農(nóng)業(yè)成型秸稈制備空氣凈化用活性炭試驗研究

徐 明，莫開林，張正香，楊 凌，張思碧

（四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川成都 610081）

農(nóng)業(yè)成型秸稈制備空氣凈化用活性炭試驗研究

徐 明，莫開林，張正香，楊 凌，張思碧

（四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川成都 610081）

研究了以農(nóng)業(yè)秸稈經(jīng)壓塊成型后為原料，采用水蒸氣活化法制備活性炭工藝。討論了炭化溫度、炭化時間、活化溫度和活化時間對活性炭的得率和吸附性能的影響，得到了最佳工藝條件：炭化溫度450℃、炭化時間6h、活化溫度850℃、活化時間3h。經(jīng)后處理去灰分后，制得的活性炭的亞甲基藍吸附值達180 mg·g－1?；灸苓_到木質(zhì)凈水用活性炭標(biāo)準(zhǔn)要求，具有較大的推廣應(yīng)用前景。

成型秸稈；活性炭；炭化；活化

農(nóng)作物秸稈是一種具有多用途的可再生生物資源，每噸干物質(zhì)秸稈的熱值相當(dāng)于0.5 t標(biāo)準(zhǔn)煤，其硫含量卻遠(yuǎn)低于煤，是一種清潔、可再生能源，具有廣闊的發(fā)展前景［1］。活性炭具有發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)、大的比表面積和較好的吸附能力。它對氣體、溶液中的有機或無機物質(zhì)以及膠體顆粒等有很強的吸附能力，在國防、化工、石油、紡織、污水處理及室內(nèi)裝飾等各個方面得到廣泛的應(yīng)用［3］。秸桿制備活性炭，我國已有一些研究，但都僅限于探索性研究，未有生產(chǎn)應(yīng)用方面的報道，而且由于秸桿制備的活性炭由于灰分高的原因也阻礙了市場應(yīng)用［2］。通過秸桿壓塊后制備活性炭，可大大提高秸稈活性炭得率，拓展農(nóng)業(yè)廢棄物秸桿的綜合利用。

利用農(nóng)業(yè)廢棄物生產(chǎn)的活性炭還可經(jīng)再加工為不同用途的高品質(zhì)專用活性炭，用于不同行業(yè)。如添加光觸媒劑后生產(chǎn)出光觸媒空氣凈化用活性炭板，可用于室內(nèi)的車內(nèi)凈化空氣；經(jīng)再處理后的活性炭可生產(chǎn)酒類專用活性炭，處理各種酒；添加在肥料中用于生產(chǎn)固氮用活性炭肥料，延緩氨離子在土壤中的釋放等。這將大大延伸秸桿類活性炭的應(yīng)用前景。可帶動農(nóng)業(yè)種植業(yè)及基地建設(shè)，延長產(chǎn)業(yè)鏈，解決農(nóng)業(yè)部門長期存在的廢棄物資處理問題。對實現(xiàn)農(nóng)村社會、經(jīng)濟、生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展，鞏固新農(nóng)村建設(shè)都具有十分重要的意義。

1 材料與試驗方法

1.1 試驗原料準(zhǔn)備

試驗材料秸稈是從成都市郫縣、新津縣、大邑縣等地農(nóng)村田間直接收集本年度成熟玉米秸稈、水稻秸稈、油菜秸稈。經(jīng)直接晾曬至水分為16%～22%，再切碎、擠壓成型為尺寸47 mm×32 mm×50 mm～65 mm塊狀物料。

1.2 主要試驗設(shè)備

沈陽節(jié)能電爐廠生產(chǎn)的坩堝電阻爐3～9；德國納博熱工業(yè)爐公司生產(chǎn)的納博熱馬弗爐B180；上海威田服裝機械有限公司生產(chǎn)的全自動電加熱水蒸氣發(fā)生器W－0.5；其余設(shè)備為電熱鼓風(fēng)干燥箱、臺稱、瑞士梅特勒－托利多公司生產(chǎn)的PL2002型電子天平等。

1.3 試驗方法

1.3.1 工藝流程

已成型秸稈塊水蒸氣活化法制備活性炭工藝流程如圖1所示。

圖1 秸稈活性炭制備工藝流程圖

1.3.2 工藝說明

該工藝是先將秸稈擠壓成型、在一定溫度下進行炭化，將炭化后的物料破碎成不定型顆粒，不定型顆粒炭加熱到活化溫度，通入水蒸氣進行活化，活化后經(jīng)酸洗、漂洗和干燥得到合格秸稈活性炭，再經(jīng)處理制備成空氣凈化用活性炭板產(chǎn)品。

活性炭的亞甲基藍吸附值按GB／T 12496.10－1999規(guī)定方法測定。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 秸稈成分分析

