廢棄棉/亞麻混紡織物制備活性炭的性能

張 磊， 郝 露， 徐山青

(南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 南通 226019)

廢棄棉/亞麻混紡織物制備活性炭的性能

張 磊， 郝 露， 徐山青

(南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 南通 226019)

為實(shí)現(xiàn)廢棄織物的綜合利用，以廢棄的棉/亞麻(50/50)混紡織物為原料，以氮?dú)鉃檩d體，將水蒸氣送入高溫管式爐中進(jìn)行活化制備活性炭。研究了活化溫度、活化時(shí)間和水蒸氣的載體流速對(duì)活性炭的比表面積、孔徑分布的影響；利用廢棄棉/亞麻活性炭的碘吸附量來(lái)表征其吸附能力，分析結(jié)構(gòu)性能與吸附性能之間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著活化溫度、活化時(shí)間、水蒸氣載體流速的增加，活性炭碘吸附量先增大后減小，而孔直徑不斷增大；當(dāng)活化溫度為800 ℃、活化時(shí)間為50 min、水蒸氣載體流速為240 L/h時(shí)，活性炭比表面積及孔容達(dá)到最大，分別為1 047.34 m2/g和1.25 cm3/g，孔直徑在18 nm左右，碘吸附量為805.16 mg/g；當(dāng)活化溫度為750 ℃，活化時(shí)間為50 min，水蒸氣載體流速為240 L/h時(shí)，活性炭比表面積為648.25 m2/g，孔直徑為4 nm左右，此時(shí)碘吸附量達(dá)到最大值，為1 079.39 mg/g。

廢棄棉/亞麻混紡織物； 活性炭； 孔徑分布； 水蒸氣活化； 流速

我國(guó)的廢棄紡織品綜合利用率很低，不僅造成資源浪費(fèi)，而且污染環(huán)境，合理處理和利用廢棄紡織品成為一大難題。目前，廢棄紡織品常見(jiàn)的處理方法是回紡或制成纖維氈等。利用廢棄紡織品制備活性炭材料，可提高產(chǎn)品附加值，使廢舊紡織品資源化，不僅節(jié)約了煤、木材等珍貴資源，也為廢舊紡織品的綜合利用提供了新思路，具有重要的意義。牛耀嵐以KOH為活化劑制備的廢麻活性炭和孫麗娜以磷酸為活化劑制備的廢棉活性炭，對(duì)碘分子的吸附量分別達(dá)到了1 070.24 mg/g和967 mg/g，其制備的廢棄紡織品活性炭對(duì)廢水處理有較好的效果[1-3]，但是利用化學(xué)活化制備活性炭工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染；所以人們?nèi)孕柙谥苽浠钚蕴康倪^(guò)程中努力尋找更加清潔、廉價(jià)的生產(chǎn)方法。

本文采用物理活化法，以水蒸氣為活化劑，對(duì)廢棄棉/亞麻混紡織物制備活性炭進(jìn)行試驗(yàn)研究，為用廢棄紡織品制備活性炭提供新參考。本文試驗(yàn)重點(diǎn)考察活化溫度、活化時(shí)間和水蒸氣的載體(氮?dú)?流速對(duì)活性炭結(jié)構(gòu)影響，分析了活性炭結(jié)構(gòu)與其吸附性能的關(guān)系。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原 料

本文試驗(yàn)的原料為廢棄棉/亞麻混紡織物，購(gòu)自南通輕紡城。

1.2 儀器及試劑

設(shè)備：Y802型八籃恒溫烘箱，常州紡織儀器廠；恒溫水浴鍋，國(guó)華電器有限公司；GSL-1400X型真空管式爐，合肥科晶材料技術(shù)有限公司；AW6708微型空氣壓縮機(jī)，深圳聚才實(shí)業(yè)有限公司；CMS-3型變壓吸附分子篩制氮機(jī)，南通嘉宇氣體設(shè)備有限公司；ASAP 2020 HD88型比表面積測(cè)試儀，美國(guó)麥克公司。

試劑：碘(分析純)，中國(guó)醫(yī)藥上海化學(xué)試劑公司；碘化鉀(分析純)，南京化學(xué)試劑有限公司；硫代硫酸鈉、可溶性淀粉(分析純)，西隴化工股份有限公司；鹽酸(分析純)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。所有試劑使用前未進(jìn)一步提純。

