響應面法優(yōu)化混合活化劑制備脫硅稻殼基活性炭

陳俊英， 馮向應,2， 史召霞,3， 方書起， 韓秀麗， 王　鐸

(1.鄭州大學 化工與能源學院，河南 鄭州 450001； 2.山東新華醫(yī)藥化工設計公司，山東 淄博 255086； 3.山東潔晶集團股份公司，山東 日照 276826；4.車用燃料技術國家重點實驗室，河南 南陽 473000)

響應面法優(yōu)化混合活化劑制備脫硅稻殼基活性炭

陳俊英1， 馮向應1,2， 史召霞1,3， 方書起1， 韓秀麗1， 王鐸4

(1.鄭州大學 化工與能源學院，河南 鄭州 450001； 2.山東新華醫(yī)藥化工設計公司，山東 淄博 255086； 3.山東潔晶集團股份公司，山東 日照 276826；4.車用燃料技術國家重點實驗室，河南 南陽 473000)

摘要：對以脫硅稻殼為原料、NaOH和Na2CO3為混合活化劑制備活性炭的工藝進行了4因素(活化溫度、活化時間、活化劑混合比、浸漬液質量分數(shù))3水平的響應面優(yōu)化研究.結果顯示：活化溫度和浸漬液質量分數(shù)對活性炭的碘吸附值有顯著地影響.在活化溫度635 ℃，活化時間35 min，混合比4∶1，浸漬液質量分數(shù)40%時碘吸附值出現(xiàn)極值，驗證實驗的碘平均值為1 383.5 mg/g，與預測值基本吻合.另外對所制活性炭進行了性能表征，采用SEM表征了活性炭的形貌，BET法計算了活性炭的比表面積，BJH方程計算出活性炭的孔徑分布.得到其比表面積為1 566.1 m2/g，平均孔徑為2.05 nm，總孔容為0.80 cm3/g.

關鍵詞：響應面；混合堿活化；脫硅稻殼；活性炭；表征

0引言

活性炭比表面積大，孔隙結構發(fā)達，具有良好的吸附性能，可作為催化劑的載體，已成功應用于電容、催化以及水和氣體的凈化[1-4].稻殼是農業(yè)副產(chǎn)物，來源豐富，用稻殼制備活性炭的方法較多[5-7]，用得較多的主要有NaOH[8]、KOH[9]和磷酸[10-11]等單活化劑方法，也有采用KOH和K2CO3[12-13]混合活化劑來生產(chǎn)的.

筆者采用提取白炭黑后的固體殘渣為原料，利用混合活化劑來生產(chǎn)活性炭，目的在于減少白炭黑生產(chǎn)中的廢物排放，解決固體殘渣所造成的環(huán)境污染，提高廢棄物的利用價值.

前期通過試驗[14]確定了最佳物料比為1∶3，考察了5種混合活化的配比方案，所用混合活化劑為NaOH和Na2CO3，KOH和K2CO3，實驗結果表明在混合活化劑配比為5∶1時碘吸附值、亞甲基藍吸附值分別達到最高，說明加入輔助活化劑能有效提高稻殼基活性炭的吸附性能.在試驗中，發(fā)現(xiàn)KOH和K2CO3效果稍好，但由于白炭黑是利用碳酸鈉進行生產(chǎn)的，為減少引入金屬離子的種類，在本研究中混合活化劑的金屬離子以鈉離子為主.NaOH和Na2CO3為同一種金屬的兩種堿進行混合，兩者活化后的產(chǎn)物相同，便于回收，更易實現(xiàn)清潔生產(chǎn).

1實驗部分

1.1原料與試劑

脫硅稻殼原料為鄭州凱樂生物能有限公司生產(chǎn)白炭黑的固體殘渣.

稻殼產(chǎn)自湖北洪湖，以20 ℃/min的加熱速率升溫，控制溫度在600 ℃下進行干餾，干餾后質量百分比為：固定炭54.23%，灰分38.73%，揮發(fā)分7.04%.提取白炭黑后，固體殘渣中灰分含量降為6.57%.將脫硅稻殼原料中殘留的堿洗去，烘干，研磨過0.425 mm篩孔后裝袋備用.

