杨树木屑生产活性炭工艺研究

本科毕业论文题目：杨树木屑生产活性炭工艺研究学院：专业：学号：学生姓名：指导教师：职称：二O一二年六月九日杨树木屑生产活性炭工艺研究摘要活性炭作为一种优质吸附剂，其应用越来越广泛，目前已广泛应用于环境保护、化学工业、食品加工、药物精制军事化学防护等多个领域，是国民经济和国防建设以及人们日常生活必不可少的产品[]。我国拥有十分丰富的农林废弃物，年产量达到7亿吨以上，目前这些数量巨大的农林废弃物除小部分用于农村建材、饲料、肥料之外，其它农林废弃物以效率极低的直接燃烧方式用作炊事燃料，造成了极大的资源浪费和环境污染[]。本研究以制材废弃物杨树木屑为原料，利用一定浓度的磷酸溶液浸渍后加热活化，制备活性炭吸附材料。系统研究了原料的性质对活性炭的得率的影响；通过检测产品的亚甲基蓝吸附力以及焦糖脱色力来考察浸泡时间、活化温度、活化时间、浸渍比、磷酸的波美度等不同的工艺条件对活性炭性能的影响；对相应的活化机理也进行了初步的研究。确立了调控活性炭性能的工艺方法和工艺条件。研究结论如下：磷酸法制备杨树木屑活性炭的最佳工艺参数：浸渍比为2.5︰1，磷酸波美度为45Be′，浸泡时间1小时，活化温度为500℃，活化时间30分钟左右。所制得的活性炭产品的亚甲基蓝吸附值为23，焦糖脱色率为122.5%。关键词：活性炭；杨树木屑；磷酸活化；工艺条件TechnologyresearchforproductionofactivatedcarbonfrompoplarwoodshavingsAbstractActivatedcarbon（AC）isanimportantadsorbent,andisextensivelyusedinindustrysuchasenvironmentalprotection,chemicalindustry,foodprocessing,pharmaceuticalprocessing,andmilitarychemistryetc，isthenationaleconomicandnationaldefenseconstructionandPeople'sDailylifeindispensableproduct.Ourcountryhasveryrichagriculturewaste,theannualoutputreachedsevenmilliontonsabove.Atpresent,thesehugeamountsofagriculturewasteexceptfractionusedforruralbuildingmaterials,feed,fertilizer,forestry,otheroutsidewithefficiencylowwastecombustionmodeusedforcookingfueldirectly,causedagreatwasteofresourcesandenvironmentalpollution.Thisstudysystemmaterialwastepoplarsawdustasrawmaterial,usingcertainconcentrationafterthephosphoricaciddipping,activecarbonadsorptionheatactivationpreparationmaterial.Thenatureofthematerialsystemresearchontheinfluenceoftheactivecarbonratio;Throughtestingtheproductmethyleneblueadsorptiondynamicsandcarameldecoloringforcetoinvestigate,soakingtime,activationtemperatureandactivationtime,impregnationofphosphatethan,thetechnologyconditionsofsuchcorrespondingtodifferentinfluenceontheperformanceoftheactivecarbon;Thecorrespondingactivationmechanismhasalsocarriedonthepreliminarystudies.Establishedcontrolmethodandtechnicalperformanceofactivecarbontechnologyconditions.Researchconclusionsareasfollows:Poplarwoodactivatedcarbonlegalphosphateforthebesttechnicalparameters:Theoptimalactivationconditionwasratio1:1,soakingtime6h,phosphoricacidcorresponding45Be′,activationtemperature450℃andactivationtime60min.Theactivatedcarbonproductsmadeofmethyleneblueadsorptionvalueis24,carameldetermined.thedecoloredratefor122.5%.Keywords：activatedcarbon;poplarwoodshavings;phosphoricacidactivation;processconditions目录TOC\o"1-4"\h\z\uHYPERLINK1前言 