微波法制备活性炭的工艺研究

论文题目： 微波法制备活性炭的工艺研究 学 院： 材料工程学院 专业年级： 化学工程与工艺_2005 级 学 号： 051060053 姓 名： 李建雄 指导教师、职称： 谭非 讲师 2009年 5 月 17 日福建农林大学毕业论文1Study on chemical activation for preparation of activated carbon from pine by microwave heatingCollege： Material Engineering College Specialty and Grade： Chemical Engineering and Technique，Grade 2005 Number： 051060053 Name： Li Jian-xiong Advisor： Lectuer Tan Fei Submitted time: May 17，2009 目 录摘要： .1Abstract： .2一 引言 .31、立题意义 .31.1 国内外活性炭的制备 .31.1.1 物理法 .41.1.2 化学法 .41.2 微波法制备活性炭 .52 国内外的研究存在问题 .63 主要反应机理 .7二、实验原料与实验方法 .81 主要研究内容 .82 仪器装置 .82.1 主要试验仪器 .82.2 主要仪器装置图 .93 试验原料试剂 .94 方法 .94.5 性能测定 .10三、结果与分析 .111 浓度的影响 .112 浸渍时间的影响 .123 微波功率的影响 .134 微波时间的影响 .145 孔隙结构的分析 .165.1 N2吸附等温线分析 .165.2 孔容积和比表面分析 .175.3 孔径分布分析 .17四、结论 .18五、参考文献 .19致谢 .21福建农林大学毕业论文1摘要：研究了以马尾松木屑为原料，碳酸钾为活化剂，用微波法制备活性炭的工艺流程。以亚甲基蓝吸附值及活性炭得率为指标，考察了活化剂浸渍时间，浸渍浓度，微波作用时间及微波功率对制备活性炭的影响。以单因素实验分析方法，分析确定了各个因素的影响作用，并对制备的活性炭的吸附等温线及活性炭的比表面积进行了考察。关键词：活性炭 微波加热 碳酸钾 吸附 松木福建农林大学毕业论文2Abstract：This paper studied the potassium carbonate as the chemical activator for activated carbon form pine by microwave heating.The performance of activated carbon is tested by methylene blue adsorption and the yield of activated carbon . The effects of impregnating time and activation time, chemical activator concentration, microwave power on the properties of activated carbons were studied. By using single factor test, the effect of every factor for adsorption of activated carbon is studied.The adsorption isotherm and special surface area of activated carbon is analyzed and classified.Key words：activated carbon microwave heating potassium carbonate adsorption pine 福建农林大学毕业论文3一 引言1、立题意义活性炭是用烟煤、褐煤、果壳或木屑等多种原料经炭化和活化过程制成的黑色多孔颗粒，是由微晶炭和无定型炭构成，含有数量不等的灰分。其最大特点是具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积(500-3000 m2/g)，吸附性能良好 1。