化，以3～15℃/min的升温速度到4个不同的温度(500～1000℃)并保温2～10h。
1.3检测方法
依据GB/T12496.8-1999，12496.10—1999，测定竹炭的亚甲基蓝吸附值、碘吸附值。采用美国Micrometric公司ASAP2010型全自动比表面积分析仪对竹炭的比表面积进行测定。
表1炭化工艺对竹炭性能的影响
Table1Theeffectofcarbonizationconditions
| 工艺 | 得 率（%） | 亚甲基蓝 (mg/g) | 碘值(mg/g) |
| 500-5-4 | 32.78 | 32.5 | 546.0 |
| 600-5-4 | 26.86 | 35.5 | 593.3 |
| 700-5-4 | 21.39 | 38.5 | 681.2 |
| 800-5-4 | 17.05 | 121 | 823.2 |
| 900-5-4 | 14.71 | 235 | 873.9 |
| 1000-5-4 | 8.31 | 182.5 | 842.1 |
| 900-5-2 | 17.92 | 175 | 725.1 |
| 900-5-4 | 14.71 | 235 | 873.9 |
| 900-5-6 | 10.15 | 280 | 947.3 |
| 900-5-8 | 7.84 | 283 | 972.5 |
| 900-5-10 | 2.06 | 302.5 | 1032.8 |
| 900-3-4 | 14.01 | 212.5 | 809.4 |
| 900-5-4 | 14.71 | 235 | 873.9 |
| 900-10-4 | 15.65 | 227.5 | 833 |
| 900-15-4 | 14.32 | 230.5 | 819.3 |
2、结果与讨论
2.1温度的影响
为了解炭化的温度对竹炭性能的影响，研究以5℃/min的升温速率到500～1000℃，保温4h制备竹炭，结果列于表1。由表1可知，随着炭化温度的升高，竹炭的得率呈现不断下降的趋势，从500℃的32.78%降低到1000℃的8.31%，这是由于随着温度的升高，竹屑热分解反应进行得激烈，烧失增大，得率降低。亚甲基蓝吸附值和碘吸附值呈现先升后降的趋势，在500～700℃时变化不大，700～900℃时，有了较大的增加，分别从700℃的38.5mg/g和681.2mg/g上升到900℃的235mg/g和873.9mg/g，而当温度继续上升到1000℃时，又有所下降。这是由于温度高时，反应进行的比较激烈，能在较短的时间内，生成发达的微孔，但温度过高时，反应进行的太快，反而会使微孔进一步烧失成中孔或大孔。
2.2保温时间的影响
为了解保温时间对竹炭性能的影响，研究以5℃/min的升温速率到900℃，保温2～10h制备竹炭，结果列于表1。由表1可知，随着保温时间的延长，竹炭的得率呈现不断下降的趋势，从2h的17.92%下降到1000℃的2.06%，这是由于随着保温时间的延长，热分解反应进行得越充分，烧失增大，得率降低。亚甲基蓝吸附值和碘吸附值呈现逐渐上升的趋势，其中2～4h有较大的增加，分别从2h的175mg/g和725.1mg/g增加到4h的235mg/g和873.9mg/g，4～6h阶段，也有较大的增长趋势，6h时分别达到280mg/g和947.3mg/g，6～10h阶段，变化较小，基本达到平衡。这是由于保温时间太短，活化反应进行得不够充分，氧气只在物料的表层发生反应，没有足够的时间进入里层进行反应，所以吸附性能比较差。保温时间太长，活化反应进行得比较充分，在孔隙结构生成的同时，也有大量的孔隙结构被烧失，故吸附性能变化不大。
2.3升温速率的影响
为了解升温速率对竹炭性能的影响，研究以3～15℃/min的升温速率到900℃，保温4h制备竹炭，结果列于表1。由表1可知，随着升温速率的提高，得率、亚甲基蓝吸附值和碘吸附值均呈现先升后降的趋势，得率在10℃/min达到最大，为15.65%，而亚甲基蓝吸附值和碘吸附值在升温速率为5℃/min达到最大，分别为235mg/g和873.9mg/g。
这是由于升温速率的提高可使木质原料的热分解加快，气体释放的速率加快，烧失增多，短时间内产生较多合适的游离基，而且气体析出速率增加，促进了炭素前驱体石墨化程度的提高，不利于竹炭孔隙结构的发达。由表1还可知，得率、亚甲基蓝吸附值和碘吸附值随升温速率的升高，变化不大，总体保持平衡，说明升温速率对其影响不大。