1HYPERLINK1.1文献综述 7HYPERLINK1.1.1活性炭概述 7HYPERLINK1.1.1.1活性炭的基本特征 7HYPERLINK1.1.1.2活性炭的发展概况 9HYPERLINK1.1.1.3活性炭的制备原料 9HYPERLINK1.1.1.4活性炭的制备方法 10HYPERLINK1.1.1.5活性炭的应用 12HYPERLINK1.1.1.6活性炭的分类 16HYPERLINK1.1.2本课题研究目的和意义 17HYPERLINK1.1.2.1本课题研究的目的和意义 17HYPERLINK2试验研究方法 18HYPERLINK2.1引言 18HYPERLINK2.2实验材料与仪器 18HYPERLINK2.2.1实验材料 18HYPERLINK2.2.2实验仪器及药品 18HYPERLINK2.2.2.1实验仪器 18HYPERLINK2.2.2.2实验药品 19HYPERLINK2.3实验方法 19HYPERLINK2.3.1杨树木屑活性炭的制备 19HYPERLINK2.3.2活性炭性能的测定 20HYPERLINK2.3.3试验设计 20HYPERLINK3实验结果与分析 20HYPERLINK3.1影响磷酸活化杨树木屑制备活性碳的单因素试验 20HYPERLINK3.1.1浸渍比对杨树木屑活性炭理化性能与得率的影响 20HYPERLINK3.1.1.1浸渍比对木屑活性炭得率的影响 20HYPERLINK3.1.1.2浸渍比对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响 21HYPERLINK3.1.1.3浸渍比对木屑活性炭焦糖脱色率的影响 21HYPERLINK3.1.2磷酸浓度对木屑活性炭理化性能与得率的影响 22HYPERLINK3.1.2.1磷酸浓度对木屑活性炭得率的影响 22HYPERLINK3.1.2.2磷酸浓度对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响 23HYPERLINK3.1.2.3磷酸浓度对木屑活性炭焦糖脱色率的影响 24HYPERLINK3.1.3浸泡时间对木屑活性炭理化性能与得率的影响 25HYPERLINK3.1.3.1浸泡时间对木屑活性炭得率的影响 25HYPERLINK3.1.3.2浸泡时间对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响 25HYPERLINK3.1.3.3浸泡时间对木屑活性炭焦糖脱色率的影响 26HYPERLINK3.1.4活化时间对木屑活性炭理化性能与得率的影响 27HYPERLINK3.1.4.1活化时间对木屑活性炭得率的影响 27HYPERLINK3.1.4.2活化时间对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响 28HYPERLINK3.1.4.3活化时间对木屑活性炭焦糖脱色率的影响 28HYPERLINK3.1.5活化温度对木屑活性炭理化性能与得率的影响 29HYPERLINK3.1.5.1活化温度对木屑活性炭得率的影响 29HYPERLINK3.1.5.2活化温度对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响 30HYPERLINK3.1.5.3活化温度对木屑活性炭焦糖脱色率的影响 31HYPERLINK3.1.6木屑颗粒度对活性炭理化性能与得率的影响 31HYPERLINK3.1.6.1木屑颗粒度对木屑活性炭得率的影响 32HYPERLINK3.1.6.2木屑颗粒度对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响 32HYPERLINK3.1.6.3木屑颗粒度对木屑活性炭焦糖脱色率的影响 33HYPERLINK3.2正交实验 34HYPERLINK3.2.1影响活性炭性能的工艺因素选择 34HYPERLINK3.2.2选用正交表 34HYPERLINK3.2.3正交实验结果及其极差分析 35HYPERLINK3.2.3.1得率的极差分析 35HYPERLINK3.2.3.2亚甲基蓝吸附值的极差分析 35HYPERLINK3.2.3.3焦糖脱色率的极差分析 36HYPERLINK3.2.3.4正交试验结果 37HYPERLINK4结论 38HYPERLINK致谢 39HYPERLINK参考文献 401前言1.1文献综述活性炭是一种多孔炭材料，具有高度发达的孔隙结构和巨大的比表面积。