1.3 活性炭的制備

試驗(yàn)中，廢棄物原料的炭化、活化均在高溫管式爐中進(jìn)行。本文試驗(yàn)的示意圖如圖1所示。

炭化階段。關(guān)閉閥門(mén)2、閥門(mén)3，打開(kāi)閥門(mén)1，讓炭化原料在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行炭化，炭化溫度400 ℃，炭化時(shí)間60 min；同時(shí)用90 ℃恒溫水浴鍋加熱抽濾瓶中的水，瓶中的初始水量為1 000 mL。

活化階段。關(guān)閉閥門(mén)1，同時(shí)打開(kāi)閥門(mén)2、閥門(mén)3，使氮?dú)馔ㄟ^(guò)抽濾瓶，同時(shí)調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁坑?jì)，使氮?dú)庖圆煌魉偻ㄟ^(guò)抽濾瓶，將熱水蒸氣帶進(jìn)高溫管式爐中；活化溫度為650～800 ℃，時(shí)間為35～80 min，載體流速為200～320 L/h。活化結(jié)束后，關(guān)閉閥門(mén)2和閥門(mén)3，打開(kāi)閥門(mén)1，使產(chǎn)物在氮?dú)獗Ｗo(hù)下降溫。

1.4 性能測(cè)試與表征

碘吸附值按照GB/T 12496.8—1999《木質(zhì)活性炭試驗(yàn)方法：碘吸附值的測(cè)定方法》測(cè)定。采用ASAP 2020 HD88型比表面積測(cè)試儀測(cè)定活性炭材料的比表面積與孔結(jié)構(gòu)。本文試驗(yàn)利用活性炭吸附等溫線(xiàn)，采用BET方程分析等溫線(xiàn)，得到活性炭的比表面積，采用 Kelvin 方程的 BJH 方程可計(jì)算出中孔(孔徑范圍為1.7～300 nm)孔容和中孔孔徑分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 孔結(jié)構(gòu)和比表面積分析

2.1.1 活化時(shí)間的影響

當(dāng)活化溫度為750 ℃，水蒸氣載體流速為240 L/h時(shí)，不同活化時(shí)間所制得的活性炭的比表面積和孔結(jié)構(gòu)分布如表1和圖2所示。

表1 不同活化時(shí)間活性炭的孔容積和比表面積Tab.1 Pore volume and specific surface area of activated carbon with different activation time

由表1可看出，隨活化時(shí)間的增加，活性炭的比表面積和孔容先增大后減小。這是由于初期的活化反應(yīng)將炭化時(shí)堵在孔隙中的焦油和無(wú)定型炭除去[4]，使水蒸氣擴(kuò)散到纖維基體內(nèi)部，使反應(yīng)繼續(xù)，產(chǎn)生了新孔，活性炭孔容和比表面積不斷增大；如果活化時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)的話(huà)，就會(huì)將其孔壁燒蝕，使原來(lái)的孔擴(kuò)展為大孔，導(dǎo)致孔容和比表面積減?。挥捎诨钚蕴康闹锌妆壤膊粩嘣黾?，說(shuō)明水蒸氣在此過(guò)程中起著“造孔”和“擴(kuò)孔”的作用。由圖2可看出，當(dāng)活化時(shí)間為35 min和50 min時(shí)，活性炭的孔徑分布大致相同，孔直徑主要在4 nm左右，但活化時(shí)間為50 min時(shí)，活性炭的孔容更大一些。這是因?yàn)榛罨瘯r(shí)間變長(zhǎng)，產(chǎn)生的孔更多一些。當(dāng)活化時(shí)間達(dá)到65 min時(shí)，炭基體中的孔被完全打開(kāi)，水蒸氣繼續(xù)與孔壁反應(yīng)，在產(chǎn)生新孔的同時(shí)，也擴(kuò)大了原來(lái)孔的直徑，使活性炭產(chǎn)生了大量10 nm左右的孔徑。

2.1.2 水蒸氣載體流速的影響

當(dāng)活化溫度為750 ℃，活化時(shí)間為50 min時(shí)，不同水蒸氣載體流速下活性炭的比表面積和孔結(jié)構(gòu)分布如表2和圖3所示。

表2 不同流速下活性炭的孔容積和比表面積Tab.2 Pore volume and specific surface area of activated carbon with different N2 flow rate

