炭基材料的制备综述

1、炭基材料的制备及其吸附性能研究专业班级：应化 0904 姓名：金红英 学号： 2009310201021 摘要 ：本文以木材锯末为原材料，经过马沸炉在无氧条件下加热得碳基材料 并对其吸附性能进行研究。对原材料加热不同时间后，取不同加热时间、相 同质量的炭基材料、在相同的条件下对相同浓度的苯酚进行吸附至达到饱 和，用吸光光度法测剩余苯酚浓度，计算饱和吸附量，根据饱和吸附量的大 小反映加热时间对炭基材料吸附性能的影响。根据实验结果，加热 3h 时对 苯酚的饱和吸附量最大。对原材料在不同的温度下加热相同的时间后取等量 的炭基材料，同样在相同的条件下对苯酚进行吸附至饱和，根据饱和吸附量 的大小反映加热

2、的 温度 对 炭基材 料吸附性能的 影响，实验 发现在温度为 600 C所制得的炭基材料吸附性能最好。 最后取吸附性能最好的炭基材料对 苯酚进行吸附，在不同试验温度下测动力学曲线，研究吸附温度对吸附的影 响，并推测炭基材料对苯酚的吸附方程式，研究结果表明温度越低，对苯酚 吸附达到平衡的时间越短，即吸附速率越快。且其对本分的吸附符合为准二 级方程。实验过程中还对苯酚的初始浓度对吸附的影响进行了研究，结果是 苯酚初始浓度越大，相同的炭基材料的饱和吸附量越大，在有误差存在的情 况下，大致与理论相符。关键词 ：木屑，炭基材料，饱和吸附量，吸附性能，苯酚，吸光光度法1、前言一：木屑的应用 木材综合利用率

3、是衡量一个国家林产工业水平的重要标志，我国年伐木材 约 5000 多万立方米，其中约有 4 0 经制材加工 ，这其中有 l0 左 右的木材变成木屑，困此我国年产木屑量约相当 200 万立方米木材，但其中 大部分未被 利用 。锯木屑的利用途径很多，用作制板原料、土壤改良剂 、 生产胶粘剂及一 些化工原料、 栽培食用菌、 生产木屑塑料制品、 制取酒精 、 提取燃油和汽油、生产菱镁矿制品、处理工业废水、加工饲料作家畜敷料和 堆肥、加工成燃料、制作横压成型产品等 ，其中有的在我国己得到较广泛 的应用 。近几年，我国对 锯木屑的加工利用已逐渐加以重视 ，将其视为 提高木材综合利用率，缓解我国 材供需矛盾

4、的一项重要措施，不同部门针 对各自的应用实际开发成功许多利用 锯术屑的新产品，如果加以实际推广 应用将会产生较大的 经济效益和社会效益。木屑除了上述各种应用之外还 有一个非常大的用途，那就是制作炭基材料的非常好的原材料，炭基材料在 生活的各个方面都有应用，因此研究廉价的木屑制作的炭基材料的性能具有 很重要的现实意义。二炭基材料的分类及结构特性 最常见的炭基材料有活性炭、活性焦以及活性碳纤维等。1、活性炭 (Activated Carbon ， AC) 活性炭是最常见的炭基材料之一，其是由石墨微晶构成，其孔结构十分 复杂，孔径分布范围很宽，从几个纳米的微孔到肉眼可见的大孔，孔的形状 也是各式各样

5、，广泛应用于各种工业生产过程之中 . 按照IUPAC的规定 , 微孔 是直径为 02 nm的孔 , 中孔是直径为 250 nm的孔 , 而大孔是直径为大于 50nm的孔。其比表面积为 300 2500m2 gu“，外观为黑色无定型粉末或颗 粒状。活生炭中微孔对活性炭吸附量起着支配作用，中孔和大孔一般为吸附 质分子的进入通道，吸附质在通道内的扩散过程的快慢也会影响吸附量的大 小。制备方法怎样制作活性炭 ?活性炭制作流程有哪些？简而言之，活性炭的制作分碳 化及活化两步。一、活性炭的制备首先要对原料进行碳化。碳化也称热解，是在隔绝空 气的条件下对原材料加热，一般温度在 600以下。有时原材料先经无机