主要是生物有机物质（如煤、石油、沥青、木屑、果壳等）经炭化和活化而得到。活性炭所具有独特的孔隙结构和表面活性官能团，使得它具有吸附能力强、化学稳定性好、机械强度高、耐酸、耐碱、耐热，不溶于水和有机溶剂，能在多种条件下和广泛的pH值范围内使用，使用失效后易再生等特点[1-4]。活性炭被广泛应用于化学工业、农业、国防、交通能源、医药卫生、以及环境保护和人类生活等各个方面，如美国环保署（USEAP）饮用水标准的64项有机污染物指标中，有51项将活性炭列为最有效技术（BAT）[5]121。随着科学技术的进步和国民经济的发展，特别是近年来各国政府都加强了对环境的保护和治理力度，进一步推动了活性炭的研究与开发，出现了许多具有特殊功能的新型活性炭材料，应用领域也不断扩大，活性炭这一古老而新颖的材料已显示出良好的发展前景。其需求量随着社会发展和人民生活水平提高，逐年上升的趋势，尤其是近年来随着环境保护要求的日益提高，使得国内外活性炭的需求量越来越大，逐年增长[6]。传统的活性炭制备多以木材、木炭等为原料，随着社会环保意识的增强，尤其是1998年发生在长江、松花江、嫩江流域的特大洪水，使人们己切身体会到生态环境恶化对民族生存和可持续发展的巨大负面影响，国家迅速对自然林实行禁伐，致使木材、木炭的来源萎缩，使制备活性炭的原料受到很大限制，价格也呈上涨趋势。在此形势下，利用切实可行的新工艺，以农林废弃物原料代替木材原料制备活性炭具有很好的前景和重大的意义。因此本研究以木屑为原料，选用适宜的工艺条件制备活性炭，一方面，拓宽了活性炭的原料来源，开辟了木屑新的利用领域，另一方面，本课题的研究在保护环境，提高林产加工区农民收入水平等方面都具有较大的生态效益、经济效益和社会效益。1.1.1活性炭概述1.1.1.1活性炭的基本特征[7、8]吸附性：吸附性质是活性炭的首要性质。活性炭具有像石墨晶粒却无规则排列的微晶。在活化过程中微晶间产生了形状不同、大小不一的孔隙，假定活性炭孔隙是圆筒孔形状，按IUPAC[9]分，活性炭孔隙可分为：微孔<2nm；中孔（又称过渡孔）2～50nm；大孔>50nm。这些孔隙，特别是微孔提供了巨大的比表面积。微孔的孔隙容积一般约为0.25～0.9ml/g，孔隙数量约为1020个，全部微孔比表面积约为500～1500m2/g，通常以BET法测算，有的称高达3500～50000m2/g。活性炭几乎95%以上的表面积都在微孔中，因此除了有些大分子进入不了外，微孔是决定活性炭吸附性能高低的重要因素。中孔的孔隙容积一般约为0.02～1.0mL/g，表面积最高可达几百平方米，一般只有活性炭总表面积的约5%。中孔能吸附蒸汽，并为吸附物提供进入微孔的通道，还能直接吸附较大的分子。大孔的孔隙容积一般约为0.2～0.5mL/g，表面积只约0.5～20m2/g，其作用一是使吸附质分子快速深入活性炭内部较小的孔隙中去:二是作为催化载体时，催化剂常少量沉淀在微孔内，大都沉淀在大孔和中孔之中。活性炭表面积理应包括内表面积和外表面积，事实上吸附性质主要来自巨大的内表面积，因此不能误认为把活性炭研碎磨细会明显提高表面积从而提高吸附力。很多吸附是可逆的物理吸附，若被吸附物为液体，在一定温度和压力下被活性炭吸附，在高温低压下又可从吸附物中解吸出来，活性炭内表面恢复原状。这是广泛应用的物理吸附，学术上又称为范德华吸附。化学性：活性炭的吸附除了物理吸附外还有化学吸附。活性炭的吸附性既取决于孔隙结构，又取决于化学组成。活性炭不仅含碳，而且含少量化学结合、功能团形式的氧和氢，例如拨基、梭基、酚类、内酷类、醌类、醚类。这些表面上含有的氧化物或络合物，有些来自原料的衍生物，有些是在活化时、活化后由空气或水蒸气作用而生成。有时还会生成表面硫化物和氯化物。在活化中原料所含矿物质集中到活性炭里成为灰分，灰分的主要成分是碱金属和碱土金属盐类，如碳酸盐和磷酸盐等。这些灰分含量可经水洗或酸洗处理而降低。催化性：活性炭在许多吸附过程中伴有催化作用，表现出催化剂活性。如活性炭吸附二氧化硫经催化氧化变成三氧化硫。由于活性炭有特异的表面含氧化合物或络合物存在，对多种反应具有催化剂活性，例如使氯气和一氧化碳生成光气。活性炭具有发达的孔隙结构、巨大的内表面积和很好的耐热性、耐酸性、耐碱性，可作为催化剂载体。如有机化学中加氢、脱氢、环化、异构化等反应中，活性炭是铂、把催化剂的优良载体。机械性：下列几个指标表示活性炭的机械性，为活性炭的应用者，尤其为大量的工业应用者所重视。（1）粒度：采用一套标准筛筛分法，求出留在和通过每只筛子的活性炭重量，表示粒度分布。（2）表观密度或堆密度：包含孔隙容积和颗粒间空隙容积的单位体积活性炭的重量。（3）体积密度或颗粒密度：包含孔隙容积而不包含颗粒间空隙容积的单位体积活性炭的重量。（4）强度:即活性炭的耐破碎性。（5）耐磨性：即耐磨损或抗磨擦的性能。这些机械性质直接影响应用，例如:密度影响容器大小；粉炭粗细影响过滤；粒炭粒度分布影响流体阻力和压降；破碎性影响使用寿命和废炭再生。