氯化锌活化棉杆制备活性炭及孔结构表征

活性炭

第2 7卷第 6期 20 0 9年 1 2月

石河子大学学报 (自然科学版 ) Ju a o h ei nvr t( a r c ne o r l f i z U i sy N t a S i c ) n S h ei ul e

Vo . 7 No 6 12 .De .2 09 c 0

文章编号：077 8 (0 9 0 - 6 - 10 -3 3 2 0 )60 00 7 4

氯化锌活化棉杆制备活性炭及孔结构表征邓辉查志华张根林杨，,,涵(石河子大学化学化工学院， I石河子 8 20; 30 32石河子大学信息工程学院，石河子 8 20 ) 3 03摘要：研究了以棉花秸秆为原料，采用微波辐射氯化锌法制备活性炭的可行性。利用正交实验探讨了氯化锌加入率、浸渍时间、微波功率及活化时间对产品活性炭得率和吸附性能的影响。得到了微波辐射氯化锌法制备棉秆活性炭的最佳工艺：氯化锌与棉秆比例以 16:, . 1浸渍时间 2 h微波功率为 5 0微波辐射时间为 9 i。用此工艺 4, 6 W, a rn

条件制得活性炭的亚甲基兰吸附值、碘吸附值、产率分别为 10 .2 gg 2 8/ .g和 3 .2; 0 29 m/,1.mL 0 1 89%通过电镜扫描和自动物理化学吸附仪对活性炭孑结构进行表征，明该活性炭的 B T比表面积为 7 4 8 m/, L表 E 9 .4 g属中孔发达的活性炭。

关键词：棉花秸秆；活性炭；微波辐射；氯化锌；正交试验中图分类号：2 64￥ 1.文献标识码： A

活性炭作为一种吸附剂，具有良好的吸附性能和稳定的化学性质，且具有发达的孑隙结构和巨大 L的比表面积，可以通过采用不同孔隙结构的活性炭来吸附化学物质，因而被广泛应用于产品制造、医学

既为生产活性炭找到了一种原料，解了我国木材缓

供需的矛盾，又避免了燃烧秸秆造成环境污染。

1材料与方法1 1材料 .

治疗及环境保护领域¨。传统活性炭制备原料主 J要有木材和煤炭。由于国内林木资源有限煤碳价格较高，寻求廉价而丰富的可再生原料替代木材和煤炭是目前活性炭制备领域急需解决的问题。近年来以花生壳、稻壳、米芯、米秸秆等农业废料为原玉玉

棉花秸秆取自新疆石河子市郊区 (07年产 ) 20。

于 8%烘干， 0粉碎，待用。其中含水分 49%, .

4纤维素 3 .0, 55%半纤维素 2.8, 19%木质素 1.7, 98%灰分 4 8%。碘、 .9碘化钾、甲基蓝、亚硫酸铜皆为分析纯。

料制备活性炭研究成为科学家关注的焦点

。

1 2实验仪器 .试验所用主要设备采用 B 14 S2 S型电子天平

微波是一种频率为 30 Hz 0 G z波长 0M . 0 H、 3 0 0 0 i的高频电磁波。微波能技术作为应用科 .0 1 n学主要产生于 2 0世纪 4 0年代，在之后的 7并 0年

(a ou仪器有限公司 )扫描电子显微镜 (E L Sa f s i、 JOJM.3 0 V)全自动比表面积及孔径分析仪等 S 69 L、( irm ri S P 0 0以及改装过的微波炉 ( M co e t sA A 2 2 ) ic可

间，随着大功率磁控管的研制成功，、等国相伴英美继开发了多种类型的微波加热器，在微波能的应用上掀起了一场新的“能源革命行动”,微波能逐步应用于冶金、化工、品加工、药等领域中[8。近食医 71,年来，已经有学者将其应用于活性炭制备中E1。 9o ,l

实现功率为 0~8 0的微波连续输出，率 2 4 5W频 .5

G z。试验装置由微波炉、锥形瓶 ( H) 2个一个缓冲瓶，一个水封 )和真空泵组成。

1 3制备过程 .称取原料 1g加人 Z C:液 ( 2, n I溶固液比 1: ) 4,

棉花是新疆的主要经济作物之一，07年， 20新疆棉花种植面积达 15 6 0万亩左右，棉籽壳 6 2万吨， 棉花秸秆产量约 9 0万吨。目前每年约 2 3棉花秸 0/秆被焚烧掉，得到合理的开发利用，未造成了资源浪

