高温炭化法制备竹炭的研究

1、高温炭化法制备竹炭的研究论文摘要：采用高温炭化法制备竹炭。研究了温度、保温时间和升温速率对竹炭吸附性能的影响，并通过N 吸附等温线对其孔结构进行表征。结果说明，随着温度、保温时间的增大，竹炭的亚甲基蓝吸附值和碘吸附值呈现逐步增长的趋势；升温速率的提高，促进了炭素前驱体石墨化程度的提高，不利于竹炭孔隙结构的兴旺；高温炭化法可以制得微孔、中孔、大孔较兴旺的竹炭。在较佳的实验条件下，高温炭化法可制得竹炭的亚甲基蓝吸附值和碘吸附值分布为280mg/g和947.3mg/g。论文关键词：高温炭化,竹炭,吸附竹材作为一种多孔介质材料，热解后形成的竹炭具有特殊的孔隙结构，且有一定的比外表积，广泛用于调湿、有害

2、气体的去除以及水体中有机污染物和重金属的去除。近年，随着竹材加工工业的开展，在其加工过程中，将出现很多竹刨花、竹屑等加工剩余物，企业一般将其作为燃料，如果将竹材及其副产品用于制备竹炭、竹活性炭等环节友好型吸附材料，可为竹炭、竹活性炭的制备提供良好的原料来源。本研究采用高温炭化的方法制备竹炭，讨论了炭化温度、保温时间和升温速率对竹炭吸附性能的影响，并对其进行表征，以期为竹炭的制备和应用提供理论根底。1材料与方法1.1原料以南平邵武市产的毛竹为原料 亚甲基蓝 (mg/g) 碘值(mg/g) 500-5-4 32.78 32.5 546.0 600-5-4 26.86 35.5 593.3 700-

3、5-4 21.39 38.5 681.2 800-5-4 17.05 121 823.2 900-5-4 14.71 235 873.9 1000-5-4 8.31 182.5 842.1 900-5-2 17.92 175 725.1 900-5-4 14.71 235 873.9 900-5-6 10.15 280 947.3 900-5-8 7.84 283 972.5 900-5-10 2.06 302.5 1032.8 900-3-4 14.01 212.5 809.4 900-5-4 14.71 235 873.9 900-10-4 15.65 227.5 833 900-15-4

4、 14.32 230.5 819.3 注：500-5-4表示500-5/min-4h2结果与讨论2.1温度的影响为了解炭化的温度对竹炭性能的影响，研究以5/min的升温速率到5001000，保温4h制备竹炭，结果列于表1。由表1可知，随着炭化温度的升高，竹炭的得率呈现不断下降的趋势，从500的32.78%降低到1000的8.31%，这是由于随着温度的升高，竹屑热分解反响进行得剧烈，烧失增大，得率降低。亚甲基蓝吸附值和碘吸附值呈现先升后降的趋势，在500700时变化不大，700900时，有了较大的增加，分别从700的38.5mg/g和681.2mg/g上升到900的235mg/g和873.9mg

5、/g，而当温度继续上升到1000时，又有所下降。这是由于温度高时，反响进行的比拟剧烈，能在较短的时间内，生成兴旺的微孔，但温度过高时，反响进行的太快，反而会使微孔进一步烧失成中孔或大孔。2.2保温时间的影响为了解保温时间对竹炭性能的影响，研究以5/min的升温速率到900，保温210h制备竹炭，结果列于表1。由表1可知，随着保温时间的延长，竹炭的得率呈现不断下降的趋势，从2h的17.92%下降到1000的2.06%，这是由于随着保温时间的延长，热分解反响进行得越充分，烧失增大，得率降低。亚甲基蓝吸附值和碘吸附值呈现逐渐上升的趋势，其中24h有较大的增加，分别从2h的175mg/g和725.1m