由表2可看出，隨流速的增加，活性炭的比表面積和孔容先增大后減小。這可能是由于在一定流速范圍內(nèi)，擴(kuò)散速度是控制步驟，流速越快，水蒸氣擴(kuò)散到纖維基體表面的速率和從基體中逸出的速率也越快，同時(shí)通過(guò)纖維基體的水蒸氣的量也越多，反應(yīng)點(diǎn)增多，使活化反應(yīng)速率加快，水蒸氣與纖維基體反應(yīng)更充分，所以活性炭的比表面積和孔容不斷增大；但是如果流速過(guò)快，在一定的活化時(shí)間里，纖維基體的孔壁就會(huì)由于過(guò)度反應(yīng)而被燒蝕坍塌，從而降低活性炭的比表面積和孔容[5-7]。由圖3可看出，不同流速下的活性炭孔徑分布各不相同。流速在240 L/h時(shí)，水蒸氣與纖維基體反應(yīng)充分且均勻，有利于在基體中產(chǎn)生大量的微孔和中孔，這時(shí)活性炭的孔直徑集中在4 nm左右；當(dāng)流速達(dá)到280 L/h時(shí)，由于反應(yīng)速率加快，水蒸氣對(duì)纖維基體的“擴(kuò)孔”作用明顯，使孔徑進(jìn)一步擴(kuò)大，這時(shí)活性炭的孔直徑達(dá)到了8 nm左右。2.1.3 活化溫度的影響

當(dāng)活化時(shí)間為50 min，水蒸氣載體流速為240 L/h時(shí)，不同活化溫度活性炭的比表面積和孔結(jié)構(gòu)分布如表3和圖4所示。

表3 不同活化溫度下活性炭孔容積和表面積Tab.3 Pore volume and specific surface area of activated carbon with different activation temperature

由表3可看出，隨活化溫度的增加，活性炭的比表面積和中孔比例不斷增大。在進(jìn)行活化時(shí)，水蒸氣擴(kuò)散到炭化物表面并與孔隙中的無(wú)定型炭發(fā)生反應(yīng)，從而在基體中形成了發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)。隨反應(yīng)速率加快，形成的孔也逐漸增多，因此，活性炭比表面積和孔容不斷增大[8-10]；在800 ℃時(shí)，活性炭的孔容達(dá)到1.25 m3/g，比表面積達(dá)到1 047.34 m2/g，但活化溫度過(guò)高時(shí)，活化反應(yīng)速率大于水蒸氣擴(kuò)散速度，這時(shí)擴(kuò)散成為控制步驟，由于氣體擴(kuò)散慢，供給產(chǎn)生新孔的氣體量不足，新孔數(shù)量增加不多，活化溫度過(guò)高，孔隙不斷加寬，相鄰微孔之間的壁完全被燒毀而形成較大的孔隙，反而不利于微孔的形成，因此活化溫度不宜過(guò)高。由圖4可看出，不同活化溫度下，活性炭的孔徑分布差別很大。活化溫度為700 ℃時(shí)，可能由于活化反應(yīng)不均勻且不充分，活化劑氣體與纖維基體的活化反應(yīng)集中在某一點(diǎn)，使炭基體不但無(wú)法產(chǎn)生新的孔，而且擴(kuò)大了原來(lái)孔的直徑，這時(shí)孔直徑在4 nm左右；當(dāng)活化溫度達(dá)到750 ℃和800 ℃時(shí)，水蒸氣與纖維基體反應(yīng)充分且均勻，這時(shí)活性炭孔徑集中分布在4、18 nm左右。

2.2 碘吸附性能分析

碘分子是粒子直徑為1 nm的無(wú)機(jī)小分子，一般認(rèn)為活性炭碘吸附值可反映活性炭中微孔的數(shù)量，同時(shí)可模擬活性炭對(duì)小分子的液相吸附能力，因此研究活性炭對(duì)碘吸附能力有一定現(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)活化時(shí)間為50 min，水蒸氣載體流速為240 L/h時(shí)，不同活化溫度的活性炭碘吸附量如表4所示。當(dāng)活化溫度為750 ℃，水蒸氣載體流速為240 L/h時(shí)，不同活化時(shí)間的活性炭碘吸附量如表5所示。

表4 不同活化溫度下活性炭碘吸附量Tab.4 Iodine adsorption quantity of activated carbon with different activation temperature

表5 不同活化時(shí)間下活性炭碘吸附量Tab.5 Iodine adsorption quantity of activated carbon with different activation time

當(dāng)活化溫度為750 ℃，活化時(shí)間為50 min時(shí)，不同水蒸氣載體流速的活性炭碘吸附量如表6所示。

表6 不同水蒸氣載體流速下活性炭碘吸附量Tab.6 Iodine adsorption quantity of activated carbon with different N2 flow rate