浸渍一定时间，再用微波辐射一定时间使之炭化、活化。对辐射后产品采用盐酸溶液进行酸洗，洗至水中性，于 8￣再 0C下烘干 2 h后粉碎得到活性炭。根 4据前期单因素实验，利用 L 6( 4)交实验对氯化 I 4正

费和环境污染。本实验以棉花秸秆为原料，微波用辐射氯化锌法制备活性炭，以充分利用天然资源，这

锌活化制备棉秆活性炭过程中，波功率、微辐射时

收稿日期： 0 81 1 2 0—21作者简介：邓辉(9 9 )女， 17一，讲师，从事离子体化学、食品化学研究。

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邓

辉，:等氯化锌活化棉杆制备活性炭及孔结构表征

7l 6

间、化锌与棉秆比例以及浸渍时间对棉秆活性炭氯

2 1 2极差分析 ..

的亚甲基蓝吸附值 (, L0 1 )碘吸附值 ( 2 Y1 m/ . g、 Y,m/) g g以及活性炭得率 ( 3% ) Y,的影响进行研究。 正交试验因素水平表见表 1。表 1正交实验的因素和水平

对以上正交试验结果作极差分析，极差分析结果如表 3所示。

由表 3直观分析可见，四种因素对应的三种对响应值，3均最大，明氯化锌与棉秆比例以 16: I (说 .l浸泡时问 2 h微波功率 5 0,, 4, 6 W辐射时间 9 i a r n条件下生产的活性炭为最佳。由 Y对应的不同 R值 l可得 R, )>R【>R 4明氯化锌与棉秆的比例 x>R( ) 3 2 x说对活性炭亚甲基蓝吸附性能影响最大，波功率其微

次，泡时间和辐射时间影响较小。由 Y浸 2对应的

1 4分析方法 .采用 G/ 2 9 .1 - 9、G/ 2 9 .— B T 14 6 01 9 9 B T 14 6 8

不同 R值可得 R(>R l R ) 3 x> M>R 2 x说微波功率对棉秆活性炭碘吸附性能影响最大，化锌与棉秆氯得比例其次，辐射时间和浸泡时间影响较小。由 Y 3对应的不同 R值可得 R(>Rx>R 4 x说明微 ) 3 2 x>R1 2 3 4 5 6 7 8 9 n波功率对棉秆活性炭产率的影响最大，泡时间其浸

19 9 9的标准测定方法对活性炭亚甲基蓝吸附值、碘吸附值进行检测。活性炭的产率按照公式 ( ) 1进行计算：^,,

次，辐射时间和氯化锌与棉秆的比例影响较小。

l詈× 0%,,= 1 0r0 l

,

() 1序号

表 2正交实验结果因素

X一 1 2 3 4 2 l 4 3 3 42 3 4 3 4 1 2 4 3 2 l 2 l

其中肘是活性炭的质量 ( ) Mo棉秆烘干后 g,是的质量 ( ) g。采用 1本电子公司的扫描电子显微镜观察活性 3炭的微观结构，国的 A A 2 2自动物理化学吸美 S P 00附仪在 7 K液氮下测定活性炭的孔径分布、 7比表面积。

响应

X X3 1 2

l l Y l 2 2 2 2 3 3 3 4 l Y2 Y3 3

一 9 . O. 9 1 2 3 4 1 8 3 3 5 2 7 4 9 79 9 0 41 0 2.3 .2

8 2. 5 9 4

2 8.1 3

m n

m 9 8. 5 6. H O m H 3 43 5

m m

∞∞∞

∞ 90 . 2 5∞ 69 . 0 I 7 9 6. 9 4 5

3 8加9 3.

89 7 3 8 9 .7 4. 3

2结果与分析2 1正交实验结果与分析。2 1 1正交实验结果 ..

3 7 3. 53 9 4. 6

9 .7☆1 3 39. 7 o 25 9 3 4 39. 5 .337 93 3 36. 8. 7

活化试验和炭样分析结果见表 2 。

由表 2可以看出，不同制备工艺条件制得的用活性炭吸附性能相差较大，了判断所选的 4个因为素对活性炭性能所产生影响的强弱程度，确定最并佳工艺条件，采用极差分析、方差分析对活性炭产品

9 6 7 3 .1 4 .6 989 06. 6 7 35. 3 1 93 46 9. 3 92 4. 05 9 8 3 42. 3 .09 4. 5 0 4

40. 08

的亚甲基蓝脱色率、吸附值和得率进行考察。碘表 3试验极差分析

2 1 3方差分析 ..

