林业剩余物活性炭的孔结构表征

2020-07-04王海沁

农业与技术 2020年12期

关键词：孔容核桃壳活化剂

王海沁

摘要：

通过表征4种原料在不同活化剂下孔结构，研究发现不同原料在相同工艺参数，不同活化剂下得到的孔径分布相对一致，仅在比表面积、孔容方面存在一定差异。

关键词：

活性炭;林业剩余物;孔结构

中图分类号：S713

文献标识码：A

DOI：1019754/jnyyjs20200630020

活性炭因其比表面积大，空隙发达，在医药、环保、化工、国防等领域广泛应用[1-3]，是一类附加值较高的产品。传统的活性炭是以木炭、煤、沥青等为原料，因现在木材采伐受限，煤、沥青等为不可再生资源，致使活性炭生产原料受到限制。理论上只要是含碳丰富的原料均可以制备活性炭，在林业生产中产生大量的含碳量丰富的剩余物，如核桃壳、柏木屑、竹枝、枝叶。

四川省是林业生产大省，柏木、竹、核桃资源丰富，然而大量的核桃壳、竹枝和枝叶在采伐、生产过程中被丢弃;柏木屑大多用于生产机制炭供燃烧使用，对资源造成浪费，对环境造成污染，若生产成活性炭则可以提高资源的综合利用率。

1实验材料与方法

11实验材料

同一品种核桃壳5kg（取自绵阳市盐亭县），同一批次原料加工剩余的柏木屑5kg（取自遂宁市射洪县木材加工企業），竹枝、竹叶5kg（取自宜宾市叙州区）。

12活性炭制备方法

取原料洗净，100～120℃干燥，在400℃下炭化，冷却后经破碎研磨，洗净，100～120℃干燥，粉碎过80目筛后备用。

取炭化料20g，按照浸渍比（活化剂/纯干原料）为2时加入活化剂，搅拌混均，将混均的物料在电动振荡器中浸渍14h，浸渍完全后移入干燥箱中，在105℃下干燥12h。将干燥后物料移至坩埚中放在马弗炉中活化，从常温以10℃/min的升温速度加热至600℃，活化120min，活化得到的样品用01mol/L的HCl溶液煮沸20min，继续用01mol/L的HCl溶液反复清洗，用蒸馏水清洗残液至中性，将所得活性炭样品在120℃下干燥，待分析测定。

13分析方法

采用美国麦克公司PRISTAR-3000型比表面孔径测定仪，以高纯氮气为吸附质，在7735K温度下测定平衡压力（P）和饱和压力（P0）之比为00095～099的氮气吸附体积，活性炭样品测试前在120℃处理2h后进行测试[4]。

从图1～3可以看出，样品的等温线变化趋势基本相同，初始阶段吸附量随相对压力的增大快速增加，且吸附速率大，随后吸附量上升趋势变缓，达到吸附平台，符合IUPAC对I型吸附等温线的定义[5]。从图1、图3可以看出，吸附与脱附分支基本重合，未显示出明显的滞后环，表明样品中微孔占主导地位且分布集中，较大的孔隙极少或几乎不存在。从图2可以看出，等温线曲线存在滞后环且滞后环比较宽，表明样品中含有丰富的中孔。

22不同方式计算的比表面积

通过不同方式计算的比表面积见表2。其中BET比表面积等于t-plot外表面与微孔表面积之和，表中等温曲线的平台越高，比表面积越大，其中采用NLDTF法测出的比表面积与BET比表面积较接近，说明样品中均以微孔为主。采用氯化锌活化的样品具有较高的比表面积，用相同活化剂处理的样品BET比表面积较为接近，但相同活化剂处理的不同样品比表面积差异较为明显，说明原料对比表面的影响较为显著。

23不同方式计算的比孔容

通过不同方式计算的比孔容见表3。不同原料在不同活化剂处理下比孔容与比表面积的变化规律有部分差别，说明在活性炭烧蚀过程中孔道有坍塌。

24NLDTF计算的孔径分布

从图4～6中可以看出，原料在不同活化剂中活化后孔径主要分布于2nm以下的微孔范围内，既有极微孔又有超微孔，只有极少部分的中孔，基本没有大孔分布在微孔区。氯化锌活化的样品孔径绝大部分布在微孔区，极少分布在中孔区，氢氧化钾活化样品在中孔区分布较多，结果与等温曲线相印证。

根据BJH理论[6]计算出的中孔孔径分布见图7～9。原料在不同活化剂中活化后中孔孔径在2～10nm有集中分布，部分样品在20～50nm有分布。

3结论

不同原料在相同工艺参数，不同活化剂下得到的孔径分布相对一致，仅在比表面积、孔容方面存在一定差异。

参考文献

[1]

Kotani T.Control of pore structure in carbon[J].Carbon，2000（38）：269-286.

[2]Michio Inagaki. Pores in carbon materials-Importance of their control[J]. Carbon，2009，24（3）0-232.

[3]宋燕，乔文明，尹圣吴.不同结构活性炭对甲苯等吸附性能[J].新型炭材料，2005，20（04）：294-298.