磷酸法活化栀子壳制备活性炭及其性能分析

磷酸法活化栀子壳制备活性炭及其性能分析
李
炜
(国家林业局林产工业规划设计院,北京100010)
摘
要:研究以栀子壳为原料,在炭化温度400℃、炭化时间60min 的条件下,采用磷酸活化的方法制备活性
炭。

通过正交实验确定了活化的最佳条件为:料液比1:2.5,活化液质量分数45%,活化温度600℃,活化时间45min ,碘吸附值为986mg/s ,亚甲基蓝脱色力为11.9mL/0.1g ,得率为41.2%。

对重金属Cr (Ⅵ)和栀子油的去除率及其吸附性能分析的结果表明,栀子壳制备的活性炭与市售活性炭的吸附性能相当,且在加入量为20mg 时对Cr (Ⅵ)的去除率高于市售活性炭。

关键词:栀子壳;磷酸;活性炭中图分类号:TS 612
文献标识码:Ａ
文章编号:2095-2953(2013)08-0044-03
Preparation and Performance Analysis of Activated Carbon from
Gardenia Shell through Chemical Activation with Phosphoric Acid
LI Wei
(Planning and Design Institute of Forest Products Industry ,the State Forestry Administration,Beijing 100010,China )
A b s r ac t :Activated carbon is prepared with the phosphoric acid activation m ethod with gardenia shell as the raw m aterials,carboniz ation tem perature of 400℃,carbonization tim eof 60m in.Through orthogonal experim ent,theoptim umconditions for activation are determ ined:the ratio of solid to liquid 1∶2.5,activating solution m ass fraction,45%;activation tem perature,600℃;activation tim e,45m in;iodine adsorption value,986m g/s;m ethylene blue adsorption,11.9m L/0.1g;yield ,41.2%.The analysis of the rem oval rate of heavy m etal Cr (VI )and gardenia oil shows that activated carbon prepared with gardenia shell have adsorption perform ancesim ilar to that sold on the m arket,and the Cr (VI )rem oval rate is higher than com m ercially available activated carbon in thecase of dosageof 20m g.K e y w or d s
:gardeniashell;phosphoric acid;activated carbon
活性炭是一种多孔性含碳物质,具有高度发达的孔隙结构和巨大的比表面积,吸附能力强、化学稳定性好、机械强度高、使用失效后易再生等特点,广泛应用于化学工业、食品加工、医疗卫生、农业、国防等领域。

制备活性炭的原料很多,近年来利用农林废弃物原料制取活性炭越来越受到重视。

栀子可作为提取黄酮类栀子素、果胶、鞣质、藏红花素等化学成分的原料,但其外壳常被作为废弃物或当作低级燃料使用,造成了资源的浪费。

本文首次提出了选用栀子壳为原料制备活性炭,从而可有效地利用废弃资源。

制备活性炭的化学方法主要包括氯化锌和磷酸活
化两种,与氯化锌活化方法相比,磷酸活化方法具有污染少、炭活化温度低等优点,因此本文选用磷酸活化的方法,对其制备工艺进行优化,从而制备出具有高吸附性能的活性炭。

1实验材料与方法
1.1
原料和仪器原料:栀子壳(河南唐河县山区经济产业示范中心
提供);磷酸、亚甲基蓝、磷酸钾、磷酸氢二钠、碘化钾、硫代硫酸钠、盐酸、硫酸铝等均为分析纯。

仪器:FZ102微型植物试样粉碎机;SX-4-10马弗
收稿日期:2013-05-22
第41卷第8期
林业机械与木工设备
Vo141No.82013年8月
FORESTRY MACHINERY &WOODWORKING EQUIPMENT
Aug.2013
研究与设计
. All Rights Reserved.
碘吸附值/mg·s-1 980 967 920 948 971 960 986 897 952亚甲基蓝脱色/mL·(0.1g)-1
11.7
11.1
9.2
10.0
11.3
10.9
11.9
8.3
10.2
含水率6.16灰分
8.03
木素
19.52
苯醇抽出物
15.09
炉;721型紫外分光光度计;TJL-16型离心分离机; PHS-25型数显pH计。

1.2栀子壳成分分析
影响活性炭活化过程的因素较多,一般来讲原料的影响主要有原料的来源、原料的含水率、原料的颗粒度等,因此针对栀子壳的成分进行了分析。

1.3栀子壳活性炭制备工艺
称取粉碎后(≥80目)的栀子壳粉5g,加入一定浓度的磷酸溶液,搅拌均匀并浸渍10h,然后倒入150mL 的瓷坩锅中,在400℃条件下炭化60min,升至一定温度后,取出坩埚立即将活化后的物质倒入水中冷却,水洗、抽滤、干燥,研磨粉碎直至通过200目筛,得到产品。

1.4活化效果评价
活性炭产品的吸附性能是评价活化效果的指标,吸附性能不仅与活性炭的比表面积有关,还与其细孔容积有关。

不同用途的活性炭,对其孔径的分布要求也不一样。

活性炭基本指标测定方法参照以下国家标准:亚甲基蓝脱色力(GB/T12496.10-1999)、碘吸附值(GB/ T12496.8-1999)、焦糖脱色率(GB/T12496.9-1999)、酸溶物(GB/T12496.18-1999)、pH值(GB/T12496.7-1999)。

1.5活性炭对重金属Cr(Ⅵ)的吸附分析
分别称取制备的活性炭样品与市售活性炭各0、10、20、30、40、50mg于6个100mL的烧杯中,并分别加入lmg/L的重铬酸钾标准溶液10mL,在室温条件下磁力搅拌25min,然后离心分离并检测其540nm波长下的吸光度。