6、盐 溶解处理后再碳化。活性炭原材料经碳化后，会分解放出水气、一氧化碳、 二氧化碳及氢等气体 ; 原料分解成碎片，并重新结合成稳定的结构。这些碎 片可能是由一些微晶体组成。微晶体是由两片以上的、有碳原子以六角晶格 排列的片状结构堆积而成。但堆积无固定的晶型。微晶体的大小和原材料的 成份和结构有关， 并受碳化温度的影响， 大致是随碳化温度的升高而增大的。 碳化后微晶体边界原子上还附有一些残余的碳氢化合物。二、活性炭半成品进行活化。活化是在有氧化剂的作用下，对碳化后的 材料加热，以生产活性炭产品。当氧化过程的温度在800- 900时，一般用蒸汽或二氧化碳为氧化剂 ; 当氧化温度在 600以下时，一般

7、用空气做氧化 剂。对于活化过程所起的作用，目前只有大致的理解。在活化过程中，烧掉 了碳化时吸附的碳氢化合物，把原有空隙边上的碳氢原子烧掉，起了扩大孔 隙的作用，并把孔隙与孔隙之间烧穿。活化使活性炭变成一种良好的多孔结 构，碳化及活化后的晶体片状结。三、活性炭只有专门的企业才可以生产，而且生产设备不是一般的庞大， 特别是治理装修污染的活性炭，制作工艺更是复杂，而且并不是所有的活性 炭都可以治理装修污染，有些是用来净水的，有些是用来净化空气的，从材 质上分为煤质，木质，果壳等。椰壳活性炭采用椰子壳为原料精制而成，外形为不定形颗粒，具有机械强度高，孔 隙结构发达，比表面积大，吸附速度快，吸附容量高，

8、易于再生，经久耐用 等特点。主要用于食品、饮料、酒类、空气净化活性炭和高纯饮用水的除臭、 去除水中重金属、除氯及液体脱色。并可广泛用于化学工业的溶剂回收和气 体分离等。果壳活性炭果壳活性炭主要以果壳和木屑为原料，经炭化、活化、精制加工而成。 具有比表面积大、强度高、粒度均匀、孔隙节构发达、吸附性能强等特点。 并能有效吸附水中的游离氯、酚、硫、油、胶质、农药残留物和其他有机污 染以及有机溶剂的回收等。适用于制药、石油化工、制糖、饮料、酒类净化 行业，对有机物溶剂的脱色、精制、提纯和污水处理等方面。果壳活性炭被广泛应用于饮用水、工业用水和废水的深度净化生活、工 业水质净化及气相吸附，如电厂、石化、

9、炼油厂、食品饮料、制糖制酒、医 药、电子、养鱼、海运等行业水质净化处理，能有效吸附水中的游离氯、酚、 硫和其它有机污染物，特别是致突变物(THM)的前驱物质，达到净化除杂去异味。还可用于工业尾气净化、气体脱硫、石油催化重整，气体分离、变压 吸附、空气干燥、食品保鲜、防毒面具、解媒载体，工业溶剂过滤、脱色、 提纯等。各种气体的分离、提纯、净化；有机溶剂回收；制糖、味精、医药、 酒类、饮料的脱色、除臭、精制；贵重金属提炼；化学工业中的催化剂及催 化剂载体。产品更具脱色、提纯、除杂、除臭、去异味、载体、净化、回收 等功能木质活性炭木质活性炭是以优质木材为原料，外形为粉末状，经高温炭化、活化及 多种工

10、序精制而成木质活性炭，具有比表面积大，活性高，微孔发达，脱色 力强，孔隙结构较大等特点，孔隙结构大，能有较吸附液体中的颜色等较大 的各种物质、杂质。主要用于食品、酒类、油类、饮料、染料、化工、自来 水净化、污水处理、降 COD、药用活性炭等各种用途脱色 煤质柱状活性炭煤质柱状活性炭选用优质无烟煤为原料，采用先进工艺精制加工而成， 外观呈黑色圆柱状颗粒；具有合理的孔隙结构，良好的吸附性能，机械强度 高，易反复再生，造价低等特点；用于有毒气体的净化，废气处理，工业和 生活用水的净化处理，溶剂回收等方面。煤质柱状活性炭物理、化学性能分 析（GB/T 7701.7-1997）煤质柱状活性炭用于有毒气体