由表 4可知氯化锌与棉秆比例对亚甲基蓝脱色率的影响显著，波功率对棉秆活性炭得率的影响微显著，有因素对碘吸附值的影响均不显著。所

对正交试验结果用 S S 1 .方差分析， P S 3 0作结果如表 4所示。

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72 6表 4试验方差分析

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第2 7卷

合不在 1 6个试验中，以需要进一步验证。在氯化所

锌与棉秆比例以 16:, . 1浸泡时间 2h微波功率 4,50辐射时间 9 i件下进行 1样品试验。 6W, a rn条 7号

试验结果为：性炭的碘吸附值、活亚甲基兰吸附值、产率分别为 10 . 2m/,2 8mM0 1 3 .2。 0 2 9 g g 1. l . g和 8 9%

虽产品得率不是最优，活性炭吸附能力为最优，既考虑活性炭的吸附性能力又兼顾活性炭得率此条件却为本实验条件下最优工艺。

2 2活性碳孔结构的表征 .2 2 1电镜扫描分析活性炭

..

采用电子显微镜 ( E扫描技术观察棉秆生 S M)产的高性能活性炭表面形态。

图 1示：秆碳化之前 (、 )经过最佳工所棉 ab与艺条件碳化后 (、) S M照片。由图可知与棉秆 Cd的 E2 1 4试验优化 ..

相比活性炭表面充满了不同大小、同形状的孔洞。不

由正交试验结果分析得出的最佳工艺条件的组

图 1棉秆 ( ) a与棉秆活性炭 ( )电镜扫描照片 b的

2 2 2活性炭比表面积及孔径分布表征 ..比表面积和孔容大小是影响吸附性能的一个重要因素。一般活性炭的比表面积、容积越大，孔吸附能力越强。在 7 K下对优化工艺条件下的活性炭 7

的微孔，中微孔又可分为超微孔 (径 o 7—其孔 . 2 m) n和极微孔 (径< . n。采用 B H独立圆孔 0 7 m) J

筒孔模型法，由吸附脱附等温线数据，到各样品的得孔径分布图 ( 2。图 )由表 5和图 2可知，秆活性炭除微孑外，棉 L还含

进行氮吸附测定，秆活性炭比表面积与孑结构参棉 L数见表 5。

有大量的中孔，活性炭的孔径分布较为均匀又相对集中，基本分布在 2 m~1n n 0 m。

IP C把吸附剂的细孔分为 3类：径大于 UA孔5 n的大孔，于 2~ 0 m之间的中孔和小于 2 m 0m处 5n n

表 5活性炭的比表面积、比孔容与孔径分布

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邓

辉，:化锌活化棉杆制备活性炭及孔结构表征等氯

73 6

BH对全孔分布进行表征，活性炭中孑发达。 J该 L参考文献：[]贾陈忠， 1秦巧燕，生才.性炭对含铬废水的吸附处樊活理研究[]应用化工，06,5 5:6 -7 . J. 20 3 ( )3 93 2 []朱杰文， 2陈向昌，郑海峰，活性炭处理活性艳红 x 3 等.一B

染料废水的静态研究[]应用化工，0 7 3 ( ) 71 . J. 2 0,6 1:.0[]SnhD K,r at a . ai der v o at ae 3 ig Si s v Bs y moM f m w s w t v a B c e r e r b do t n o i uk cro J .n in J C e yasr i n r e h s abn[] Ida hm po cT c n l2 0 8:3 - 3 . e h o, 0 1, 1 3 1 9

图 2 B H法计算的孔径分布曲线 J

[]孑海平， 4 L靳会杰，雒廷亮.利用花生壳制备活性炭及其性能的测定[]河南化工，0 6 2 ( 1:92 . J. 20,3 1 ) 1-0

3结论 可以减少我国的林木以及煤炭等资源有限，故

[]BH Ha ed A LA m d K NA L t . do t no a— 5 m e, h a, af A sr i f s i p o bi de( e y n le ot at a d cro rprd c y m t l e bu ) n c vt a n peae he o i e b

采用废弃物制备活性炭，扩展活性炭制备的原料成为大家关注的问题。通过微波辅助，氯化锌活化棉花秸秆制备活性炭的实验可以得出结论： 1以棉 ()

f m rtn sw ut J . ysad Pg et,0 7 7: r t a ds[] D e n i ns 20, 5 o aa m1 . 49. 43 1

[]W. iZ . i o P J—u,t 1Peaa o fh hsr 6 L, h L , .i h ie a. rprt no i u— b n i gf c ra a tv t d c r o sfo tba c tmswi a e a e ci ae a b n r m o c o se t K2 h CO3

花秸秆为原料，用氯化锌为活化剂，波加热制备采微活性炭是可行的。 ( ) 2通过正交实验研究了炭化活

at ao s gmco aerd t n J .n rp rd ci t nui i w v ai i[] I CosPo, vi n r ao d2 08, 7: 41-47. 0 2 3 3

化条件对制备活性炭的影响，索出了最佳工艺条探件：氯化锌与棉秆比例为 16:, . 1浸泡时间 2 h微波 4,

[]冯 7

芳，田

丰，赵斌元，微波合成技术应用于壳聚等.