绘制活性炭用量(g)与铬去除率(%)的变化关系曲线。

铬去除率的计算公式为η1(%)=[(A0-A1)/A0]×100,式中,η1为去除率;A0为重铬酸钾标准溶液吸附前的吸光度;A1为吸附后的吸光度。

1.6活性炭对栀子油脱色分析
分别称取活性炭样品与市售活性炭各0、10、20、30、40、50mg于6个100mL的烧杯中,各加入10g栀子油,并于室温下磁力搅拌15min后检测其440nm波长下的吸光度。

绘制活性炭用量(g)与色素去除率(%)的变化关系曲线。

色素去除率的计算公式为η2(%)=[(B0-B1)/B0]×100,式中,η2为去除率;B0为栀子油的吸光度; B1为脱色后栀子油溶液的吸光度。

2实验结果与讨论
2.1栀子壳成分测定
原料栀子壳的水分、灰分、木素、苯醇抽出物的分析测定见表1。

通过分析可知栀子壳中木质素的含量为19.52%,因此栀子壳可以作为生产活性炭的原料。

2.2栀子壳活化因素的影响
在炭化温度400℃、炭化时间60min的条件下,采用四因素三水平的正交实验法L9(34)来进行实验,研究制备过程中料液比、活化液质量分数、活化温度、活化时间这四因素对活性炭吸附性能的影响,通过讨论各因素影响下制备出活性炭的碘吸附值、亚甲基蓝脱色力的高低来评价活性炭的活化程度,以确定最优工艺条件。

正交实验见表2。

由表2中的数据分析可知,在A3、B1、C3、D2时制备的活性炭,其碘吸附值最大为986mg/s,亚甲基蓝脱色力最好为11.9mL/0.1g,得率最高为41.2%。

因此在炭化温度为400℃、时间为60min条件下,磷酸活化处理制备活性炭的最佳条件为料液比1∶2.5,活化液质量分数45%,活化温度600℃,活化时间45min。

2.3栀子壳活化制备活性炭的综合评价
依据国家标准对制备的活性炭进行了吸附性能检测,见表3。

由表3可以看出,在最优条件下制备的活性炭各项指标均符合(GB/T12496-1999)木质活性炭的要求。

表1栀子壳化学组分分析%
表2活化因素影响正交实验
实验
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A料液比
/g·mL-1
1∶1.5
1∶1.5
1∶1.5
1∶2
1∶2
1∶2
1∶2.5
1∶2.5
1∶2.5
B活化液
质量分数/%
45
50
55
45
50
55
45
50
55
C活化
温度/℃
500
550
600
550
600
500
600
500
550
D活化
时间/min
30
45
60
60
30
45
45
60
30
得率
/%
38.7
37.5
38.1
39.6
40.3
38.8
41.2
40.5
40.3
表3活性炭质量分析
指标名称
亚甲基蓝脱色力/mL·(0.1g)-1≥
碘吸附值/m g·s-1≥
焦糖脱色力≥
酸溶物/%≤
pH值
783型(一级)
12
未定
100
3.0
5～7
783型(二级)
10
未定
90
3.5
5～7
试样
11.9
986
100
2.6
5.5
李炜:磷酸法活化栀子壳制备活性炭及其性能分析45第8期
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2.4活性炭对重金属Cr (Ⅵ)的吸附
栀子壳制备的活性炭产品对重金属Cr (Ⅵ)的吸附效果如图1所示。

由图1可知,活性炭用量为20mg 时,栀子壳制备的活性炭去除率高于市售活性炭的去除率,此时栀子壳活性炭去除率为40%,市售活性炭去除率为37%。

当活性炭用量大于30mg 时,去除率的增长速度
减慢,栀子壳制备的活性炭与市售活性炭吸附性能相当。

2.5活性炭对栀子油脱色
栀子壳制备的活性炭产品对栀子油的脱色效果如图2所示。

由图2可知,加入量从0升至10mg 时,两种活性炭的色素去除率皆迅速提高,加入量大于10mg 之后,两种活性炭的脱色率趋于平缓(可能是由于吸附达到饱和),且栀子壳制备的活性炭与市售活性炭的脱色效果相近,表明栀子壳制备的活性炭具有较好的吸附性能。

3
结论
本研究以栀子壳为原料,采用磷酸活化的方法制
备活性炭,在炭化温度400℃、炭化时间60min 的条件下,通过正交实验方法确定了活化的最佳条件为:料液比1:2.5,活化液质量分数45%,活化温度600℃,活化时间45min ,制备的活性炭碘吸附值为986mg/s ,亚甲基蓝脱色力为11.9mL/0.1g ,得率为41.2%;依据国家标准分析了活性炭的吸附性能,均符合(GB/T12496-1999)木质活性炭的要求;通过对重金属Cr (Ⅵ)的吸附性能分析,栀子壳制备的活性炭与市售活性炭的吸附性能相近,且在加入量为20mg 时,栀子壳制备的活性炭对重金属Cr (Ⅵ)的去除率高于市售活性炭,此时栀子壳活性炭
的去除率为40%;通过对栀子油的脱色效果分析可知,栀子壳制备的活性炭的脱色效果与市售活性炭相当,表明栀子壳制备的活性炭具有较好的吸附性能。

以栀子壳为原料制备活性炭,不仅有效地利用了废物资源,符合制备活性炭原料的发展要求,而且能够制备出吸附性能较好的活性炭,因此具有较好的经济效益与研究价值。

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作者简介:李炜(1980-),男,工程师,硕士,主要从事林业工程的研究、咨询和设计工作,***************。

100806040200
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活性炭投放量/mg
市售活性炭
栀子壳活性炭图1活性炭对重金属Cr (Ⅵ)的吸附效果
100806040200
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2030405060活性炭投放量/m g 市售活性炭栀子壳活性炭
图2活性炭对栀子油色素的吸附效果
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