因此，活性炭具有以下优点:（1）在分离和净化过程中，活性炭是唯一不需要预先严格除去水分的吸附剂，例如在空气净化中就需要这样的吸附剂。（2）与其它吸附剂相比，活性炭具有很高的比表面积，因此它可以吸附更多非极性或弱极性有机分子。例如，在一个大气压和室温下，普通活性炭的吸附量大约是.0snm分子筛的两倍。（3）一般来说，活性炭上吸附键强度要比其它吸附剂低。因而吸附分子的解吸比较容易，而且吸附剂再生时能耗也比较低。（4）活性炭具有良好的耐酸碱和耐热性，化学稳定性较高。1.1.1.2活性炭的发展概况活性炭有着悠久的发展历史，早在古埃及时代，人类就利用木炭来消除溃疡和伤口散发出的恶臭气味[10，11]。18世纪末，人们首次发现木炭的吸附能力。譬如，在1773年，施特拉尔松市的化学家卡尔·舍列报道了木炭吸附气体的作用，数年后，于1785年，洛维茨证实木炭能使某些液体脱色，这一发现导致木炭于1794年在英国精制糖厂中首次获得工业应用。在1900到1901两年中，奥斯特里科所公布的两项专利，打通了活性炭生产的现代工艺途径，植物性材料同金属氯化物共热是该专利的发明主题，同时在专利中还讨论了在加热到微赤热条件下，用二氧化碳和水蒸气活化木炭的方法[12]。在第一次世界大战中，活性炭作为军需品得到了急剧的发展，其原因是化学武器在战场上出现，对化学战剂的防护被提到议事日程上。第二次世界大战开始后，活性炭作为防毒面具的重要原材料又出现了新的跃进，这个时期的特点是:煤被利用作活性炭的原材料和压块压伸工艺制造技术的发展。60年代后，活性炭被广泛用于水和废水、废气的处理上，又促进了活性炭工业的发展。70年代后，许多国家采用石油残渣以及其它工业上的废料为原料制造各种用途的活性炭，活性炭的产量和质量也在不断提高。90年代初全世界有四十多个国家建有活性炭生产厂家，年生产能力在60～70万吨之间。以美国居首、其次是欧洲、前苏联、中国及东南亚国家。日本的活性炭工业增长很快，目前还保持着增长的势头。世界上主要生产活性炭的公司是美国的Calgon、Ccca、Norti和Aiochem公司，英国的Satclieff一Pseakmna公司[13]。美国是目前世界上最大的活性炭生产国和消费国。据统计，1997年其年产量已达21.6万t左右。我国年产量已超过10万t，居世界第2位，其次是俄罗期、日本和德国。从出口来看，我国早在1995年就己超过美国，成为活性炭最大的出口国[14]。到1999年，我国的活性炭产量达到12万t以上，约占世界产量的1/4，已步入世界活性炭生产强国之列[15]。从近10多年的情况看，我国活性炭工业的发展趋势为：（1）活性炭厂从城市向乡村和原料产区转移，以解决污染和原料问题。（2）乡镇、个体办的活性炭小厂如雨后春笋，在很多山区成了致富门路之一。（3）对外技术合作和贸易有了突破性发展。（4）随着科技教育蓬勃发展，多行业、多部门都涉及了活性炭应用领域。目前，我国有30多所大学、科研所和设计院正进行有关活性炭的研究和技术开发工作，对活性炭工业的发展起到了推动作用。我国活性炭工业跟美国、西欧、日本等发达国家和地区相比仍有较大差距，如小厂多，分布相对分散，生产工艺、设备比较落后，环境污染大等等。今后随着我国工业技术进一步发展，人民生活水平不断提高，活性炭生产将飞跃到一个新的水平。1.1.1.3活性炭的制备原料所有制造活性炭的原料均为含碳物质，目前国内外所选用的制造活性炭的原料分为五大类：煤系原料、植物原料、石油原料、高分子和工业废料以及其它。（一）煤系原料活性炭的生产过程中，煤因为储量丰富，并可制得多种优质活性炭，于是逐步成为主要原料，当前世界上以煤为原料生产的活性炭已达总产量的三分之二以上。几乎所有的煤都可以制造出活性炭[16、17]。（二）植物原料（木质原料）（1）木屑、木炭：利用木屑、木炭为原料制备活性炭，是林产化的一大分支。用木屑、木炭为原料制成的活性炭，广泛用于工业脱色、废气净化剂、医用针剂中等等。（2）果核、果壳：利用果核和果壳制备活性炭在我国的研究非常活跃，主要因为各地都有一定的资源，可利用本地土产进行小批量生产，是目前许多乡镇企业生产活性炭的原料。用果核和果壳制得的活性炭，机械强度较高，表面性能也较好，大多用作工业产中的催化剂载体。（3）农业生产中的副产品：农副产品加工废料和某些农副产品加工厂产生的废料，对坏境造成了严重污染，对其进行再利用一方面减少了对环境的污染，更一方面使其变废为宝。用农业生产的废料加工制得的活性炭，由于其对人体无毒无害，所以广泛用于食品工业制糖及味精脱色，以及医疗针剂用活性炭。（4）纸浆废液：碱法和硫酸欲法以麦草为原料制造纸厂蒸煮后的废液，其中含木质素达70～80%，用酸析、沉淀、分离、洗涤等提取出木质素，磨粉后，加入粘结剂、成型、炭化、活化，制得的活性炭中孔发达。（三）石油原料石油原料主要指石油炼制过程中的含碳产品及废料。由石油类资源作原料制活性炭，目前在我国的研究还不成熟，距离工业生产还有一段距离。由石油类原料制成的产品尤其是球炭、活性炭纤维，在工业生产、环境保护及医疗行业均具有广阔的应用前景。（三）高分子、工业废料这些原料主要指工业回收废料，如聚氯乙烯、聚丙烯、树脂、服醛树脂、聚碳酸脂、聚四氟乙烯等。