實驗所用NaOH、Na2CO3、碘及碘化鉀均為分析純；實驗用水為自制去離子水.

1.2活性炭的制備

(1)活化.稱取5.0 g經(jīng)過清洗的脫硅稻殼原料，加入一定量活化劑溶液，每隔4 h攪拌一次，浸漬24 h.將浸漬后的樣品放入馬弗爐中，90 ℃時預活化1 h，然后以5 ℃/min速率升溫至活化溫度，保持一定時間，活化結束.

(2)洗滌.將活化后的樣品用去離子水進行多次洗滌，基本洗至中性.

(3)研磨.將洗后樣品烘干，研磨至0.075 0 mm以下，裝袋，得到稻殼基活性炭成品.

1.3活性炭性能表征

(1)碘吸附值的測定

活性炭碘吸附值的測定按照國標《木質活性炭的標準試驗方法》中規(guī)定的方法進行.

(2)比表面積和孔徑分布

利用美國康塔公司NOVA4200e型比表面積及孔隙分析儀進行吸附等溫線的測定.采用BET法計算比表面積；總孔容由相對壓力為0.95時的氮氣吸附量折算成液氮體積得到；孔徑分布由BJH法得到.

(3)活性炭表觀形貌

采用SPSS 23.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析。計量資料以表示，Shapiro-Wilk法檢驗正態(tài)分布,Levene法檢驗方差齊性。當數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布,且方差齊性時,多組間比較采用單因素方差分析，兩兩組間比較采用LSD-t法檢驗。如數(shù)據(jù)非正態(tài)分布或方差不齊，采用非參數(shù)分析Kruskal-Wallis檢驗方法。對于包含兩種處理方式的實驗結果，采用析因設計方法進行檢驗。α=0.05為檢驗水準(雙側)。

先將樣品噴金處理，再利用日本株式會社JSM-7500F型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察樣品的形貌.

(4)XRD分析

荷蘭飛利浦公司Philips X’Pert PRO光衍射儀，Cu靶kα射線，管電壓40 kV，入射波長為0.154 nm，測試衍射角度范圍為5°～80°.

(5)紅外檢測

采用KBr壓片法，利用Thermo Nicolet 公司的IR300型紅外光譜儀，在4 000 cm-1～400 cm-1范圍內進行測試.

1.4響應面法對活性炭吸附性能的優(yōu)化

本實驗采用連續(xù)升溫的方式，活化時間為達到設定溫度后的保溫時間.其混合比是指在脫硅稻殼與活化劑質量之比為1:3不變的情況下，活化劑中NaOH與Na2CO3的質量比.為了得到最佳工藝條件，采用響應面法(RSM)的中心組合(BBD)設計進行實驗.以碘吸附值為響應目標，選取混合比、活化溫度、活化時間和浸漬液質量分數(shù)4個響應因素，進行了4因素3水平的響應面分析設計，對混合活化劑制備稻殼基活性炭的工藝進行了優(yōu)化，實驗因素及水平如表1所示.

2結果與討論

2.1響應面模型的建立

以活性炭的碘吸附值(Y)為響應值，根據(jù)實驗因素與水平的設計得到29個試驗點，其中24個為析因子，5個為零點.零點試驗進行5次，以估計誤差.根據(jù)響應面的實驗結果，得到4個主要因素對活性炭碘吸附值交互影響情況的三維曲線圖和等高線圖，如圖1和圖2所示.

活化溫度與活化時間對碘吸附值的關系如圖1所示，圖1中并未出現(xiàn)完整的等高線，表明活化溫度和活化時間的交互影響不顯著.當活化時間固定時，碘吸附值隨著活化溫度的升高先上升后下降，在650 ℃左右達到極值.這說明活化劑在高溫下能有效地與物料中的碳進行反應，使物料內部不斷發(fā)生開孔和擴孔，形成具有發(fā)達孔隙結構的活性炭.溫度過高時，活化反應基本進行完，但活性炭上的炭骨架遭到過度刻蝕，微孔向中孔和大孔轉變，使微孔數(shù)目減少，碘吸附值呈下降趨勢.當反應溫度固定時，碘吸附值隨著活化時間的延長有先增大后減小的趨勢，但影響的程度不大.活化時間越長，燒失率越大，產(chǎn)品的質量下降越多，當其內部孔隙結構發(fā)展到一定程度后，由原來孔的加深變?yōu)榭椎耐貙挘挂徊糠治⒖邹D化成中孔，形成中孔發(fā)達的活性炭.

