竹炭吸附性能及其利用研究进展

近年来, 竹炭的研究已经成为竹材研究领 域中的一个新热点。竹炭是竹材在高温下热解 后的固体产物, 其孔结构发达, 导电性能良好, 可以用作吸附剂、导电材料等。由于竹炭发达的 内部孔隙结构和较大的比表面积, 因此具有很 强的吸附能力。竹炭的吸附性能在环境保护、医 学和食品等领域具有广泛的应用。目前, 利用竹 炭的吸附性能已开发出环境调湿材料、保健产 品、美容美肤材料、土壤改良材料等。根据国内 外对竹炭的研究情况, 本文重点介绍竹炭吸附 性能的研究进展与应用情况。
研究表明炭化温度700 ℃下烧制的竹炭在15℃ 时, 3 种粒径的竹炭平衡吸湿量的差别不明显, 说明竹炭目数的大小对其吸湿量的影响很小。
第 2 期
刘焕荣等 竹炭吸附性能及其利用研究进展
3
杨磊等[ 11] 对竹炭对甲醛蒸汽的吸附性能研究 也表明竹炭粒径越小吸附性能越好, 与竹炭微 观结构有密切关系。 2. 3 竹炭的吸附时间与吸附性能的关系
竹炭的粒径对竹炭的吸附性能也具有一定 的影响。徐亦钢等[ 9] 研究发现竹炭在 2, 4-二氯 苯酚的浓度为 1 mg ·L -1, pH= 6. 4, 竹炭用量 为0. 20 g 条件下对其吸附, 结果表明竹炭径级
注: 环境温度 15℃, 相对湿度 95% 图 1 不同炭化温度下烧制竹炭的平衡吸湿量 Fig. 1 Equil ibrium hygr os copic mois t ure of bamboo char coal s made at dif feren t carboniz ing t emperat ures
1. 1 1. 7 2. 5 4. 9
去除率/ % A ds or ption
rate 22 34 50 98
越大粒径尺寸越小去除率越高, 如表2 所示。这 是因为竹炭粒径越细, 其比表面积越大, 吸附容 量亦越大, 因此去除 2, 4-二氯苯酚的效果越好。 肖继波等[ 10] 在 100 mL 浓度为 40 mg ·L -1 的活 性 艳红 X-3B 溶液中加入 0. 20 g 不同粒径的改 性竹炭, 置于 30℃、150 rpm 的摇床中振荡 2 h, 研究竹炭对染料的吸附性能, 结果表明与徐亦 钢研究一致。但粒度过细, 加工耗能耗时, 同时 吸附后固液分离困难, 因此在实际应用时应根 据去除效果的具体要求选择粒度大小。卢克阳
竹炭在吸附过程中, 随着吸附时间的延长, 竹炭的吸附性能也有所变化, 因此, 吸附时间为 探索 竹炭吸附性能的主要考虑因 素。叶桂足 等[ 12 ] 对竹炭对苯酚的吸附性能的研究表明竹 炭在吸附开始至 30 min 内, 吸附率迅速上升, 其值约达总吸附率的80% , 吸附时间达2h 后吸 附率增加缓慢。肖继波等[ 10] 利用竹炭对染料的 吸附性能研究也有相同结果, 并发现吸附时间 达 2 h 时, 竹炭对活性染料的吸附基本饱和, 吸 附过程已经接近平衡。主要原因是在竹炭开始 吸附的短时间内, 竹炭的快速吸附是一种表面 作用, 吸附率较大; 随着吸附时间的延长, 吸附 作用则是向竹炭空隙内部迁移、扩散, 这一过程 的速率较小。
第 28 卷 第 2期 2009 年5月
J
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竹 子 研 究 汇 刊 RNA L OF BAM BOO RESEA
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. 28, y, 2
N 0
o. 2 09
竹炭吸附性能及其利用研究进展
刘焕荣1 江泽慧2 任海青1 刘君良1
( 1. 中国林业科学研究院木材工业研究所, 北京 100091; 2. 国际竹藤网络中心, 北京 100102)
表 1 炭化温度与竹炭的比表面积关系[ 5] T ab . 1 T he relat ionsh ip bet w een carb onizing t emperatu re
and specif ic su rface area
炭化温度
Carb on izing 300 400 500 600 700 800 900 1000 t em perat ure
对 Pb2+ 的吸附效果表明: 0. 1 g 超细竹炭置于 质量浓度为 10 m g ·L -1 Pb2+ 溶液中, 细竹炭对 P b2+ 的吸附随溶液温度的升高而增加。这主要 是因为温度升高, 分子运动的速率加快, 单位时 间里与超细竹炭活性吸附点接触的分子增多, 即吸附速率增大, 最终单位时间内被吸附的分 子数也增多, 故温度升高使最大吸附值前移。随 着温度的升高, 吸附去除 Pb2+ 的效果提高, 说 明此吸附过程吸热。杨磊等[ 11] 研究的竹炭对甲
ads orpt ion rat io of 2, 4-dichl orophen ol
粒径级 S ize clas s
1 2 3 4
直径尺寸/ mm Di amet er
0. 800～0. 900 0. 250～0. 350 0. 150～0. 155 0. 055～0. 060
吸附量/ mg·g-1 Hygroscopi citc s urf ace area
