廢紡織品制備生物炭的方法及其性質(zhì)分析

謝偉雪

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730021）

1 引言

作為一個紡織生產(chǎn)和消費(fèi)大國，我國每年對紡織原料的需求巨大。隨著人們生活水平的提高，棉麻紡織品的使用周期越來越短，紡織品生產(chǎn)過程產(chǎn)生的邊角廢料及人民生活中淘汰的廢舊紡織品數(shù)量劇增，帶來了巨大的環(huán)境壓力。我國每年產(chǎn)生的與纖維有關(guān)的廢棄物不僅造成了驚人的浪費(fèi)，對環(huán)境的污染也越來越嚴(yán)重，所帶來的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失也越來越大。我國目前還沒有建立廢舊衣物分類處理制度，大量的廢舊紡織品被當(dāng)作垃圾掩埋、焚燒，合成纖維、人造纖維留在地表面可長達(dá)數(shù)年之久。在這個過程中，會產(chǎn)生有害氣體和難降解物質(zhì)，既造成了資源浪費(fèi)，又污染了環(huán)境。

生物炭是在缺氧或無氧環(huán)境下，由生物質(zhì)裂解形成的一種富碳物質(zhì)。熱解炭化是一個復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，在炭化過程中，原料中的纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)發(fā)生了熱解，產(chǎn)生一些小分子含碳有機(jī)物和無機(jī)物等物質(zhì)。目前關(guān)于利用木質(zhì)廢棄物如秸稈等含有的豐富纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等成分來制備生物炭的研究較多［1］，但對于廢衣物制備生物質(zhì)炭的研究很少。本文以廢紡織品為對象，首先分析生活垃圾中廢紡織品預(yù)處理過程中處理劑和粉碎的粒徑對制備生物炭的影響，然后對廢紡織品制備出的生物炭從炭化溫度、生物炭產(chǎn)率、生物炭含量、生物炭碘吸附量和生物炭電鏡分析等方面進(jìn)行分析研究。

2 試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)所用的廢紡織品來自廢品回收站，生物炭吸附性能指示劑為碘溶液，所用化學(xué)試劑都為分析純。

主要儀器：粉碎機(jī)、電熱鼓風(fēng)干燥箱、真空管式爐、MIN QUAN MQD-B3R振蕩器、DL-5-B離心機(jī)、NA-300型空氮一體機(jī)、水浴鍋、Phenom Pro SEM電鏡等。

3 結(jié)果與分析

3.1 廢紡織品的預(yù)處理方法

紡織品可以為棉毛紡織品或麻紡織品，將廢紡織品原樣放入燒杯中，放入水浴中加熱至80℃，加入含有硝酸鹽和磷酸鹽的混合液中浸漬并不斷攪拌，恒溫30 min后擠出水分，于60℃下熱風(fēng)干燥，得到預(yù)處理物［2］。將預(yù)處理的樣品和無處理的樣品分別在熱解溫度為350℃和400℃條件下進(jìn)行熱解炭化制備生物炭并分析，分析結(jié)果見圖1。

圖1 處理劑對生物炭產(chǎn)率的影響

由圖1可以看出，在同一炭化溫度（350℃或400℃）下，有處理劑廢紡織品制備出的生物炭產(chǎn)率高于無處理劑組的生物炭產(chǎn)率。其中，炭化溫度為350℃時，有處理劑廢紡織品制備出的生物炭產(chǎn)率為49%，比無處理劑組的生物炭產(chǎn)率高15%；炭化溫度為400℃時，有處理劑廢紡織品制備出的生物炭產(chǎn)率為44%，比無處理劑組的生物炭產(chǎn)率高20%。這可能是采用含有磷酸鹽和硝酸鹽的處理劑對紡織品進(jìn)行預(yù)處理的結(jié)果，磷酸鹽含有磷元素，硝酸鹽含有氮元素，二者均可作為無機(jī)阻燃劑，能夠降低炭化的溫度，提高纖維狀生物炭的產(chǎn)率。

3.2 廢紡織品粒徑粉碎的方法

將處理后的廢紡織品進(jìn)行烘干，處理物的含水率小于10%。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若含水率太高，會增加熱解過程的傳質(zhì)速度和熱解溫度。將烘干后的處理物粉碎為粒徑小于等于20目的粉狀物，若粉狀物的粒徑大于20目，在相同條件下炭化不完全，終產(chǎn)物的顏色呈灰色而不是黑色。而且隨著粒徑的增大，炭化溫度也隨之增加，需要較高的炭化溫度，不經(jīng)濟(jì)［3］。