圖2表示混合比與浸漬液質量分數(shù)對碘吸附值的關系，由圖2可知，隨著Na2CO3質量在總活化劑中的增加，碘吸附值有極值出現(xiàn).原因在于Na2CO3高溫下分解產(chǎn)生的CO2能促進微孔的生成，兩種活化劑產(chǎn)生協(xié)同作用；但由于Na2CO3的活化性能遠低于NaOH，加入的量過多又會降低活化的整體效果，導致碘吸附值降低.當混合比確定時，浸漬液質量分數(shù)在40%左右出現(xiàn)極值.可能濃度過低時會導致進入物料內部的溶質質量減少，造成活化過程中稻殼表面活化劑的分布密度較小，活化效果不佳；濃度過高時，浸漬液中水分含量就會相對減小，可能造成浸漬不充分而導致碘吸附值下降.

2.2響應面結果分析

利用Design Expert 8.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進行回歸擬合，得碘吸附值與各因素之間的關系式

Y=1 249.88+274.73X1-28.85X2+14.10X3+63.55X4+42.55X1X2+5.03X1X3+20.50X1X4+6.20X2X3-14.32X2X4-25.90X3X4-261.20X12-64.04X22-129.62X32-85.26X42.

該模型的F值為20.06，復相關系數(shù)R2=0.952 5，校正相關系數(shù)AdjR2=0.905 0，則數(shù)據(jù)相關性高、與實際情況擬合得較好.

2.3驗證實驗

按照響應面優(yōu)化實驗得到的工藝條件：活化溫度635 ℃，活化時間35 min，混合比4∶1，浸漬液質量分數(shù)40%，進行了三組平行實驗，結果顯示所制活性炭的平均碘吸附值為1 383.5 mg/g，與預測值1 327.6 mg/g相吻合，活化溫度和浸漬液質量分數(shù)影響顯著.

2.4活性炭樣品的表征

對利用最優(yōu)工藝條件制成的稻殼基活性炭進行性能表征，測定其比表面積與孔徑分布等.

2.4.1活性炭表觀形貌

圖3為分別利用掃描電鏡(SEM)觀察到的原料和成品活性炭的表觀形貌圖.由圖3(a)可見，脫硅稻殼結構較完整、邊界清楚、壁面較厚、孔少且小、形態(tài)較規(guī)則.而圖3(b)稻殼基活性炭形貌較脫硅稻殼原料有非常明顯的變化，其孔壁變薄、表面孔多、呈現(xiàn)蜂窩狀、凹凸不平，可以明顯觀察到在大孔壁上形成小孔，開孔率高，表面孔結構分布有序，孔與孔之間相互連通.所有這些孔都有利于吸附，不僅可以吸附大分子，同時能使小分子物質進入到內部的孔洞中，提高了活性炭的利用率.

2.4.2比表面積和孔徑分布

活性炭的N2吸附等溫線和孔徑分布如圖4(a)和(b)所示，根據(jù)IUPAC的分類，圖4(a)所示吸附等溫線屬于典型的Ⅳ型吸附等溫線，具有滯留回環(huán)，屬于典型的介孔材料吸附，存在單分子層飽和吸附.吸附曲線形狀呈反S型，在吸附的前半段發(fā)生了類Ⅰ型微孔結構吸附，而在吸附的后半段出現(xiàn)了多分子層吸附，說明該活性炭同時有微孔和中孔結構.根據(jù)滯留回環(huán)形狀推測，活性炭內部可能存在瓶狀孔結構.根據(jù)BET法計算可知其比表面積為1 566.1 m2/g，BJH法計算平均孔徑為2.05 nm，總孔容為0.80 cm3/g.結合圖4(b)的孔徑分布可知，該活性炭為中孔集中性活性炭，兼具微孔和大孔.