用高分子材料为原料制活性炭，对于工业废料如塑料、用，将成为废料处理和一个新天地途径。呋喃树脂、酚醛橡胶等的再生利（四）其他其它如动物骨、动物血、蔗糖、糖蜜等也可作为生产活性炭原料。1.1.1.4活性炭的制备方法（一）物理活化法物理活化法是将炭化材料在高温下用水蒸气、二氧化碳或空气等氧化性气体与炭材料发生反应，在炭材料内部形成发达的微孔结构。物理法一般使用水蒸汽、二氧化碳、烟道气等作为活化剂。由于物理活化法在制备过程中不引入化学试剂，所以用物理活化法制得的活性炭用途较广泛。物理活化反应的实质是碳的氧化反应。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，制得炭化料；然后将炭化料加热到合适温度并通入活化气体与碳发生活化反应，使炭化料的孔径疏通，进而扩大、发展，形成孔隙发达的微晶结构的活性炭。生产中炭化温度一般为600℃，活化温度一般在800～1000℃之间[18]。物理活化法具有环境污染小，产品用途广泛等优点。（二）化学活化法化学活化法[19]是指把化学试剂加入原料中，在惰性气体或氮气介质中进行热处理，氢和氧有选择地或完全从含碳材料中清除，与此同时进行炭化和活化的二种方法。常用的化学活化试剂有氯化锌、磷酸、碳酸钾和硫酸等。氯化锌活化法：是将各种含碳原料与氯化锌均匀混合后，在适宜的温度下，经过炭化、活化、回收化学药品、漂洗、干燥、粉碎等过程制取活性炭的一种方法。氯化锌法制备活性炭[20]的特点是：（1）活化温度较低，一般最适合的活化温度为600～700℃；（2）所生成碳的基本微晶较小，可以促进多孔型结构发展；（3）氯化锌法制备活性炭的得率较高，一般可达到40%（绝对干原料），约有80%的碳转到活性炭中来，从而提高原料的利用率；（4）可以通过调节氯化锌用量，来调节所产活性炭的孔隙结构；（5）氯化锌作为活化剂可以回收，循环使用，节约了生产成本。磷酸活化法：是将各种含碳原料与磷酸均匀混合（或浸渍后），在适宜温度下，经过炭化、活化、回收化学药品、漂洗、干燥、粉碎等过程制取活性炭方法。磷酸法生产活性炭具有环境污染程度轻和生产成本低等优点，己经成为当今活性炭工业中化学活化法的主要生产工艺之一。我国自湖州鹿山林场1988年首创磷酸法[21]生产活性炭以来，磷酸法工艺在国内已得到了很大发展。磷酸作为活化剂时，磷酸在活化过程中既具有脱水的作用也起到了酸催化的作用，磷酸进入原料的内部与原料的无机物生成磷酸盐，使原料膨胀，碳微晶的距离增大。通过洗涤除去磷酸盐，可以得到发达的孔结构。同时，磷酸对于已经形成的碳能起进一步缓慢氧化的作用，侵蚀碳体而造孔。磷酸活化过程中气体介质起着关键的作用。氧对磷酸活化法有着重要的作用，能提高活性炭的比表面积。所以，在磷酸活化法制备活性炭的过程中可以在气体介质中加入适当的氧气。氧气—磷酸活化法对产品性能的影响因素主要是活化温度、活化时间、活化剂的浓度、浸渍时间、浸渍比等。氢氧化钾活化法：活化过程中，一方面通过生成碳酸钾[22]消耗碳使孔隙发展；另一方面，当活化温度超过金属钾沸点（762℃）时，钾蒸汽会扩散入不同的碳层，形成新的孔结构，气态金属钾在微晶的层片间穿行，撑开芳香层片使其发生扭曲或变形，创造出新的微孔。由于高比表面积的吸附剂随着环保要求的日益强烈而备受重视，因而高比表面积的活性炭生产工艺的研究也是各研究机构的热点之一。以氢氧化钾等碱性化合物作为活化剂对氧化反应有促进作用，在活性炭的活化过程中，能够分解产生二氧化碳等气体，这些气体能够起到进一步的活化作用，能够大大的增加活性炭的比表面积，从而提高活性炭的质量和吸附性能。制得的活性炭比表面积可以达到4000m2/g，因而制备高比表面积的活性炭大多采用以氢氧化钾为活化剂。其它化学活化法：在化学活化法制备活性炭方法中，除氯化锌法、磷酸法和氢氧化钾法外还可用[23]碳酸钾、氢氧化钠、氯化按、硫酸、硫化氢、硫化钾、白云石等作为活化剂来制备性能各异的优质活性炭。其具体工艺及机理因活化剂不同而有所差异。（三）物理化学活化法化学物理法是首先在活性炭原料中加入一定数量的化学药品（即添加剂），然后加工成型，再经过炭化和气体活化，制造成出具有特殊性能的优质活性炭。一般认为采用活化前对原料进行化学改性浸渍处理，可使原料活性提高，并在碳材料内部形成传输通道，有利于气体活化剂进入孔隙内进行刻蚀。化学物理活化法生产出的活性炭孔隙结构更发达，活性炭得率较高。化学物理活化法可通过控制物料比和浸渍时间制得孔径分布合理的活性炭材料，且所得活性炭既有很高的比表面积又含大量中孔，可显著提高活性炭对液相中大分子物质的吸附能力。此外，利用该方法可在活性炭材料表面添加特殊官能团，从而可利用官能团的化学性质，使活性炭质吸附材料具有化学吸附作用，提高其对特定污染物的吸附能力[24]。1.1.1.5活性炭的应用活性炭的主要用途可归纳为气相吸附、液相吸附和催化作用三方面。（一）活性炭在气相吸附方面的应用[25、26、27、28]活性炭在气（汽）相吸附中的应用是从第一次世界大战中的防毒面具开始的，以后逐渐应用于化学工业、医药工业、气体净化和分离等领域。