11、的净化，废气处理，工业和生活用水的净 化处理，溶剂回收等方面。并且广泛应用于工农业生产的各个方面，如石化 行业的无碱脱臭（精制脱硫醇） 、乙烯脱盐水（精制填料） 、催化剂载体（钯、 铂、铑等） 、水净化及污水处理；电力行业的电厂水质处理及保护；化工行 业的化工催化剂及载体、气体净化、溶剂回收及油脂等的脱色、精制；食品 行业的饮料、酒类、味精母液及食品的精制、脱色；黄金行业的黄金提取、 尾液回收；环保行业的污水处理、废气及有害气体的治理、气体净化；以及 相关行业的香烟滤嘴、木地板防潮、吸味、汽车汽油蒸发污染控制，各种浸 渍剂液的制备等2、活性炭纤维 （Activated Carbon Fiber

12、， ACF）活性炭纤维是近年来发展起来的一种新型高效的吸附材料，它是继粉末 活性炭和颗粒活性炭之后的第三种形态的活性炭材料。活性炭纤维（ ACF），亦称纤维状活性炭，是性能优于活性炭的高效活性 吸附材料和环保工程材料。其超过50%的碳原子位于内外表面，构筑成独特的吸附结构，被称为表面性固体。 它是由纤维状前驱体，经一定的程序炭 化活化而成。较发达的比表面积和较窄的孔径分布使得它具有较快的吸附脱 附速度和较大的吸附容量，且由于它可方便地加工为毡、布、纸等不同的形 状，并具有耐酸碱耐腐蚀特性，使得其一问世就得到人们广泛的关注和深入 的研究。 制造方法前驱体原料的不同， ACF的生产工艺和产品的结构

13、也明显不同。 ACF的生 产一般是将有机前驱体纤维在低温 200 400 下进行稳定化处理，随后 进行 （炭化）活化。常用的活化方法主要有：用CO2或水蒸汽的物理活化法以及用 ZnCI2 ，H3PO，H2PO4，KOH 的化学活化法，处理温度在 700 1 000 间，不同的处理工艺 （时间，温度，活化剂量等 ） 对应产品具有不同的孔隙结 构和性能。用作 ACF前驱体的有机纤维主要有纤维素基， PAN基，酚醛基， 沥青基，聚乙烯醇基，苯乙烯 / 烯烃共聚物和木质素纤维等活性炭纤维功能化主要通过孔隙结构控制和表面化学改性来满足对特定 物质的高效吸附转化来实现。孔隙结构控制ACF通常适用于气相和液

14、相低分子量分子 （MW=300以下 ）的吸附。当吸附剂 微孔大小为吸附质分子临界尺寸的两倍左右时，吸附质较容易吸附。孔径调 整的目的就是使 ACF的细孔与吸附质分子尺寸相当，通常采用下列方法：1）活化工艺或活化程度的改变（至纳米级） ；2） 在原纤维中添加金属化合物或 其它物质经炭化活化，或采用 ACF 添加金属化合物后再活化（中孔为主） ， 原料纤维预先具有接近大孔的孔径（大孔） ； 3）烃类热解在细孔壁上沉积、 高温后处理（使孔径变小 ） 。 表面化学改性表面化学改性主要改变 ACF 的表面酸、碱性，引入或除去某些表面官能 团。经高温或经氢化处理可脱除表面含氧基团（ 还原） ；通过气相氧化

15、和液相氧化的方法可获得酸性表面。改性需综合考虑物理结构与化学结构的影响。与其他活性炭材料相比，活性炭纤维具有比表面积大、微孔发达、孔径 分布窄、吸脱附速率陕，再生能力强等特点 . 与常规活性炭相比，活性炭纤 维具有非常独特的性能：纤维直径细，与被吸附物质的接触面积非常大，增 加了吸附概率；通道的扩散阻力小，被吸附物质不需要经过大孔和中孔就可 直接扩散到微孔上吸附；大多数孔都直接开口于表面，有利于吸附和脱附的 进行。作为脱硫剂和脱硝剂的载体，活性炭纤维的脱硫活性要远远的高于活 性炭，广泛应用于环保、军事、航空、石油、化工、核工业、汽车、医药、 纺织、食品、电子和卫生等行业。3、活性焦 （Acti