2.4.3紅外光譜分析

脫硅稻殼子活性炭的紅外光譜如圖5所示，從圖5中可以看出脫硅稻殼與活性炭具有類似的吸收光譜，表明二者官能團結構基本相同.

2.4.4XRD分析

脫硅稻殼子活性炭的X射線衍射關系如圖6所示，兩條譜線在2θ=24°附近均出現(xiàn)了衍射寬峰，該峰屬于碳(002)晶面衍射峰；在2θ=43°處活性炭比脫硅稻殼出現(xiàn)較明顯的衍射峰，該峰屬于碳(100)晶面衍射峰.

據(jù)方程可知其晶層寬度變大，表明稻殼基活性炭石墨微晶亂層程度增加，類石墨微晶尺寸較小，表面原子的活潑性增強，碳結構出現(xiàn)無序化，能形成較發(fā)達的孔隙結構，增強吸附能力.

3結論

在混合活化劑單因素實驗基礎上，以碘吸附值作為響應目標，在最佳物料比確定的情況下，選取混合比、活化溫度、活化時間及浸漬液質量分數(shù)這4個響應因素，進行了4因素3水平的響應面分析法優(yōu)化試驗.結果顯示：在活化溫度635 ℃，活化時間為35 min，混合比4∶1，浸漬液質量分數(shù)為40%時碘吸附值出現(xiàn)極值；然后進行了三組平行實驗進行驗證，所得平均碘吸附值為1 383.5 mg/g；通過試驗表明，活化溫度和浸漬液質量分數(shù)對活性炭的碘吸附值影響顯著.

對所制取的活性炭，分別采用掃描電子顯微鏡(SEM)、低溫N2吸附、紅外光譜(IR)及X射線衍射(XRD)對其表面形貌、孔隙結構、表面官能團以及微晶結構等進行了表征.根據(jù)BET法計算可知其比表面積為1 566.1 m2/g，BJH法計算其平均孔徑為2.05 nm，屬于中孔集中性活性炭，另外還含有部分微孔和大孔.

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Optimization of Activated Carbon Preparation from Desilicon Rice Husk via Compound Agents by Response Surface Methodology

CHEN Jun-ying1, FENG Xiang-ying1,2, SHI Zhao-xia1,3, FANG Shu-qi1, HAN Xiu-li1，WANG Duo4

(1.School Of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 2.Shandong Xinhua Pharmaceutical Chemical Engineering Design Co. Ltd., Zibo 255086, China; 3.Shandong Jiejing Group Co. Ltd., Rizhao 276826, China; 4.State Key Laboratory of Motor Vehicle Biofuel Technology, Nanyang 473000, China)

Abstract:The activated carbon was prepared from desilicon rice husk by compound activating agents (NaOH and Na2CO3). The influence of four factors (activation temperature, activation time, mixed ratio, mass concentration of the impregnating solution) and three levels w investigated. The process was optimized by response surface methodology. The results showed that activation temperature and concentration of the impregnating solution were important factors on iodine adsorption value of activated carbon. The best conditions of preparing activated carbon the activation temperature of 635℃, activation time of 35 min, the mixing ratio of 4：1, mass concentration of the impregnating solution of 40%. The iodine adsorption value was 1383.5 mg/g, which was consistent with the predicted values. The structure and morphology of samples characterized by SEM. The specific surface area and pore-size distribution calculated by the methods of BET and BJH, respectively. The activated rice husk carbon exhibit a high specific surface area of 1566.1m2/g, average pore diameter of 2.05 nm, total pore volume of 0.80 cm3/g.

Key words:response surface method; compound activating agent; desilicon rice husk; activated carbon; characterization

中圖分類號：TQ424

文獻標志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.02.026

文章編號:1671-6833(2015)02-0120-05

作者簡介：陳俊英(1972-)，女，河南開封人，鄭州大學副教授，博士，主要從事生化設備強化及生物質資源化利用方面的研究,E-mail: chenjy@zzu.edu.cn.

基金項目：車用燃料技術國家重點實驗室開放課題(2013007)；河南省高等學校青年骨干教師資助計劃

收稿日期:2014-11-22；

修訂日期：2014-12-27