随着科技的发展，现在人们正在研究活性炭在天然气吸附方面的应用（即ANG），其能量密度为0.25（同样条件下汽油的能量密度为0.29），将来这一技术的应用将会极大的促进能源利用的发展。（1）用于大气污染的防治由于人类活动或自然过程，排放到大气中的物质对人类环境产生了不利的影响，统称空气污染。室外空气的净化很早引起了人们的注意，近30年来对室内空气的质量也开始重视。据研究，室内空气的污染源有:建筑材料如砖、墙纸、油漆等；燃料；油炸；熏烤内的烟雾；某些化妆品等等。空气污染的治理可选用吸收法、催化法、燃烧法、冷凝法等。应用活性炭吸附法或催化剂法也很普遍。废气与具有大表面积的多孔活性炭接触，废气中的污述染物被吸附，使其中的气体混合物分离，而起到净化作用。（2）用于治理含氮氧化物的废气氮氧化物种类很多，最主要的是一氧化氮和二氧化氮，也是形成酸雨和光化学烟雾的污染物。这些污染物来自燃料的燃烧、机动车、硝酸、氮肥等化工厂。大部分燃烧方式中排放物的主要成分为NO，占NOx总量的90%以上。NO在大气中被氧化成为N02。烟气中脱除氮氧化物，即烟气脱氮或烟气脱硝的方法很多，可分为催化还原法、液体吸收法和吸附法。活性炭净化氮氧化物的工艺为:使NOx废气进入活性炭固定床被吸附，净化后尾气排空，活性炭用碱液处理再生，并回收硝酸钠及亚硝酸钠。也有将硝酸钠吸收塔尾气以活性炭吸附，再用水或稀硝酸喷淋并回收硝酸工艺，有费用较省和体积较小的优点。（3）用于烟气脱硫人们的社会经济活动离不开能源，能源的使用，特别是煤和石油的使用都造成了硫的排放。很长时期以来全球的硫污染一直在困扰着人们。我国70%的能源来自燃煤，硫已经成为我国大气污染的主要污染源，据国家有关部门统计，我国绝大部分大中城市和近三分之一的国土都受到了酸雨危害，有个别城市酸雨的PH值为4。防治酸雨已成为我国环境保护的紧迫课题。要治理硫污染，可以用活性炭脱硫，活性炭脱硫国内外均比较成熟，国外大型烟气脱硫（如电场脱硫）和国内化肥厂的合成气脱硫大多采用活性炭脱硫工艺。（4）用于吸附制冷气体被吸附时放热，解吸时吸热，如能选择适当的吸附剂和吸附质经过适当的吸附和解吸过程组合就可制成一个效率较高的制冷系统。有资料显示，用3个吸附器（2个沸石一一水吸附器，1个活性炭一一甲醇吸附器）和2个蒸发器、2个冷凝器（水和甲醇各一套）组成的系统的制冷效率达到1.06，而压缩机一一CFC（含氟烃）系统制冷效率仅为1.0。其意义不仅在于吸附制冷有较高的效率，更主要还在于吸附制冷技术不污染环境，是一种清洁的制冷技术。（5）用于天然气储存为了调整能源结构、减少环境污染，以天然气代替汽车用汽油是当今一大趋势，主要优点是含硫较少、成本便宜。中国科学院山西煤炭化学研究所近年来研究碳质吸附剂表明，碳质吸附剂对于甲烷的理论吸附量基本相当。天然气储存于储藏罐内必须压缩，因此有贮藏材料的耐压强度问题，利用活性炭可将天然气（甲烷）吸附而避免超压爆炸，便于运输。但是所用活性炭必须无大孔和中孔，而只有微孔。二氧化碳活化所得活性炭的甲烷储藏能力比水蒸气活化的活性炭大，可达163%。活性炭高压吸附甲烷可增加气体燃料的储量。含有活性炭的储量会比不含活性炭的储量高2～3倍。负载金属或金属化合物的活性炭用作气体吸附剂，可储存大量的气体，可用汽车进行气体运输和液化天然气的储藏。（二）活性炭在液相吸附方面的应用[29、30、31]水是生命之源。但是，数量不多的水源却遭到了大量污染。水的污染源主要有生活污水、工业废水、农田农药化肥、固体废物的水溶物和废气的淋洗物等。现在，很多自来水厂都用活性炭来进行水的净化。活性炭在液相中作为吸附剂使用是从精制糖的脱色开始的。活性炭表面的疏水性使它能从水溶液中吸附各种物质，因此广泛应用在水溶液的净化中。在液相中使用的活性炭多为粉炭，因为粉状炭吸附速度快、效果好，现在许多使用粉炭的场合要求粉炭的粒度更细，使用粉炭应当注意过滤困难的问题。现在，如果要获得完全合乎人类饮用标准的水或工业废水达标排放，最后把关上几乎没有不使用活性炭的。（l）用于食品工业的液相脱色精制几乎所有的食品工业都会用活性炭脱色精制，甜味剂如甘蔗糖、甜菜糖、淀粉糖、乳糖、木糖等。工业过程中所用活性炭大部分都是粉状活性炭。在糖的脱色方面的应用是活性炭最早的应用，早在1916年活性炭就在食糖厂大规模脱色试用成功，从此国外业者相继采用，逐步替代了骨碳市场，食糖行业成为活性炭应用大户。我国食糖年产六百万吨以上，曾采用二氧化硫法脱色，使用活性炭者不多，值得开发。（2）用于酿酒时去除异味和沉淀物国外酿造行业像威士忌、白兰地、伏特加、啤酒、清酒及酒饮料厂家常用活性炭来提高品质、改善风味。在酿酒过程中，由于控制不当，或对粮食代用品为昆明理工大学硕士论文第二章活性炭概述原料操作不妥，或来自采用液态发酵，难免有异味，通常经过长期贮放陈化，有所改善_，有的也难克服。如果加入0.1%一0.2%专用活性炭，搅拌30min，静置48h，过滤上层清夜，便无异味。（3）用于自来水厂的深度处理由于有些地面水源水质变差和饮用水水质要求提高，自来水厂处理工艺在常规处理基础上都向深度处理发展，活性炭工艺已为许多国家所采用，如早在法国MerySnoisee水厂、莫桑水厂、英国低色度水慢滤池工艺水厂、瑞士苏黎世水厂、德国的Mulheim-Ruhr水厂等工艺流程中都有活性炭处理工序。