由于它作为一种优质的吸附剂具有独特的孔隙结构(按 IUPAC 分:微孔(50nm)和表面官能团(如羧基、羰基、羟基、内酯等)，对气体、溶液中的有机或无机物质以及胶体颗粒等有很强的吸附能力，具有足够的化学稳定性、机械强度及耐酸、耐碱、耐热、不溶于水和有机溶剂，使用失效后容易再生等良好性能，使它在各行各业有着广泛而重要的用途 2。活性炭的生产近年来得到了迅速发展，国内外大多采用煤、木质材料或石油焦作为原料来制备各种活性炭。活性炭的产品除了粉状炭、破碎炭、柱状炭以外，现在又出现了 0.01-10um 的超细活性炭粉末、蜂窝状活性炭、板状活性炭、活性炭丸等 3。在许多应用方面还出现了专用活性炭，如适合于除去气体或废气中烷基硫化物的涂镍活性炭、柠檬酸专用活性炭等。活性炭的应用也从最初的简单吸附扩展到医药、食品、环保、电子、化工、农业、国防等众多领域 4。1.1 国内外活性炭的制备早年制备活性炭的主要原料是木材、锯屑、果壳等林产品，由于资源有限，原料的来源逐步转向储量丰富、价格低廉的煤炭。以煤为原料的活性炭发展很快，应用范围和数量也在迅速扩大，目前煤质活性炭产量已经超过了木质活性炭。近年来，多用农林副产品、纸浆废浆、劣质煤和煤矸石等许多含碳的工业废料，制造价格低廉或具有特殊性能的活性炭 5-9。国内外利用废弃材料制备活性炭，以谋求廉价原料的探索受到了重视，如采用废塑料、废橡胶、纸浆废液、石油副产品等原料制得的活性炭，有的已投入应用，这种有效的变废为利的方法前途甚广。活性炭的制备方法主要分为两大类:物理法和化学法,而加热方式也有两种类型，即常规加热法和微波加热法。因此制备活性炭的方法通过组合变得丰富起来。但是无论怎么组合，整个制备过程都可分为炭化和活化两个阶段。福建农林大学毕业论文41.1.1物理法首先对原料进行炭化，即含碳有机物在热的作用下发生分解，非碳元素以挥发分的形式逸出，生成富碳的固体热解产物，然后用水蒸气、二氧化碳或空气等氧化性气体活化，使热解产物形成发达的微孔结构。炭化温度一般为 600，活化温度一般在 800-900之间 10。目前国内多采用物理活化法制备煤基活性炭。气体活化粉末活性炭的制造过程如下所示:原料 炭化 筛选 活化 洗涤干燥水蒸气1.1.2化学法先用氯化锌、磷酸、硫酸等化学试剂 4.10.11浸渍含碳的原料，然后在一定温度，惰性气体保护下直接得到活性炭 12。这些活化剂多数具有脱水作用，从而有利于炭质材料在活化过程中产生大量微孔。近年来，人们又探索出用氢氧化钠、氢氧化钾、硫酸、硫化钾、碳酸钾等钾的化合物作为浸渍剂，收到较好的效果 13我国学者以石油焦、煤沥青、核桃壳等为原料 14。采用 KOH, NaOH 等碱金属或碱土金属化合物作活化剂制得了比表面积在 3000-3600m2/g 的高比表面积活性炭。中科院山西煤炭化学研究所用灰分、杂质含量低的石油系沥青为原料，采用 KOH 活化法，制备出比表面积为 3600 m2/g 的活性炭 15。乔文明等以氧化沥青为原料，经 KOH 活化得到比表面积在 3000 m2/g 左右的活性炭 16。刘海燕等以石油焦为原料，通过 KOH 活化得到比表面积在 3000 m2/g 左右的活性炭 17。日本大阪煤气公司，用中间相沥青微球为原料，采用 KOH 活化法制得比表面积高达 4000 m2/g 的活性炭 18。美国和日本采用福建农林大学毕业论文5KOH 化学活化制备活性炭已经实现了工业化。各种活化方法都有其优点和缺点 19。物理活化对环境污染小，因其是依靠氧化碳原子形成孔隙结构，故活性炭的收率不高，且活化温度较高，需先进行炭化再活化。而化学活化法是炭化活化一次完成，有利于形成尺寸较小的碳微晶，容易形成细的孔隙结构，可以制造出孔隙更发达、吸附性能更好的活性炭，炭的相对得率较高。1.2 微波法制备活性炭微波是一种频率为 0.3-300GHz 的非电离电磁能。在加热过程中，极性分子接受微波能后，分子偶极以每秒数亿次的高速旋转产生热效应，改变了常规加热需要在温度梯度的推动下，经历热源的传导、媒介的对流传热、容器壁的热传导、样品内部的热传导等过程微波能使物料在瞬间得到或失去热量来源，表现出对物料加热的无惰性此外同一物料中不同组分在微波场中具有差异较大的加热速率微波加热还同时微波加热不需要高温介质，绝大部分微波能量被介质吸收转化为升温所需要的热量，降低了常规加热中发生的设备预热、加热热损失和高温介质热损失等。