16、vated Coke） 活性焦是一种常见的炭基材料，具有活性炭的特性。即活性焦本身既是 吸附剂，又是催化剂，同时还可以用作催化剂载体。应该说活性焦是一种低 比表面积活性炭，其比表面积一般为 150 400m2gu7J，但是，在各种碳基 吸附剂中，活性焦由于具有价格相对便宜、可获得很高的脱硫脱硝效率、机 械强度高、耐磨损等优点而受到关注。活性焦是优质的吸附剂，它吸附能力强，化学稳定性好，且可很方便地 再生，因此被广泛应用于国防、交通、医药卫生、环境保护等各行各业。其 需求量随着社会经济的发展和人们生活水平的提高呈逐年上升的趋势，尤其 是近年来国际范围内对环境保护的重视，使得活性炭在环保领域的应用

17、前景 十分看好。活性焦是一种具有吸附剂和催化剂双重性能的粒状物质，它具有活性炭 的特点，吸附和催化性能良好，化学性能稳定，能够再生，可重复利用。同 时，它又克服了活性炭价格高、机械强度低、易粉碎等缺点。在环境水、气 污染治理领域，用活性焦代替活性炭，具有更实际的意义。由上述介绍的主要炭基材料的种类及其用途，可以看到炭基材料的使用 给我们的生活带来极大的便利，因此对炭基材料的吸附性能进行研究非常有 意义！由于苯酚是很多种化工产品的原料，如用来合成阿司匹林等药品，以 及一些农药、香料、染料等，因此工业废水中经常含有苯酚，不同工厂制造 业工业废水中苯酚的含量也会有差异，对环境都造成了不同程度的污染。

18、苯 酚不仅具有致畸、致癌、致突变等潜在的毒性，还对神经系统有很大损害， 高浓度苯酚还可以引发神经性病变，且其作用范围特别广，几乎对所有生物 都有毒性，因此研究炭基材料对苯酚的吸附性能的影响对处理低浓度本分含 量的工业废水有很大的经济效益。2. 实验材料及其处理2.1 实验材料伐材木屑、黄沙2.2 主要试剂和仪器2.2.1 主要试剂苯酚化学纯国药集团化学试剂有限公司氨水化学纯上海博奥生物科技有限公司4- 氨基安替比林化学纯国药集团化学试剂有限公司铁氰化钾化学纯国药集团化学试剂有限公司2.2.2 主要仪器DHG-9246 A 型电热恒温鼓风干燥箱上海精密实验设备有限公司AL-204 电子分析天平（

19、0.0001g )梅特勒 - 托利多仪器有限公司SHA-B 恒温振荡器国华企业可见分光光度计上海精密实验设备有限公司粉碎机马弗炉2.3 伐材木屑的处理实验材料为伐材木屑取伐材木屑 500g 在 60烘干 2-3h ，烘干后取出用粉碎 机粉碎，过 20 目筛，获取均匀的木屑，备用。2.4 炭化1. 分别称取伐材木屑 10g 于蒸发皿中，编号为 1，2， 3， 4， 5，盖上滤 纸片，再将黄沙填满蒸发皿剩余空间，置于马弗炉中炭化，设置炭化温度分 别为 300、 400、 500、 600、 700，炭化时间均为 3h. 再分别称取 伐材木屑 10g 于蒸发皿中，编号为 1，2，3，4， 5，盖上滤