2.4N吸附等温线的分析 吸附等温线常用来表示吸附系统的平衡状态，还可以用来计算吸附剂的比表面积、孔隙体积和孔径分布等。图1描述了900℃，保温2~8h的竹炭吸附等温线。由图1可以看出，不同保温时间的N吸附等温线的形状相似，氮气吸收量的增加不仅在低相对压力下，而且在整个压力范围内也是明显的。按国际纯化学和应用化学协会(IUPAC)的分类，该类等温线属于Ⅰ型和Ⅱ型的结合型，说明该竹炭具有较发达的中孔和微孔。 由图1明显看出，随着保温时间的延长，竹炭对氮气的吸附能力也随之升高。在相对压力小于0.1时，微孔被完全填充，而随着相对压力的进一步增大，对应的吸附容积也不断增大(该阶段为中孔的填充过程)，说明具有发达的中孔结构。当相对压力大于0.9时，氮气吸附量则出现较大的增加，即吸附等温线有“脱尾”现象，说明大孔也较发达。根据以上分析可知，竹炭具有发达的微孔、中孔、大孔结构，且随温度的升高，孔隙结构越发达。
由图1还可知，6h和8h的吸附等温线比较接近，说明这两种条件下制得的竹炭孔隙结构差不多，时间的延长对其孔隙结构影响不大。而2～6h的吸附等温线在对应的相对压力下，有较大的变化，说明在该阶段，随着保温时间的延长，有利于竹炭孔隙结构的发达。
3、结论
(1)随着温度、保温时间的增大，竹炭的亚甲基蓝吸附值和碘吸附值呈现逐步增长的趋势。升温速率的提高，促进了炭素前驱体石墨化程度的提高，不利于竹炭孔隙结构的发达。
(2)根据N吸附等温线的分析，高温炭化法可以制得微孔、中孔、大孔较发达的竹炭。
(3)在较佳的实验条件下，高温炭化法可制得竹炭的亚甲基蓝吸附值和碘吸附值分布为280mg/g和947.3mg/g。
参考文献
1 张文标 ,钱新标 ,马灵飞.不同炭化温度的竹炭对重金属离子的吸附性能[J].南京林业大学学报(自然科学版),2009,33(6):20-24.
2 孙新元, 吴光前, 张齐生.竹炭对微污染水中有机污染物的吸附[J].环境科技,2010,23(1):15-18.
3 张齐生.重视竹材化学利用、开发竹炭应用技术[J].南京林业大学学报,2002,25(1):1-4.
4 戴嘉璐,郭兴忠,杨辉,等.竹炭微结构的研究[J].材料科学与工程学报,2007,25(5):743-745.
5 朱江涛,黄正宏,康飞宇,等.活性竹炭对苯酚的吸附动力学[J].新型炭材料,2008,23(4):326-330.
6 蒋新元,胡迅,李湘洲,等.不同部位竹材制备竹活性炭及其对苯酚的吸附性能[J].林业科学,2009,45(4):107-111.
7 Song-Yung Wang,Ming-Hsiu Tsai,Sheng-Fong Lo,et al.Effects of manufacturing conditions on the adsorption capacity of heavy metal ions by Makino bamboocharcoal[J].Bioresource Technology,2008,99(15):7027-7033.
8 H. Lalhruaitluanga,K. Jayaram,M.N.V. Prasad,et al.Lead(II) adsorption from aqueous solutions by raw and activated charcoals of Melocanna baccifera Roxburgh (bamboo)—A comparative study[J].Journal of Hazardous Materials,2010,175(1-3):311-318.
9 Kei Mizuta,Toshitatsu Matsumoto,Yasuo Hatate,et al.Removal of nitrate?nitrogen from drinking water using bamboo powder charcoal[J].Bioresource Technology,2004,95(3):255-257.
10 Zhonghua Hu,M.P.Srinivasan,Yaming Ni.Novel activation process for preparing highly microporous and mesoporous activatedcarbons[J].Carbon,2001,39(6):877-886.
11 R.Arriagada,R.García,M.Molina-Sabio,et al.Effect of steam activation on the porosity and chemical nature of activated carbons from Eucalyptus globules and peach stones[J].microporous materials,1997,8:123-130.
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