功率 50,射时间 9 n 6W辐 mi。该条件下制备出的活性炭的亚甲基兰吸附值、吸附值、率分别为碘产10 . 2m/, 3 .2,品吸附指标符合 G/ 0 2 9 g g和 8 9%产 BT1 8 3 11 9 3 0 . -9 9和 G/ 3 0 .— 9 B T 18 3 21 9一级品的标 9

糖功能材料研究的进展[]功能高分子学报，0 3 1 J. 20,6(:l-1 . 3) 4 24 6

[]孙维义，宝增 . 8宋微波法水处理技术研究进展[]环境 J.科学与管理，0 7 3 ( ) 9 -6 20,2 8: 39 .

[]彭金辉，世敏， 9张张利波.波辐射蚕豆壳制造活性炭微[]林产化学与工业 19,9 1:18 . J. 9 9 1 () 8—2

准要求。 ( )过扫描电镜和自动物理化学吸附 3通仪，对最优条件下制备的活性炭的孔结构进行了测定研究，结果表明：活性炭表面布满了不同大小、不同形状的孔洞， E B T比表面积为 7 4 8 m/,过 9 .4 g通

[0 1]彭金辉，张世敏，张利波.微波辐照瓜子壳制造活性炭[]资源开发与市场，9 9 1 ( )2 92 0 J. 19,5 5:5 -6 .

Cha a t rz to o r tuc u e n Pr p r to fAc ia e r c e ia in n Po e S r t r sa d e a a i n o tv td Ca bo fo to a k I p e na e t n r n r m Co t n St l m r g td wih Zi c Chlrd o ieDENG i ZHA i u, Hu, Zh h a ZHANG n i, Ge ln YANG n Ha( olg fC e sr n e clE gn e n S ie i iest, hh z 3 0 3, hn 1 C l eo h mit a dCh mia n ie r g,hh z v ri S iei 2 0 C ia; e y i Un y 8

2C l g f no tnSi c n ehooy S iei nvrt,h ei 30 3 C i ) o eeo If mao ce eadT cn l,h z U i syS i z8 20,hn l r i n g h ei h aAbsr c:T e a t ae a b n p e a e r m o tn sak wi t a t h c i t d c r o r p r d fo c t tl t ZnC1 a ci ain wa n e tg td u e c o v o h 2 s a tv to s i v siae nd r mir - wa e rdit n. e Efe t ft e i r g to ai fZn 2,mp e nai n t v a a i Th f cs o h mp e nain r to o C1 i r g to i o me, c o v o r a d mir wa e mi r wa e p w

e n co v r d ai n tme o h i l n d opt n c p cte fa t ae a b n we e e au td va ot o o la r y d sg a ito i n t e yed a d a s r i a a i so ci t d c r o r v l a e i rh g na ra e in. o i vI n i ae h tt e o tmu c n iin r sf lo t id c t d t a h p i m o d to s we e a olws: t mprg ai n r t f Z C1 o ./g,m p e n t n he i e n t a i o n 2 f 1 6g o o i rg ai o

tme o 4h, c o v o ro 6 i f2 mirwa e p we f5 0W n c o v a ito i s9mi I dne n mbe, mo to t y e e a d mir wa e r d ain tme i n. o i u r a un fmeh ln

b u d o p in a d t e yed o cia e a b n p e a e n e p i m o d t n e e 1 0 . 2 mg g 1 . l e a s r t n h il fa t td c r o rp r d u d r o t o v mu c n i o s w r 0 2 9 / . 2 8 imL/ 1 n 8. 2%,e p c iey. a o ao y p e a e c ia e a b ns we e c a a trz d b EM n e t d 0. g a d 3 9 r s e tv l L b r tr r p r d a tv td c r o r h r c e e y S i a d t se

b ioe dopi t 7 .t h w dteseicsr c ra( B T f ci t abnw s7 4 8 m/, ynt gna srt na 7 K I so e pcf uf eae S E )o t a dc o a 9 .4 g r o h i a a ve rwh c s me o o e s l i h wa s p r oi d..

Ke r s c t o tl a t a e a b n; c wa e r d a in;i c c l r e o t o o a ra e in y wo d: o t n sak; ci td c r o mi r v a it t v o o zn h o d; r g n lar y d sg i h