木屑含水率对磷酸法木质活性炭吸附能力的影响

木屑含水率对磷酸法木质活性炭吸附能力的影响
贺德留;钱肚江;金钰
【摘要】以木屑为原料磷酸法生产活性炭的工艺中，原料木屑的含水率随着收购批次和地点的不同，变化很大。

由于木屑干燥工艺是相对稳定的，湿木屑含水率的变化，直接导致干燥后木屑含水率的差异。

木屑含水率的变化，在相同的配比下，也会导致活性炭产品性能的变化。

%In southern China, the making of activated carbon from saw-dust is usually by chemically with phosphoric acid. The water content of saw-dust varies greatly as the rainy weather. So, the quality of activated carbon is instable,because the steady water content of wood can not be insured by drying process. This paper discusses the effect of water content in saw-dust on the adsorbability of activated carbon by chemically activated with phosphoric acid
【期刊名称】《河南林业科技》
【年(卷),期】2012(000)004
【总页数】3页(P13-14,25)
【关键词】木屑含水率;磷酸法;木质活性炭
【作者】贺德留;钱肚江;金钰
【作者单位】河南省林业科学研究院,郑州450008;河南省林业科学研究院,郑州450008;河南省林业科学研究院,郑州450008
【正文语种】中文
【中图分类】TQ424.14
以木屑为原料制造活性炭的工艺大多采用磷酸法。

但是由于木材加工时，为防止锯条发热，都加入一定的水对锯条进行冷却，因此，产生的木屑含水率都很高且变化很大，即使稳定的烘干工艺也无法保持木屑含水率的稳定，由此造成了产品质量的波动。

木屑属于生物质材料，它的品质取决于树种。

而不同树种的木材，其化学性质和物理性质不同。

在木材的热解过程中，木屑的含水率影响木炭的得率[1]，木屑中含
有结合水和游离水，而与活性炭制造有关的是游离水，而游离水又与木材的物理性质结晶度有关，结晶度又与活性炭的孔的形成有关。

木材组织的结晶度又影响酸的润胀[2]，从而影响着活性炭孔径的分布，直接导致活性炭吸附性能的变化。

而在一些中孔居多的活性炭制造工艺中就要求木屑的含水率在40%～50%之间。

由于很多人缺乏对这方面的认识，作者认为有必要对木屑含水率影响活性炭质量的情况进行研究，因而做了一些研究试验，并从专业的角度加以分析。

1 试验方法
试验中分别使用了3种不同含水率的杉木屑（取相同的湿木屑，在电热烘干箱中，分别采用不同的烘干时间。

木屑产地:湖南炎陵）。

为了便于生产上的计量操作，
本试验采用木屑和磷酸溶液都是以体积的形式计量。

木屑的体积均为1000 ml，
重量分别是116 g、123 g、126 g。

含水率分别是:7.2%、17.6%和 21.8%。

分别加入 43波美度的磷酸305 ml，炭化后每种样品分为2份，分别在420℃的温度
下活化30 min和45 min，经后处理后进行分析测试。

产品吸附性能测试方法依
据GB/T12496—1999。

2 结果和讨论
随着木屑含水率的增加，相同体积的湿木屑重量增加，而干木屑重量却减少，在加
入相同体积的磷酸后，酸屑比随含水率增加而增加，而拌料液固比却随木屑含水率的增加而减少。

其组成见表1。

表1 磷酸浸滞木屑料的组成湿木屑/g 含水率/% 磷酸量/g 液固比116 7.2 259.8 3.73︰1123 17.6 259.8 3.52︰1126 21.8 259.8 3.44︰1
2.1 木屑含水率对活性炭得率的影响
木屑的含水率越低，活性炭的得率就越高。

也就是木屑越湿，热分解留下的炭就越少[1]。

也就是说，木屑中的水分参与了酸浸滞木屑的热分解过程，并促进了气体、液体产物的形成。

这与木材热解的结果相符。

因此，降低木屑的含水率有利于活性炭得率的提高（见表2）。

表2 不同含水率下的磷酸法木质活性炭得率活性炭得率/%含水率/% 干基湿基
7.2 61.7 56.917.6 55.1 45.221.8 50.0 39.1
2.2 木屑含水率对亚甲基兰脱色力的影响
在0.1 g活性炭中加入19 ml 0.15%亚甲基兰溶液，震荡吸附20 min后，过滤液在665 nm处的吸光度值如表3。