3.3 廢紡織品制備生物炭的分析

3.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將粉狀物在惰性氣體氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下以5～8℃/min的升溫速率升溫至280～480℃，炭化0.5～2.0 h，得到生物炭性質(zhì)與炭化反應(yīng)溫度的對應(yīng)關(guān)系，見表1。

表1 生物炭性質(zhì)與炭化反應(yīng)溫度的對應(yīng)關(guān)系

3.3.2 實(shí)驗(yàn)分析

3.3.2.1 炭化溫度分析

由表1可以看出，炭化溫度范圍為280～480℃時，生物炭的產(chǎn)率為31%～68%。炭化溫度越高，纖維狀生物炭的產(chǎn)率越低，因?yàn)闇囟仍礁?，產(chǎn)生的液體和氣體越多，相應(yīng)產(chǎn)生的固體就越少［4］。炭化溫度越低，纖維狀生物炭的產(chǎn)率越高，然而，炭化溫度越低，炭化就越不完全，使得終產(chǎn)物中含有部分未炭化原料，其顏色呈灰色而不是黑色。

3.3.2.2 生物炭含碳量分析

由表1可以看出，炭化溫度范圍為280～480℃時，生物炭的含碳量為55%～78%。碳含量越高越有利于碳儲存，具有較高含碳量的生物炭不僅可以減少肥料的用量，還可以減少溫室氣體的排放，對實(shí)現(xiàn)碳減排將非常有意義。

3.3.2.3 生物炭碘吸附值分析

生物炭的吸附能力采用碘吸附值為指標(biāo)，碘吸附值是根據(jù)GB/T 12496.8—1999《木質(zhì)活性炭試驗(yàn)方法 碘吸附值的測定》進(jìn)行測定的［5］，因?yàn)樯锾亢突钚蕴康男再|(zhì)非常相似，因此可采用木質(zhì)國標(biāo)。

由表1可以看出，炭化溫度范圍為280～480℃時，生物炭碘吸附值為3 800～4 500mg/g。碘吸附值很高，說明該生物炭中孔和微孔很發(fā)達(dá)，對小分子物質(zhì)吸附能力很強(qiáng)。

3.3.2.4 生物炭電鏡分析

將廢紡織品處理樣粉末和制備出的生物炭粉末，放在載物片上，裝入樣品后，噴吹1 min進(jìn)行粉末分散，裝入Phenom Pro SEM電鏡分析儀下進(jìn)行觀察。樣品取不同位置觀察［6-7］，結(jié)果見圖2。

圖2 廢紡織品處理樣及生物炭SEM圖

由圖2可以看出，廢紡織品經(jīng)炭化后，制備出的生物炭表面結(jié)構(gòu)松散，出現(xiàn)了很多吸附孔，吸附能力增強(qiáng)，這與其碘吸附值的分析結(jié)果相符合。

3.3.2.5 生物炭制備過程氣體的回用

廢紡織品制備生物炭過程中，采用低升溫速率，會產(chǎn)生少量的氣體。為了增加原料的傳熱系數(shù)、提高氮?dú)獾臏囟群蜌怏w的回用，將出口處的氣體通過氣泵使其回流到進(jìn)口處，并隨著氮?dú)庠俅瘟鹘?jīng)反應(yīng)體系，實(shí)現(xiàn)炭化過程產(chǎn)生氣體的循環(huán)流動和回用，減少氣體排放量，保護(hù)大氣環(huán)境。

4 結(jié)論

（1）用含有硝酸鹽和磷酸鹽的混合液處理劑對廢紡織品進(jìn)行預(yù)處理后，能夠降低炭化的溫度，提高纖維狀生物炭的產(chǎn)率。

（2）廢紡織品制備生物炭的粒徑小于等于20目、含水率小于10%時，將會提高熱解炭化的效果和產(chǎn)率。

（3）炭化溫度范圍為280～480℃時，生物炭的產(chǎn)率為31%～68%，生物炭的含碳量為55%～78%，生物炭碘吸附值為3 800～4 500mg/g。生物炭產(chǎn)率較高，碳含量較好，碘吸附值很高。生物炭表面結(jié)構(gòu)松散，吸附能力增強(qiáng)，說明該生物炭品質(zhì)良好，吸附作用強(qiáng)。同時生物炭制備過程中產(chǎn)生的氣體實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動和回用，減少了氣體排放量，保護(hù)大氣環(huán)境。

（4）廢紡織品制備的生物炭可用于土壤修復(fù)、大氣污染和水污染吸附污染物等領(lǐng)域。