正是由于微波加热具备以上所述的特殊加热机制，宏观表现出选择性加热、加热均匀、热效率高、清洁无污染、启动和停止加热迅速以及甚至可以改善材料性能等优越特征。目前微波加热技术已经广泛应用于冶金、材料、环保、化工、农业、石油、家庭和国防等领域 20。微波加热在活性炭制备中的应用过程中，含碳原料本身既作为发热体，微波又选择性加热含碳原料，形成了一个内加热系统，因此不再需要加热含碳原料的设备，提高了热利用率，降低了能耗。把微波加热的优越性应用于活性炭制造领域中，即利用微波对物质产生的化学效应、极化效应等来促进物质中反应快速、充分地进行，从而达到比常规加热方法更好的效果，为活性炭制造领域的发展开辟了一条崭新的路子。因此，本论文结合化学活化法与微波加热法，即运用微波化学活化法制备出高性能的松木活性炭，并对其工艺进行研究。目前国内外在微波加热制备、处理活性炭方面进行了一些相关研究。其中运用微波化学活化法进行研究的有：彭金辉 21利用微波一氯化锌活化法以木屑为原料成功地制备了活性炭。福建农林大学毕业论文6张建坤，彭金辉等 22曾经以黑荆树皮拷胶制备了亚甲基蓝吸附值为 180mg/g 的活性炭。樊希安，彭金辉等 23以竹节为原料得到了微波一氯化锌活化法的最佳工艺条件。林秀兰 24用微波加热黑荆木材氯化锌法在活化时间为 5min 下得到亚甲基蓝吸附值为 240mg/g 和 A 法焦糖脱色率大于 100%的活性炭，得率为 43.3%。陈金根等 25用氯化锌一微波法以毛竹为原料制备了亚甲基蓝吸附值为217.5mg/g 的活性炭。彭金辉 26用微波一磷酸活化法以松木屑为原料，在浓度为 40%的磷酸溶液中浸渍 15h 后在 800W 的微波功率下加热 10min 得到了粉状活性炭得率为 35.5%、A 焦糖脱色率大于 100%、亚甲基蓝吸附值 195mg/g，pH 为 5。蒙冕武等 27得到了磷酸-微波法新工艺制备甘蔗渣活性炭。樊希安，彭金辉等 28探讨了微波加热烟杆氯化钱法制备活性炭的新技术，活性炭产品的碘吸附值为 749.3mg/g。王万森等 29研究了以稻壳为原料，在炭化后不加活化剂而直接用微波活化，活化后用碱煮等成功地制备了活性炭。丁之恩等 30采用微波加热山核桃壳磷酸活化法制备了活性炭。陈丛瑾等 31，32 以中密度纤维板厂废料、马占相思木材废料为原料，采用微波加热磷酸法制备了活性炭。庄凯等 33以炭化椰壳为原料，微波活化制备出高比电容量双电层电容器用活性炭。吴炳智等 34以氯化锌为活化剂，采用微波加热甘蔗渣制备了活性炭，在最佳工艺条件下制得活性炭的比表面积为以上。蒋文举等 35，36 以玉米秸秆为原料、氯化锌为活化剂、微波为能源制备活性炭，通过正交试验，获得制备玉米秸秆活性炭的最佳工艺条件。本次实验采用的是微波化学活化法，以松木屑为材料，以碳酸钾为活化剂制取活性炭。通过微波辐射加热代替常规方式加热，能使物料内外部同时加热、升温，加热速度快且均匀，仅需常规加热时间的几分之一或几十分之一就可达到造孔的目的。通过研究摸索其工艺条件以及确定微波处理后活性炭的性质。福建农林大学毕业论文72 国内外的研究存在问题微波辐射制备活性炭还主要处于实验室研究阶段 ,较少进行放大性中试试验研究。这一新领域的许多理论性问题特别是微波加热机理需要进一步深入研究,需要建立加热过程的数学模型, 而与工艺相关的过程反应机理研究也仍需进一步的深入：如常规加热与微波加热条件下所制备的活性炭结构究竟存在何种差异微波独特的加热方式条件下物料升温特性如何，以及会对炭化、活化过程造成何种影响。目前的微波制备活性炭实验，大部分是将家用微波炉加以简单改装进行的,安全性及效率都不是很好 ,限制了该领域研究的发展。另外 ,微波加热使吸附质脱附过程中是否有其它的中间产物产生、解吸过程中的动力学特征、水蒸气存在时对活性炭系统解吸影响、微波辐射过程中的温度控制、大型微波加热器的设计等方面还有待进一步研究 37。3 主要反应机理因松木屑为纤维质所构成的植物原料,由于毛细管的作用,水和碳酸钾被吸收于原料的整体,充满各纤维之间的细微空间,使原料润湿膨胀。水和碳酸钾是极性分子,为强吸收微波的物质。因此,在微波辐照下,物料内部迅速被加热从而进行炭化活化过程。这个过程可以分为以下3个阶段：第一阶段是脱水干燥阶段。由于水的吸波性能远大于木屑物料，所以水吸收微波能量，从木屑中脱除，从物料在微波场中的升温速率可以看出，此时出现一个平台。第二阶段是快速升温