23
133 326 360 385 239 133
35
/ ( m 2·g -1)
表 2 竹炭 粒径对 2, 4-二氯苯酚去除率的影响[9] T ab. 2 Ef fect of par ticle s ize of bamboo charcoal on
Abstract T he st udy on bamboo charcoal and it s ut ilizations has become a new dir ection of bamboo research. Based on a brief int roductio n t o t he com po sit io n and classif ication of bamboo charco al, t his paper mainly review ed several facto rs inf luencing t he absorpt io n perf orm ance of bamboo charco al . T he utilizat ion and development pro spect s of bamboo charco al w er e also int ro duced. Key words Bamboo Char coal; Absor pt ion perf orm ance; M odif icat ion; U tilizat ion
摘 要 竹炭的研究和应用已成为竹材研究 领域的一个新方向。该文介 绍了竹炭的基本性能和分类; 重 点介绍了不同因素对竹炭吸附性能的影响情 况; 最后阐述了竹炭吸附性能的应用和发展前景。 关键词 竹炭; 吸附性能; 改性; 应用
Advance in the Study on Absorption Performance and Application of Bamboo Charcoal
2 竹炭的吸附性能
2. 1 炭化温度对竹炭吸附性能的影响 竹材的炭化温度不同直接影响竹炭的微观
结构从而对竹炭的比表面积和吸附性能都有重 要影响。张东升等[ 4] 研究随着炭化温度的升高, 竹炭微观结构收缩程度增加。张齐生等[ 5] 研究 炭化温度不同时竹炭比表面积的变化情况结果 如表1 所示, 在 700℃时比表面积最大为 385 m2 ·g -1 。A sada T [ 6] 发现竹炭对苯、甲苯、吲哚、粪 臭索的吸附能力 随竹炭炭化温度的升高而增 强, 竹炭对氨气的吸附能力却相反, 随炭化温度 的升高而下降, 但对甲醛的吸附能力随炭化温 度的变化没有明显的变化。Saito Y 等[ 7] 研究发 现不同炭化温度( 600～1 000℃) 的竹炭对甲醛 都有很强的去除能力, 但是高温炭化的竹炭吸 附甲醛后不易脱附, 低温炭化的竹炭对甲醛的 吸附能力弱。卢克阳等[ 8] 研究不同炭化温度下 制备的竹炭的在环境温度为 15℃、相对湿度为 95% 竹炭的平衡吸湿率, 研究发现在炭化温度 700℃条件下烧制的竹炭的平衡吸湿量最高, 可 达 到 0. 138 g ·g-1, 即每克竹炭可以吸收 0. 138 g 水蒸气。研究还发现: 随着炭化温度从 300℃ 升高至 1 000℃, 所烧制竹炭的比表面积呈近似 倒抛物线形变化趋势: 竹炭比表面积在700℃炭 化温度下烧制的竹炭的比表面积最大。 2. 2 竹炭粒径对竹炭吸附性能的影响
图 2 吸附时间对苯酚吸附的影响[ 12] Fig . 2 E ff ect of ads or ption t ime on bamboo
ch arcoal adsorpt ion
图 3 吸附时间对吸附性能的影响[ 10] Fig. 3 Ef fect of ad sorpt ion tim e on adsorpt ion of ph enol
L iu Huanrong1 Jiang Zehui2 R en Haiqing 1 L iu Junliang 1
( 1. Research Inst it ut e of W ood Indus t ry CA F, Beijin g 100091, China; 2. In ternat ional Cent re f or Bamboo and R at t an , Beijing 100102, Chi na)
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竹子研究汇刊
第 28 卷
响。竹炭具有以下参数指标: 片炭含水率5% ～ 8% , 颗粒 炭含水 率 14% ～ 18% ; 固 定碳 含量 85% ～88% ; 灰分含量 2% ～4% ; 比表面积 300 ～600 m 2·g-1 ; 挥发分6% ～8% ; 碳热值30 000 ～33 000 kJ·kg-1: pH 值 8～9; 气干密度0. 800 ～1. 320 g ·cm -3 [ 3] 。根据不同的分类方法竹炭 可分为: ( 1) 按竹炭形状可分为: 筒炭、片炭、碎 炭、颗粒炭、粉末炭; ( 2) 按导电性能分, 根据电 阻值大小可分高、中、低三等; ( 3) 按照精炼度可 分为: 1～9 个等级( 主要依据炭化温度) 。