秸稈由木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等生物有機高分子組成，各成分組成見表1。

表1 幾種秸稈化學(xué)成分表［4，5］

2.2 成型塊狀秸稈炭化試驗研究

2.2.1 炭化溫度選擇

根據(jù)木質(zhì)炭試驗研究數(shù)據(jù)［6］，選擇成型塊狀秸稈炭化溫度為350℃、450℃、550℃進行考察研究。炭化試驗后分析產(chǎn)品灰分和固定炭含量，具體見表2。

表2 炭化試驗溫度考察表

實驗過程中觀察到，采用350℃炭化時，掰開炭塊，中間呈黃色，說明炭化不完全。從以上測試數(shù)據(jù)也可看出，炭化溫度在450℃時，炭化產(chǎn)品的灰分和固定炭含量均較好，隨著溫度升高，部分炭灰化，導(dǎo)致灰分升高和固定炭含量降低，因此秸稈炭化溫度選擇450℃。

2.2.2 炭化時間的選擇

以450℃為炭化溫度開始炭化反應(yīng)，考察炭化恒溫時間3 h、6 h、9 h對炭化產(chǎn)品的影響。炭化產(chǎn)品分析灰分和固定炭含量，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 炭化恒溫時間對炭化效果的影響表

恒溫炭化時間的延長對產(chǎn)品質(zhì)量存在先上升后下降的趨勢，說明炭化時間3h時炭化不完全，超過9 h后，產(chǎn)品得率下降，因此選擇恒溫炭化時間為6 h。成型后炭化得率較未成型炭化得率高，因此將秸稈成型后炭化將更好的利用原料。

2.3 塊狀秸稈炭活化試驗研究

2.3.1 塊狀秸稈炭活化前處理

由于塊狀秸稈炭尺寸大，最大尺寸為47 mm× 32 mm×98 mm，大部分在47 mm×32 mm×65 mm，不利于水蒸汽滲透，且流動性也差。因此，活化前需將塊狀炭破碎篩分，使其粒度直徑為0.2 cm～1 cm的不定型顆粒，方便活化試驗。

2.3.2 活化溫度考查

結(jié)合木炭活化制備活性炭研究數(shù)據(jù)，試驗采用700℃，750℃，800℃，850℃，900℃5個溫度下活化，活化時間4 h，測定活化產(chǎn)物的亞甲基藍值吸附值見表4。

表4 秸稈炭活化溫度試驗表

從表4中數(shù)據(jù)可以看出，隨活化溫度的升高，亞甲基藍吸附值先升高后降低。當(dāng)活化溫度達到850℃之前，亞甲基藍吸附值隨活化溫度的升高而增大。這可能是由于原來殘留在炭素前驅(qū)體中的無定形碳被選擇性地消耗，使微晶之間閉塞的微孔被打開，并形成中孔。但是，當(dāng)活化溫度由850℃達到900℃時，亞甲基藍吸附量呈回落趨勢。這可能是因為形成的中孔發(fā)展成孔徑較大的大孔，導(dǎo)致了比表面積降低的緣故。

綜上分析，為了讓活性炭有較高的亞甲基藍吸附值，我們選擇活化溫度850℃。

2.3.3 活化時間考查

將處理好的不定型顆粒炭，放入活化爐中，活化溫度850℃，分別活化1 h、2 h、3 h、4 h，測定活化產(chǎn)物的吸附數(shù)據(jù)見表5。

從表5中數(shù)據(jù)可以看出，活性炭的亞甲基藍吸附值隨著時間的增加而增大，但變化量不大。這說明反應(yīng)初始階段，炭新孔的形成占主導(dǎo)地位，產(chǎn)生了部分的中孔結(jié)構(gòu)，此時比表面積增大，從而使活性炭的亞甲基藍吸附值增加。但當(dāng)反應(yīng)進行一定時間（3 h）后，繼續(xù)通蒸汽使原先生成的一部分中孔結(jié)構(gòu)可能被破壞，造成了孔徑的變大，形成了許多大孔，使活性炭的比表面積降低，導(dǎo)致了亞甲基藍吸附值的降低。因此活化時間確定為3 h。

表5 秸稈炭活化時間試驗表

2.3.4 塊狀秸稈炭活化參數(shù)選擇

綜合考慮活化溫度及活化時間對活化效果的影響，我們選擇水蒸氣活化的工藝參數(shù)為：活化溫度850℃，活化時間3 h。

2.4 秸稈活性炭后處理研究

活性炭灰分主要可分為酸溶物和堿溶物［7］。主要是鉀、鋁、硅、鈉和鐵等的氧化物以及少量的鎂、鈣、硼、銅、銀、錫和微量的鋰、鎵、鉛等金屬元素，包括：二氧化硅，三氧化二鋁，三氧化二鐵，氧化鈣，氧化鎂，二氧化鈦，三氧化硫，氧化鉀氧化鈉和五氧化二磷等。這些灰分存在于活性炭的孔隙中，會堵塞部分小孔及中孔，大大降低活性炭的吸附能力。由于秸稈活化后得到的活性炭的灰分高，大大限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用，因此需要進行處理，降低其灰分，提高品質(zhì)。

