玉米秸秆制备活性炭吸附剂新工艺

收稿日期:2010-02-11

基金项目:河南科技大学大学生研究训练计划项目(SPTP)资助

作者简介:陈亚伟(1989-),女,本科生。研究方向:污水处理工艺。

循环经济与清洁生产

玉米秸秆制备活性炭吸附剂新工艺

Study on New Technology of Preparing Activated Carbon

Adsorbents from Corn Sta lks

陈亚伟 苗 娟 魏学锋 张

张鹏超 于 勇

(河南科技大学化工与制药学院环境工程系 洛阳 471003)

摘要 以玉米秸秆为原料,采用化学活化法制备活性炭吸附剂,研究了料液比、添加剂用量、活化剂的浓度、活化时间、活化温度等工艺条件,探讨了浸泡时间和超声活化对产品收率和吸附性能的影响。结果表明:较佳的工艺条件为料液比1 2.5、活化剂浓度60%、添加剂用量6%、活化时间45min 、活化温度400 。超声浸泡可以大大缩短浸泡时间,明显提高产品的收率和吸附性能。制备出的吸附剂吸附性能优于商业活性炭,产品质量指标接近水质净化用活性炭标准。

关键词 玉米秸秆 活性炭 吸附剂 超声波

Abstract Taking cornstalk as raw material ,we prepared acti vated carbon by adopting chemical activated method.Some technologi cal condi tions were investigated such as the ratio of materials and solution,additives dosage,activator concen tration,activati on ti me,acti vation temperature.The results showed that op timum condi tions were material-to-solution ratio 1:2.5,addi tive concentration 60%,ac ti vator dosage 6%,time 45min and activation temperature 400 .Further more,we proposed the effects of soaking ti me on the product and found that ultrasound activation can significantly improve product yield and adsorption properties.The adsorption performance of self-regulating adsorbent is superior to commercial activated carbon,and product q uali ty index is close to the activated carbon standard for wa ter purification.

Key words Corn Stalks Activated Carbon Adsorbent Ultrasound

伴随一次性化石燃料资源的渐趋枯竭,生物质能源已成为世界各国普遍关注的话题。农作物秸秆作为生物质主要资源,储量十分丰富。据统计,近年来全国秸秆产量达10亿t/a 。然而利用率很低,除少数作为饲料外,大部分没有得到利用,在过去几年,很多采用田边露天焚烧的办法,不仅白白浪费了能源,也污染了大气,近两年政府采取监督禁燃,燃烧秸秆的现象得到控制,但仍未得到很好利用。因此,开发多种途径利用秸秆成为人们关注的热点。将玉米秸秆制成性能优良活性炭,不仅是对其本身的一种环保回收利用,更能推动其他的环保产业进展,是顺应社会可持续发展的正确途径 1-3 。

活性炭的制备方法大致分为3类:气体活化

法、化学活化法和化学物理活化法。气体活化法以消耗碳原子来形成孔隙结构,收率较低,活化时传热不均可能造成产品质量的不稳定,优点是活化温度高、设备投资大,但对环境无污染。化学活化法的工艺特点是活化温度低,可使炭化和活化在同一时间完成,易对产品的孔隙结构进行调整,可以形成尺寸更小的碳微晶和细小的孔隙结构,使得活性炭的孔隙结构更发达,吸附性能更好。且该法易操作、能耗小、可回收某些活化剂,同时炭的损失小、相对收率高。但其产品经过一定的洗涤步骤仍然残留部分化学活化剂,使得其应用受到了一定的限制。在实践中常常把这两种方法结合起来生产活性炭,称为化学物理活化法。如为了进一步增加孔径,把化学法生产出来的活性