6、g/g增加到4h的235mg/g和873.9mg/g，46h阶段，也有较大的增长趋势，6h时分别到达280mg/g和947.3mg/g，610h阶段，变化较小，根本到达平衡。这是由于保温时间太短，活化反响进行得不够充分，氧气只在物料的表层发生反响，没有足够的时间进入里层进行反响，所以吸附性能比拟差。保温时间太长，活化反响进行得比拟充分，在孔隙结构生成的同时，也有大量的孔隙结构被烧失，故吸附性能变化不大。2.3升温速率的影响为了解升温速率对竹炭性能的影响，研究以315/min的升温速率到900，保温4h制备竹炭，结果列于表1。由表1可知，随着升温速率的提高，得率、亚甲基蓝吸附值和碘吸附值均呈现先

7、升后降的趋势，得率在10/min到达最大，为15.65%，而亚甲基蓝吸附值和碘吸附值在升温速率为5/min到达最大，分别为235mg/g和873.9mg/g。这是由于升温速率的提高可使木质原料的热分解加快，气体释放的速率加快，烧失增多，短时间内产生较多适宜的游离基，而且气体析出速率增加，促进了炭素前驱体石墨化程度的提高，不利于竹炭孔隙结构的兴旺。由表1还可知，得率、亚甲基蓝吸附值和碘吸附值随升温速率的升高，变化不大，总体保持平衡，说明升温速率对其影响不大。2.4N吸附等温线的分析吸附等温线常用来表示吸附系统的平衡状态，还可以用来计算吸附剂的比外表积、孔隙体积和孔径分布等。图1描述了900，保温

8、28h的竹炭吸附等温线。由图1可以看出，不同保温时间的N吸附等温线的形状相似，氮气吸收量的增加不仅在低相对压力下，而且在整个压力范围内也是明显的。按国际纯化学和应用化学协会IUPAC的分类，该类等温线属于型和型的结合型，说明该竹炭具有较兴旺的中孔和微孔。由图1明显看出，随着保温时间的延长，竹炭对氮气的吸附能力也随之升高。在相对压力小于0.1时，微孔被完全填充，而随着相对压力的进一步增大，对应的吸附容积也不断增大该阶段为中孔的填充过程，说明具有兴旺的中孔结构。当相对压力大于0.9时，氮气吸附量那么出现较大的增加，即吸附等温线有脱尾;现象，说明大孔也较兴旺。根据以上分析可知，竹炭具有兴旺的微孔、中

9、孔、大孔结构，且随温度的升高，孔隙结构越兴旺。由图1还可知，6h和8h的吸附等温线比拟接近，说明这两种条件下制得的竹炭孔隙结构差不多，时间的延长对其孔隙结构影响不大。而26h的吸附等温线在对应的相对压力下，有较大的变化，说明在该阶段，随着保温时间的延长，有利于竹炭孔隙结构的兴旺。3结论1随着温度、保温时间的增大，竹炭的亚甲基蓝吸附值和碘吸附值呈现逐步增长的趋势。升温速率的提高，促进了炭素前驱体石墨化程度的提高，不利于竹炭孔隙结构的兴旺。2根据N吸附等温线的分析，高温炭化法可以制得微孔、中孔、大孔较兴旺的竹炭。3在较佳的实验条件下，高温炭化法可制得竹炭的亚甲基蓝吸附值和碘吸附值分布为280mg/

10、g和947.3mg/g。参考文献3 张齐生.重视竹材化学利用、开发竹炭应用技术.南京林业大学学报,2002,25(1):1-4.7 Song-Yung Wang,Ming-Hsiu Tsai,Sheng-Fong Lo,et al.Effects of manufacturing conditions on the adsorption capacity of heavy metal ions by Makino bamboocharcoal.Bioresource Technology,2021,99(15):7027-7033.9 Kei Mizuta,Toshitatsu Matsumoto,Yasuo Hatate,et al.Removal of nitrate瞡itrogen from drinking water using bamboo powder charcoal.Bioresource Technology,2004,95(3):255-257.11 R.Arriagada,R.Garca,M.Molina-Sabio,et