2.4.1 秸稈活性炭后處理方法

秸稈活性炭灰分中硅、鉀、鐵、鎂、鈣等元素存在，導(dǎo)致了秸稈活性炭的高灰分，因此要提高秸稈活性炭的品質(zhì)，就必須降低活性炭中這些元素含量，根據(jù)文獻資料對煤質(zhì)活性炭的處理經(jīng)驗，采用2%鹽酸溶液，鹽酸溶液∶活性炭＝10∶1、溫度80℃～90℃，反應(yīng)時間30 min，進行酸洗。酸洗后用少量多次水進行洗滌，直至洗到洗滌水呈中性，將濕活性炭烘干，得到秸稈活性炭產(chǎn)品。

2.4.2 處理后秸稈活性炭指標(biāo)測試

對已烘干的處理后秸稈活性炭，項目組測試了灰分、水分、亞甲基藍吸附值、碘吸附值等指標(biāo)，經(jīng)測試處理后的秸稈活性炭亞甲基藍吸附值達180 mg·g－1（見表6）。基本能達到木質(zhì)凈水用活性炭標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 處理后秸稈活性炭指標(biāo)表

2.5 秸稈活性炭制備空氣凈化炭板應(yīng)用試驗

依據(jù)四川省林業(yè)科學(xué)研究院已有的專利技術(shù)，利用秸稈活性炭制備了光觸媒空氣凈化炭板。依據(jù)QB／T2761－2006《室內(nèi)空氣凈化產(chǎn)品凈化效果測定方法》進行實驗室試驗倉中模擬條件試驗（吸附時間24 h），測得空氣凈化炭板對苯、甲醛的吸附效果見下表7。

表7 秸稈活性炭板密室吸附甲醛效果表

由于應(yīng)用試驗是在高濃度，密閉空間較理想的狀態(tài)下進行的，屬于理想數(shù)據(jù)，但成型后制備的秸稈活性炭已基本達到木質(zhì)活性炭的吸附能力，應(yīng)用市場大。

采用秸稈活性炭制備空氣凈化板，其吸附效果較采用木質(zhì)活性炭制備的空氣凈化板差一些（木質(zhì)活性炭制備的空氣凈化板苯去除率達98%以上，甲醛去除率達99%），但二者差距并不是很大，因此秸稈活性炭可以作為空氣凈化板原料生產(chǎn)專利產(chǎn)品。

3 結(jié)論

（1）利用壓塊成型的秸稈原料，采用傳統(tǒng)水蒸汽活化法制備秸稈活性炭，工藝路線是可行的。制備的活性炭經(jīng)后處理后灰分可低于8%，可應(yīng)用于光觸媒空氣凈化活性炭板，凈水及其它工業(yè)行業(yè)。

（2）摸索出農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈壓塊成型后制備活性炭工藝條件為：炭化溫度450℃、炭化時間6h、活化溫度850℃、活化時間3h。經(jīng)后處理去灰分后，制得的活性炭的亞甲基藍吸附值達180 mg·g－1。基本能達到木質(zhì)凈水用活性炭標(biāo)準(zhǔn)要求，具有較大的推廣應(yīng)用前景。

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［2］ 姚昆.木質(zhì)和秸稈類成型燃料熱解炭化特性的試驗研究［J］.中南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2014.

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An Experimental Study of the Preparation of Activated Carbon for Air Purification by the AgriculturalW aste Straw

XU Ming MO Kai-lin ZHANG Zheng-xiang YANG Ling ZHANG Si-bi
（Forestry Science Research Institute of Sichuan province，Chengdu 610081，Sichuan）

In this paper，studiesweremade of the yield and adsorption properties of the actived carbon and the process of preparing activated carbon by using agricultural waste straw and the water vapor activation method.Discussion wasmade on according to the carbonization temperature，carbonization time，activation temperature and activation time，thus obtaining the optimum process conditions：carbonization temperature of 450℃，6 hours of carbonization time，850℃of activation temperature，and 3 hours of activation time. Themethylene blue adsorption value of activated carbon was 180 mg·g－1after the ash content of postprocessing.The basic energy could reach the standard of activated carbon forwater purification，and it had a great prospect of popularization and application.

Straw，Activated Carbon，Carbonization，Activation

10.16779／j.cnki.1003－5508.2016.04.020

S785.2

A

1003－5508（2016）04－0093－04

2016-02-19

四川省科技廳科技支撐項目（2014NZ0121）。

徐 明（1970-）學(xué)士，高級工程師，主要從事林產(chǎn)品綜合加工利用研究。