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炭再用水蒸汽进行活化 4-9 。

本研究即在传统化学活化法的基础上引入超声技术,强化了预活化过程,提高收率的同时,也提高了产品的吸附性能。

1 试验部分

1.1 制备过程

本研究采用磷酸为活化剂、硫酸为添加剂,室温浸泡后,碳化活化制备活性炭。工艺流程如下,用干燥过的玉米秸秆作为原料,皮芯不分离粉碎至270 m以下,称取一定量粉碎过的玉米秸秆,然后加入一定量的活化剂和添加剂,室温下浸泡适当时间,然后一定温度下活化。将得到的产品水洗,调整pH,干燥,得到活性炭吸附剂。

1.2 工艺条件探讨

制备过程中的主要影响因素是活化剂的浓度、添加剂比例、活化时间、活化温度。试验以10g 原料为基准进行,得到的产品对50mL浓度为10 mg/L甲基橙,进行吸附试验,在464nm处用分光光度计测试甲基橙溶液的脱色率,来反映制备活性炭的吸附性能 10 。单因素试验,探讨试验条件下的最佳工艺参数。

1.2.1 料液比 在磷酸溶液浓度50%、添加剂(硫酸)6%、活化温度500 ,活化时间90min条件下,考查料液比对活性炭产品收率及吸附性能的影响,结果见表1。

表1 料液比对产品收率和吸附性能的影响

料液比产品收率/%脱色率/%

1:1.020.0276.52

1:1.529.1386.65

1:2.033.4690.47

1:2.535.1394.13

1:3.040.6293.23

随着料液比的增加,活性炭产品的收率和吸附能力都在增加。当料液比从1 1增加到1 1.5时,收率的增加速率较大;随着料液比的继续增加,产品收率仍在增加,但增加趋势较缓。说明活化剂量的增加有利于活化剂溶液对秸秆原料的充分浸渍,减少了挥发成分的生成,使更多的有机碳活化生成活性炭。从表1还可以看出,随着料液比的增加(即磷酸量的增加),有利于活性炭产品吸附能力的提高。料液比大于1 2.5后,活性炭的吸附能力有所降低。1.2.2 活化剂磷酸浓度 在料液比1 2.5、添加剂(硫酸)6%、活化温度400 、活化时间90min 条件下,考查活化剂磷酸溶液浓度对活性炭产品收率及吸附性能的影响,结果见表2。

表2 活化剂浓度对产品收率和吸附性能的影响活化剂浓度/%产品收率/%脱色率/%

4020.0293.34

5038.1394.31

6042.1494.85

7050.3494.77

由表2看出,产品的收率和吸附能力随着磷酸溶液的浓度增加而增加。说明活化剂量的增加有利于活性炭的生成。考虑到成本,取活化剂磷酸浓度为60%。

1.2.3 添加剂硫酸用量 在料液比1 2.5、磷酸浓度50%、活化温度400 、活化时间90min条件下,试验使用市售硫酸浓度为98%,考查硫酸添加剂加量对活性炭产品收率及吸附性能的影响,结果见表3。

表3 添加剂用量对产品收率和吸附性能的影响

添加剂量/%产品收率%脱色率/%

439.9292.35

638.1394.31

935.2694.85

1232.1895.64

由表3看出,随着添加剂(硫酸)添加量的增加,活性炭产品的收率下降,而吸附能力在增加。这是因为硫酸能对秸秆起到部分消化、分解的作用,减少了有机成分,降低了产品收率。硫酸作为添加剂又有助于磷酸分子向秸秆纤维之间渗透、扩散,导致更多活性位点的生成。综合考虑收率和脱色率因素,取合适的添加剂量为6%。

1.2.4 活化时间 在料液比1 2.5、磷酸浓度50%、添加剂(硫酸)6%、活化温度400 条件下,考查活化时间对活性炭产品收率及吸附性能的影响,结果见表4。

表4 活化时间对产品收率和吸附性能的影响活化时间/min产品收率/%脱色率/%

3049.3195.91

4540.2597.47

6038.1395.19

9030.3993.75

由表4看出,随着活化时间的延长,活性炭产

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