20、纸片，再将黄沙 填满蒸发皿剩余空间，置于马弗炉中炭化，设置炭化温度分别为300，炭化时间分别为 1h、 2h、3h、4h、5h.2. 到时间后，将蒸发皿取出，小心刮去上面的黄沙，去掉灰化的滤纸 片，将灰化的木屑分别装入塑料袋中并做好标记。将塑料袋放入干燥器中， 保持干燥。2.5 所需实验试剂的配制1. 用电子天平( 0.0001g )准确称取 5.0000g 的苯酚溶液，溶解稀释， 加入到 250mL的容量瓶中，配制成 20mg/mL苯酚溶液。再取 20mg/mL 苯酚溶 液 1mL于 100mL 容量瓶中，加水定容，配制成 200mg/L 的苯酚标准溶液。2. 缓冲溶液 (pH 约为 10)

21、 ：称取 2g 氯化铵 (NH4Cl) 溶于 100mL 氨水中， 加 塞，置于阴暗处保存。3.2%(m/V)4- 氨基安替比林溶液： 称取 4-氨基安替比林 (C11H13N3O)2g 溶于 水，稀释至 100mL，置于阴暗处保存。4 8%(m/V)铁氰化钾溶液：称取 8g 铁氰化钾 K 3Fe(CN) 6 溶于水，稀 释至 100mL，置于阴暗处保存。2.6 标准曲线的制作1、取 8 支洁净的具塞玻璃试管(带有刻度)，编号后，按下表进行操作最 终所得的溶液。按表 1 进行操作。表 1 苯酚标准曲线的溶液编号 1 2 3 4 5 6 7 815.017.02.55.07.510.012.50

22、.550.50.50.50.50.50.51.00.51.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.01.0561.00162432404864苯酚溶液( mL) 缓冲溶液( mL) 4- 氨 基 安 替 比 林 溶 液 (mL)铁氰化钾溶液 (mL) 苯酚的含量 (mg/L)2 标准曲线溶液吸光度的测定将 8 支试管中的溶液混匀后，在 510nm 比色，以 0 号试管作空白样，到相应 的吸光度度值，如表 2表 2 苯酚标准曲线对应的吸光度值编号12345678苯酚含量（ mg/L）016243240485664吸光度值0.000.1930.2980.3940.4

23、870.6000.7080.80003. 标准曲线图如下3、实验数据处理及结果分析3.1 碳化温度对活性炭吸附性能的影响 取碳化相同时间、不同碳化温度下的制备好的炭基材料相同的量，吸附相同浓度的苯酚足够长的时间至其达到饱和，且其他实验条件完全相同，理 论上根据饱和吸附量的大小可以反映其吸附性能的好坏。称取炭基材料的量均为 m=0.1g，苯酚浓度 c=200mg/L，苯酚体积 V=20ml， 吸附温度均控制在 T=25，碳化时间 t=3h. 实验结果如下：吸附 3 小时后，各项数据碳化温度300400500600700吸光度 A0.340.890.390.080.2582782苯酚浓度 C/28

24、.071.231.97.4220.4-1 mg.L6344饱和吸附量 q /3.432.573.363.853.59mg8854121612图表 1 碳化温度对活性炭吸附性能的影响实验过程中，我们在 1h,2,h ，3h 三个时间点都进行了对苯酚浓度的分析，在吸附两小时都差不多饱和了，其中还有几组一小时就已经达到饱和， 所以最后我们用的是吸附三小时的数据。根据上图显示，在600时饱和吸附量最大，即在上述几个温度中600的碳化温度是伐木锯末碳化后吸附性能最好的温度， 400饱和吸附量最小，也就是说 400碳化，所得炭基材料 的吸附性能最差， 500和 300时的吸附量相差不大。3.2 碳化时间对

25、炭基材料吸附性能的影响取碳化温度相同、碳化时间不同的已制备的炭基材料相同的量，在相同 的实验条件下吸附相同浓度的苯酚相同的量，至其达到饱和后测量饱和吸附 量的大小，饱和吸附量越大，吸附性能越好。碳化温度 T=600,吸附温度 t=25 ,炭基材料质量 m=0.1g, 苯酚浓度 c=200mg/L ，苯酚体积 V=20ml。实验所得数据如下：碳化时间1h2h3h4h5h吸光度 A0.130.700.390.550.6331762苯酚浓度 C/10.956.031.944.550.6-1 mg.L97460饱和吸附量 q /3.782.873.363.102.98mg0286128880图表 2