活性炭用于去除致臭物质早已有之，而且常常成为绝无仅有的有效处理方法。世界各地许多地方从水库、河道等地取水而发生了致臭问题，大都采用活性炭来处理。1978年美国环境保护局曾建议美国所有城市给水处理系统，当供水人口大于75000人时，都必须使用颗粒活性炭来处理自来水。（4）用于处理含磷废水高浓度含磷废水可采用化学沉淀一一混凝气浮一一活性炭吸附的物理化学方法处理，磷去除率约达99.9%。废水中含有机磷农药，如对硫磷、甲基对硫磷等可用活性炭吸附。用过的活性炭可用蒸汽再生。马拉硫磷、磷酞胺、敌百虫及敌敌畏等有机磷化合物，可先用活性炭吸附，再用硫酸铝及氯化铁进行混凝沉淀去除。生产甲基异柳磷、增效磷的废水以活性炭污泥法处理过程中投入粒径为0.4～0.6um的活性炭，投配率为20%，从而提高COD的去除率。（5）用于城市居民生活污水的处理随着人类文明的进步和经济的发展，城市化进程必然加速。这就使城市居民的生活污水对水源的污染问题变得严重。为了治理城市居民的生活污水，一般采用“二级”或“三级”处理，活性炭通常用于三级处理。为了降低处理成本，活性炭可以进行反复再生，重复使用，每次再生活性炭损失约为5%～7%。城市居民生活污水一般采用集中处理方式。（6）用于废渣填埋浸出液的处理废渣填埋浸出液可采用颗粒活性炭--生物流化床工艺处理。处理该浸出液之前，先用石灰石除去重金属，使PH值升至9.0，在两个相同的中间实验厂中连续成批处理该浸出液。第一是除去含碳物质，第二是通过氮的硝化作用将氨除去。在操作的头四个月，负荷率为氨-氮1.56kg/（m3.d），反应器中可以除去70%的氨、60%的COD、100%的BOD。该反应器达到最佳操作状态后，氨的去除率有可能>90%，但COD除去率保持不变。因此，颗粒活性炭一一生物流化床装置为高氨浸出液中氨的去除，提供了一种高选择、高效除去COD的方法。（三）活性炭在催化剂和催化剂载体中的应用活性炭本身可以作为催化剂[32]使用，例如光气制造、氢气的氯化、氧化脱氢、二氧化硫氧化、硫化氢还原和一些聚合反应等。活性炭作为催化剂载体早己为人们熟知，如活性炭一氯化汞作为制取氯乙烯和催化剂。近来活性炭担载其他贵金属和稀土元素作为各种有关反应催化剂的研究和开发十分活跃。例如活性炭载体作为歧化和加氢或脱氢反应的催化剂等等。要优点是：工艺简单，活性炭可以反复再生产和回收，从而使操作成本降低。（四）活性炭在电能贮存材料中的应用过去基本上采用铅酸蓄电池，它存在单位质量贮能密度小、充电时间长、污染环境等不足。用活性炭吸附电解质(可以是无机或有机电解质)为电极做成超大容量电容器，配合合理的放电电路设计，有可能为蓄电池带来革命性的变化。这种电容器是具有体积小、质量轻、单位质量(或体积)能量密度大、充电快、无污染等优越性能的真正蓄电装置。王晓峰[33]等以活性炭为材料进行了碳基电化学双层电容器的研制，实验显示电容器的直流充放电、循环伏安以及交流阻抗等具有良好的电化学性能，活性物质的比容量为173.2F/g，在大功率充放电条件下活性物质的比能量大于5.owhk/g，同时具有105以上的循环寿命。由电化学电容器与MH-Ni电池组成的复合电源系统的脉冲放电性能得到显著改善，可望在移动通讯等领域获得广泛的应用。（五）活性炭在其它方面的应用（1）用于农业方面土壤是藏污纳垢之地，污染物来自：污水、废水的排放；大气中废气、杂物的沉降；固体垃圾、废渣的堆积；农药、化肥的使用；有害微生物的存活等。有些土壤中的污染物可由土壤的自净能力及微生物和小动物的分解作用而自然减少，大都还是需要用铺垫新土、上下易位、排土、加石灰、稀释等针对性处理。现在国外有人增加了活性炭的固相应用，用于污染土壤和污泥的稳定和整治等方面。因此，活性炭在改良土壤方面[34]的应用不容低估。(2)在医药上的应用活性炭可用于包扎皮肤上的各种创伤[35]，尤其有用于不易愈合和常伴发炎症的溃疡和化脓伤口，不仅能去除臭气，而且能加快痊愈。活性炭制剂能有效地治疗诸如呕吐、便秘、腹泻或痉挛等各种肠胃失调。活性炭还能用于解毒，因为活性炭能吸附肠胃道里的许多植物性中毒无机物和药物，例如水杨酸盐，对乙酞氨基酚、巴比妥盐和三环抗抑郁药等。但活性炭对于处理强酸、强碱或一些腐蚀性物引起的中毒是无效的。（2）其他方面的应用活性炭可还用于水果和食品保鲜、香烟过滤嘴等人们日常生活中。在用气体扩散泵获得高真空技术中，活性炭也被用作微量气体的吸附剂。在化工生产过程中利用活性炭及其制品可以回收许多有机溶剂，如丙酮、苯、甲苯、三氯甲烷、三氯乙烯、汽油、酒精、乙醚等。(3)在化学工业和其它工业中的应用活性炭在石化工业中应用于油品精制、脱臭。在无机化工和制药工业中应用于原料和医药制品的精制提纯。在冶金工业中特别是湿法冶金中应用于金、铂等贵金属的提取。在染织工业中的染料、媒染剂生产过程中也逐渐使用活性炭。随着科学技术的不断发展进步，活性炭的应用可预估在环境保护、产品制造、医学治疗各个领域的应用将更加扩大和深入，活性炭的新应用会不断出现，含碳制品会陆续上市，有些原来的应用也将会被新技术所代替。