林業(yè)剩余物活性炭的孔結(jié)構(gòu)表征

王海沁

摘要：

通過表征4種原料在不同活化劑下孔結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)不同原料在相同工藝參數(shù)，不同活化劑下得到的孔徑分布相對一致，僅在比表面積、孔容方面存在一定差異。

關(guān)鍵詞：

活性炭;林業(yè)剩余物;孔結(jié)構(gòu)

中圖分類號：S713

文獻標識碼：A

DOI：1019754/jnyyjs20200630020

活性炭因其比表面積大，空隙發(fā)達，在醫(yī)藥、環(huán)保、化工、國防等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-3]，是一類附加值較高的產(chǎn)品。傳統(tǒng)的活性炭是以木炭、煤、瀝青等為原料，因現(xiàn)在木材采伐受限，煤、瀝青等為不可再生資源，致使活性炭生產(chǎn)原料受到限制。理論上只要是含碳豐富的原料均可以制備活性炭，在林業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生大量的含碳量豐富的剩余物，如核桃殼、柏木屑、竹枝、枝葉。

四川省是林業(yè)生產(chǎn)大省，柏木、竹、核桃資源豐富，然而大量的核桃殼、竹枝和枝葉在采伐、生產(chǎn)過程中被丟棄;柏木屑大多用于生產(chǎn)機制炭供燃燒使用，對資源造成浪費，對環(huán)境造成污染，若生產(chǎn)成活性炭則可以提高資源的綜合利用率。

1實驗材料與方法

11實驗材料

同一品種核桃殼5kg（取自綿陽市鹽亭縣），同一批次原料加工剩余的柏木屑5kg（取自遂寧市射洪縣木材加工企業(yè)），竹枝、竹葉5kg（取自宜賓市敘州區(qū)）。

12活性炭制備方法

取原料洗凈，100～120℃干燥，在400℃下炭化，冷卻后經(jīng)破碎研磨，洗凈，100～120℃干燥，粉碎過80目篩后備用。

取炭化料20g，按照浸漬比（活化劑/純干原料）為2時加入活化劑，攪拌混均，將混均的物料在電動振蕩器中浸漬14h，浸漬完全后移入干燥箱中，在105℃下干燥12h。將干燥后物料移至坩堝中放在馬弗爐中活化，從常溫以10℃/min的升溫速度加熱至600℃，活化120min，活化得到的樣品用01mol/L的HCl溶液煮沸20min，繼續(xù)用01mol/L的HCl溶液反復(fù)清洗，用蒸餾水清洗殘液至中性，將所得活性炭樣品在120℃下干燥，待分析測定。

13分析方法

采用美國麥克公司PRISTAR-3000型比表面孔徑測定儀，以高純氮氣為吸附質(zhì)，在7735K溫度下測定平衡壓力（P）和飽和壓力（P0）之比為00095～099的氮氣吸附體積，活性炭樣品測試前在120℃處理2h后進行測試[4]。

從圖1～3可以看出，樣品的等溫線變化趨勢基本相同，初始階段吸附量隨相對壓力的增大快速增加，且吸附速率大，隨后吸附量上升趨勢變緩，達到吸附平臺，符合IUPAC對I型吸附等溫線的定義[5]。從圖1、圖3可以看出，吸附與脫附分支基本重合，未顯示出明顯的滯后環(huán)，表明樣品中微孔占主導(dǎo)地位且分布集中，較大的孔隙極少或幾乎不存在。從圖2可以看出，等溫線曲線存在滯后環(huán)且滯后環(huán)比較寬，表明樣品中含有豐富的中孔。

22不同方式計算的比表面積

通過不同方式計算的比表面積見表2。其中BET比表面積等于t-plot外表面與微孔表面積之和，表中等溫曲線的平臺越高，比表面積越大，其中采用NLDTF法測出的比表面積與BET比表面積較接近，說明樣品中均以微孔為主。采用氯化鋅活化的樣品具有較高的比表面積，用相同活化劑處理的樣品BET比表面積較為接近，但相同活化劑處理的不同樣品比表面積差異較為明顯，說明原料對比表面的影響較為顯著。

23不同方式計算的比孔容

通過不同方式計算的比孔容見表3。不同原料在不同活化劑處理下比孔容與比表面積的變化規(guī)律有部分差別，說明在活性炭燒蝕過程中孔道有坍塌。

24NLDTF計算的孔徑分布

從圖4～6中可以看出，原料在不同活化劑中活化后孔徑主要分布于2nm以下的微孔范圍內(nèi)，既有極微孔又有超微孔，只有極少部分的中孔，基本沒有大孔分布在微孔區(qū)。氯化鋅活化的樣品孔徑絕大部分布在微孔區(qū)，極少分布在中孔區(qū)，氫氧化鉀活化樣品在中孔區(qū)分布較多，結(jié)果與等溫曲線相印證。

根據(jù)BJH理論[6]計算出的中孔孔徑分布見圖7～9。原料在不同活化劑中活化后中孔孔徑在2～10nm有集中分布，部分樣品在20～50nm有分布。

3結(jié)論

不同原料在相同工藝參數(shù)，不同活化劑下得到的孔徑分布相對一致，僅在比表面積、孔容方面存在一定差異。

參考文獻

[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，喬文明，尹圣吳.不同結(jié)構(gòu)活性炭對甲苯等吸附性能[J].新型炭材料，2005，20（04）：294-298.

[4]劉振宇，鄭經(jīng)堂，王茂章，張碧江.PAN基活性炭纖維的表面及其孔隙結(jié)構(gòu)解析[J].化學物理學報，2000（04）：473-480.

[5]趙振國.吸附作用應(yīng)用原理[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[6]陳鳳婷，曾漢民.幾種植物基活性炭材料的孔結(jié)構(gòu)與吸附性能比較——（I）孔結(jié)構(gòu)表征[J].離子交換與吸附，2004（02）：104-112.

（責任編輯常陽陽）