26、碳化时间对活性炭吸附性能的影响为了确保吸附已达饱和，我们同样测定每隔一小时测一次，测了三次， 最后取反应 3h后的数据。从上图可以看出碳化时间为 1h 时饱和吸附量最大， 碳化 2h 时饱和吸附量处于最低谷， 3h 时在 2h 的基础上提高很多，随后碳化时间越长吸附越差，所以碳化 1h 时是制得炭基材料的最佳时间。3.3 苯酚的初始浓度对吸附的影响根据前两个实验我们可以发现吸附 3h 炭基材料对苯酚的吸附早已达到 饱和，所以我们直接吸附三小时后测苯酚浓度，进而求出饱和吸附量。取不 同浓度的苯酚， 600下碳化 1h 的炭基材料，在 25条件下对其吸附 3h, 测 得数据如下：苯酚初始浓度 C

27、/ mg.L -180120160200240吸光度 A0.0010.1030.1510.2200.452苯酚浓度 C /-1 mg.L0.447.9812.4217.9036.31饱和吸附量 q / mg1.5912.2402.9513.6423.860图表 3 苯酚初始浓度对活性炭吸附性能的影响由上图可以很明显发现，随着苯酚初始浓度的增加，在 200mg/L 前饱和吸附 量的大小几乎是直线上升，而到 200mg/L 后增加的相对较为缓慢，但总体上 认识呈增加的趋势，所以，苯酚初始浓度越大，炭基材料对其吸附的越多。3.4 不同吸附温度下饱和吸附量随时间的变化由于再用吸光光度计测苯酚浓度时，有

28、些浓度太大测不出，需要稀释后 进行测量，所以没给出原始吸光度数据。取碳化时间为600，碳化时间为1h 的炭基材料均 0.1g ，分别在 25， 30。 35， 40， 45下吸附浓度 为 200mg/L 的相同量的苯酚，测得吸附量随时间的变化关系如下吸温 附度 时 间 量25 303540455min1.6392.3240.6061.5380.48810 min2.3262.9411.0522.2221.43215 min2.7033.1921.3922.6071.92620 min2.9413.3821.6672.852.24130 min3.2293.562.0693.1592.52750

29、 min3.4963.7192.563.4482.5670 min3.6723.7892.8573.5892.57990 min3.7033.8333.053.6732.5934.05 0 5 0 5 03 3 2 2 1 1 gm/q量附吸和饱20 4060 80 100吸附时间 t / min50502334图表 4 不同吸附温度条件下 , 吸附量随时间的变化从上图可以看到，在 30时饱和吸附量最大， 45时饱和吸附量最小， 从饱和吸附量的大小来看，基本上符合温度越低炭基材料对苯酚的吸附效果 越好的趋势， ，在苯酚浓度较大时吸附速率很快，岁吸附的时间越长，吸附 速度越来越慢，这也明显反映出

30、了苯酚浓度越大，吸附越快这一特点，与上 面研究苯酚初始浓度对吸附的影响这一实验的结果相一致。就上图图形看， 炭基材料对苯酚的吸附与准二级速率方程t/qt 1/k2q2 t/q2相似，k2 是吸附平衡速率常数， q2 是平衡吸附量，因此我们以时间 t 为横坐标，以 t/qt 为 纵坐标作图后，得到了五条线近似直线。说明炭基材料对苯酚的吸附过程可 以用准二级方程进行描述。4、实验结论综合上述实验结果，我们得出着这样的结论; 用廉价的木屑制作炭基材料时，加热温度为 600，加热时间为 1h 可以得到吸附性能相对来说很好的 炭基材料。炭基材料吸附苯酚时苯酚的浓度越大，同样的吸附剂对其吸附的 越好，而且温度也对吸附有很大影响，一方面温度影响吸附速度的快慢，另 一方面，它还影响饱和吸附量的大小，在考虑实验操作的影响后，炭基材料 对苯酚的吸附速度随温度的升高而降低，并且饱和吸附量也随温度升高而减 小，因此在具体应用时， 应考虑尽量降低操作温度以让其吸附效果达到最好。5. 总结 在本次试验中我们组的人一直保持着积极乐观的心态，随屡遭失败