表3 不同含水率的木屑所得磷酸法木质活性炭的亚甲基蓝脱色能力注:硫酸铜品位
对照0.071。

含水率/% 活化时间/min 吸光度30 0.1057.2 45 0.06630
0.07217.6 45 0.05030 0.05821.8 45 0.046
可以看出:相同活化时间，亚甲基兰吸附能力随着木屑含水率的增加而增加。

主要
原因是，木屑含水率高时，微纤丝的结晶度降低，磷酸分子更容易进到结晶纤维素内，分散的更开，结晶纤维素的膨胀趋势降低[2]。

宏观上也可以解释为:渗入木屑内的磷酸浓度被水稀释，磷酸分子活度增加，更有利于与纤维素的反应。

在干燥热解收缩后，孔隙随着磷酸分子骨架的变小而变小。

木屑颗粒内的水分越高，磷酸分子在木屑颗粒内的聚合度越低，也就是分散的越开。

因此，在水分被蒸发后，留下的炭架构变得越小，孔隙也就越小[3-5]，适合亚甲基兰吸附的孔隙也就越多。

而
延长活化时间，减少了终端产品中的挥发份含量，而这种状况都对增加吸附能力有利。

因此，要想获得高脱亚甲基兰的活性炭，适当的增加含水率和延长活化时间是必须的。

2.3 木屑含水率对A焦糖脱色的影响
分别称取0.320 g活性炭，加入A焦糖试验液25 ml，煮沸30 min后过滤液426 nm处的吸光度如表4。

表4 不同含水率的木屑所得磷酸法木质活性炭的A焦糖色脱色能力注:重铬酸钾品位对照:吸光度0.128含水率/% 活化时间/min 吸光度30 0.1587.2 45 0.06730 0.99817.6 45 0.25130 1.12221.8 45 0.573
从表4可以看出:相同活化时间内，焦糖脱色能力随木屑含水率增加而降低。

这也
说明在木屑颗粒内的自由水稀释磷酸分子的作用。

磷酸聚合度的变小，提供的骨架变小，孔隙相应变小，自然对大分子焦糖色素的吸附能力也就下降。

也可以解释为:木屑含水率低，木屑中的纤维素的结晶度高，酸润胀的能力大，活性炭的空隙相对变大，吸附大分子的能力就强。

因此，要想获得焦糖脱色能力较强的活性炭，必须适当降低木屑的含水率。

而2种活化时间下，活性炭的焦糖脱色性能差异明显，
实现焦糖脱色能力最大化，必须有足够的活化时间去彻底清除挥发份，而活化时间的长短也取决于生产时使用的设备。

3 结论
木屑的含水率对磷酸法制造的木质粉状活性炭的吸附性能影响很大。

如果以杉木屑为原料，磷酸为活化剂制造亚甲蓝脱色力较高（大于180 ml/g），同时焦糖脱色能力也较高的活性炭（大于120%），木屑的含水率必须低于10%，并保证足够的活化时间（活化时间随设备的不同而不同）。

如果仅是想获得亚甲基蓝比较高的活性炭，含水率可以适当维持在一定的高度。

若木屑含水率较低时，就要适当减少酸屑比，比如酸屑比为1.5︰1，亚甲基蓝脱色力也可以达到180 ml/g
以上水平。

适当延长活化时间，无论对提高亚甲基兰脱色，还是焦糖脱色都有利。

参考文献:
[1]南京林产工业学院.木材热解工艺学[M].北京:中国林业出版社，27-28.
[2]Marit Jagtoyen.Activated carbons from yellow poplar and white oak by H3PO4 activation[J]Carbon, Vol.36,No.7-8,pp.1085-1097,1998.
[3]M.A.D,az-D,eza.Porous texture of activated carbons prepared by phosphoric acid activation of woods.Applied Surface Science, 238 (2004) 309.
[4]H.Benaddi.Surface functionality and porosity of activated carbons obtained from chemical activation of wood[J].Carbon ,38 (2000) 669. [5]M.S.SOLUM.Evolution of carbon structure in chemically activated wood[J].Carbon,Vol.33, No.9, pp.1247-1254.。