由表4～6 可看出，隨活化溫度、活化時(shí)間、水蒸氣載體流速的增加，活性炭碘吸附值都是先增大后減小。均一的液相吸附一般分二步進(jìn)行：第1步，吸附質(zhì)分子從溶液中穿過(guò)液膜，到達(dá)吸附劑粒子的表面；第2步，吸附質(zhì)分子從吸附劑粒子的表面進(jìn)入其內(nèi)部[11]。研究表明，吸附質(zhì)分子的大小只有與孔直徑相匹配時(shí)才能被吸附，當(dāng)活性炭孔徑在1～4 nm時(shí)，有利于碘吸附量的增加，活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)其吸附性能起著主導(dǎo)作用，即使吸附劑與吸附質(zhì)之間相互接觸的概率很大，但是由于粒子尺寸的原因，那些大于孔徑尺寸的吸附質(zhì)分子也無(wú)法被吸附[12]。當(dāng)活性炭工藝條件為活化溫度750 ℃，活化時(shí)間50 min和載體流速240 L/h時(shí)，其比表面積達(dá)到648.25 m2/g，并且含有大量4 nm左右的孔結(jié)構(gòu)，這時(shí)碘吸附值達(dá)到最大值1 079.39 mg/g，即使活性炭的比表面積和孔容沒(méi)有達(dá)到最大值，但由于活性炭中的孔隙結(jié)構(gòu)與碘分子粒徑尺寸更接近，所以活性炭碘吸附量能達(dá)到最大，這一研究結(jié)論符合活性炭吸附液相小分子的理論。

3 結(jié) 論

1)通過(guò)水蒸氣活化用廢棄紡織品制備活性炭是切實(shí)可行的；水蒸氣活化用廢棄棉/亞麻混紡織物制備的活性炭孔隙結(jié)構(gòu)以中孔為主。

2)活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)其吸附性能起著決定作用，當(dāng)活化溫度為750 ℃，活化時(shí)間為50 min，載體流速為240 L/h時(shí)，活性炭中出現(xiàn)了大量4 nm左右的中孔，比表面積達(dá)到648.25 m2/g，碘吸附量達(dá)到1 079.39 mg/g。

3)廢棄紡織品經(jīng)水蒸氣活化制備活性炭時(shí)，可通過(guò)調(diào)控活化溫度、時(shí)間和水蒸氣載體流速(即水蒸氣用量)三者之間的關(guān)系，制備出具有比表面積大和孔隙結(jié)構(gòu)豐富的活性炭，保證其具有良好的吸附性能。

FZXB

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Preparation and properties of activated carbon by waste cotton/flax blended fabrics

ZHANG Lei, HAO Lu, XU Shanqing

(SchoolofTextileandClothing,NantongUniversity,Nantong,Jiangsu226019,China)

In this paper, in order to study the waste fabric activated carbon prepared by physical method, and realize the comprehensive utilization of waste fabrics, activated carbon fabrics were prepared by using waste cotton/flax (50/50) blended fabrics as raw materials and steam as activating agent，which was carried into high temperature furnace by N2. The effects of activation temperature(T)，activation time (t) and N2flow rate (F) on the specific surface areas，pore size distributions and iodine adsorption of the activated carbon fabrics were studied. The adsorption properties of the waste cotton/flax blended activated carbon fabrics were characterized by iodine adsorption quantity, and the relationship between structure properties and adsorption properties of the waste cotton/flax blended activated carbon fabrics was found. The experimental results show that the iodine adsorption quantity of activated carbon fabrics increases firstly and then decreases with the increase ofT,tandF, but the pore sizes increases. When theT,tandFwere 800 ℃，50 min and 240 L/h respectively, the activated carbon fabrics achieved the maximum specific surface area(1 047.34 m2/g) and maximum pore volume(1.25 cm3/g), and the corresponding main pore sizes and iodine adsorption quantity were about 18 nm and 805.16 mg/g, respectively. When theT,tandFwere 750 ℃, 50 min and 240 L/h respectively, the activated carbon fabrics achieved the maximum iodine adsorption quantity(1 079.39 mg/g), and the corresponding main pore size was about 4 nm.

waste cotton/flax fabric; activated carbon; pore size distribution; steam activation; flow rate

10.13475/j.fzxb.20150800305

2015-08-03

2016-03-22

張磊(1989—)，男，碩士生。研究方向?yàn)榧徔棽牧祥_(kāi)發(fā)及應(yīng)用。徐山青，通信作者，E-mail:xu.sq@ntu.edu.cn。

TS 102.9

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