活性炭在环境保护方面的应用仍然是大户，土壤上的应用也会有新进展。1.1.1.6活性炭的分类[36、37、38、39]活性炭按用途可分为：脱色炭，药用炭，糖用炭，净化炭，空气净化炭，黄金炭，溶剂回收炭，脱硫炭及催化剂载体炭等。活性炭按形状大小可分为：（1）粉状活性炭，外观尺寸小于0.18mm的颗粒（80目）占多数的活性炭；（2）颗粒活性炭，外观尺寸大于0.18mm的颗粒（约80目）占多数的活性炭；（3）圆柱形活性炭，以圆柱形颗粒的横截面直径表示；（4）球形活性炭，以球形颗粒的直径表示；（5）其它异形活性炭。按生产原料活性炭[40]可分为：（l）木质活性炭，以木屑、木炭、稻壳、稻草等为原料制成的活性炭；（2）果壳（果核）活性炭，以椰壳、松子壳、核桃壳、杏核、桃核等为原料制成的活性炭；（3）煤质活性炭，以褐煤、泥煤、烟煤、无烟煤等为原料制成的活性炭；（4）石油类活性炭，如以沥青等为原料制成的沥青基球状活性炭。1.1.2本课题研究目的和意义1.1.2.1本课题研究的目的和意义林木剩余物的高效利用是缓解木材供需矛盾、实现木材资源可持续利用和建设节约型社会的重要途径。我省木材加工企业密集，制材剩余物一板皮、锯屑等、加工余物一各种边角余料、刨花等利用很不充分。如何充分合理利用低质木材和“三剩物”等植物纤维原料，提高木材综合利用率，创生各种新型高附加值材料和产品，适应“天然林保护工程，，的实施，从技术上支持加快我省市老工业基地调整改造、农村经济结构调整一级天保工程的有效实施，是摆在我省木材利用工作者面前的一个严峻课题[41]。本研究以南京林业大学培育并推广的速生材杨树木屑为原料，用磷酸活化法制取活性炭。苏北地区作为杨树基地，每年的生长量和砍伐量都很大，在深加工中，有三十分之一左后的材料被破碎成粉末，目前这些粉末大部分被用作燃料和板材加工的辅料。本研究一方面是可以充分解决我省林木市场的制材剩余物的高效利用；另一方面是研制高性能、大容量的孔径分布较窄的炭吸附材料，并在生产工艺和活化机理的研究基础上进行调控使产品满足不同需要，在保证产品品质同时提高产品得率，从而在侧面降低生产成本。该课题的研究成功，对于扩大炭吸附材料生产原料范围，解决林副产品再利用问题，改进炭吸附材料现有生产技术，丰富发展木质材料的炭化、活化机理，降低炭吸附材料生产成本，扩大炭吸附材料的应用领域及应用数量，从侧面推动相关领域的发展具有重要的理论及现实意义[41]。本项目的研究成功还将促进活性炭生产工业成为林业行业的支柱产业，解决林副产品再利用问题，而且对森林培育、清林、森林防火具有重大贡献。另外，对于加快我省老工业基地调整改造、农村经济结构调整和天保工程实施具有重要作用。2实验部分2.1引言通过考察活化剂磷酸与木屑的浸渍比、磷酸溶液浓度、浸泡时间及活化温度、活化时间等因素与活性炭吸附性能的关系，确定制备杨树木屑活性炭的工艺方法和工艺条件。通过检测产品的亚甲基蓝吸附力以及焦糖脱色力来考察浸泡时间、活化温度、活化时间、浸渍比、磷酸的波美度等不同的工艺条件对活性炭性能的影响。选取吸附效果较为好的几种不同条件条件下制备的活性炭，进行亚甲基蓝吸附力以及焦糖脱色力的比较，以确定最佳生产工艺条件。2.2实验材料与仪器2.2.1实验材料江苏徐州丰县木材加工厂杨树木材加工废弃木屑2.2.2实验仪器及试剂2.2.2.1实验仪器本试验采用的设备装置有:（1）球磨机：X-2，广西机械（2）电子万用炉：天津市泰斯特仪器有限公司（3）精密分析天平：北京赛多利斯天平有限公司（4）托盘天平及祛码一套：上海医用激光仪器厂（5）101型电热鼓风干燥箱:上海精宏实验设备有限公司（6）KS调速多用振荡器：国华电器有限公司（7）紫外一可见光双光束分光光度仪（WFA.JV-2822H）:上海精密科学仪器有限公司（8）箱式马弗炉：上海飞龙仪表电器有限公司（9）JJ-1精密增力电动搅拌器：江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司（10）O一200目套筛（11）甘油浴（12）其它实验常用设备:如干燥器、量筒、烧杯、滴定管、波美计等。2.2.2.2实验试剂磷酸（分析纯）：南京化学试剂有限公司亚甲基蓝（指示剂）：北京化工厂磷酸氢二钠（分析纯）：南京化学试剂一厂磷酸二氢钾（分析纯）：南京化学试剂有限公司硫酸铜（分析纯）：南京化学试剂有限公司葡萄糖（分析纯）：国药集团化学试剂有限公司无水碳酸钠（分析纯）：上海虹光化工厂氯化铵（分析纯）：南京化学试剂有限公司重铬酸钾（分析纯）：南京化学试剂有限公司2.3实验方法2.3.1杨树木屑活性炭的制备制备活性炭采用的工艺流程图如下：水磷酸溶液水磷酸溶液↓↓杨树木屑→烘干→浸渍→活化→漂洗→干燥→粉碎→活性炭→检测图2.1制备活性炭采用的工艺流程图操作步骤如下：（1）将原料杨树木屑在65℃干燥2小时以上，备用。（2）称取干燥好的原料（杨树木屑）5g放入烧杯中，同时加入所需比例一定浓度的磷酸溶液，搅拌混匀，将混匀的料液在室温下浸渍一定时间。（3）将浸渍好的料液移入瓷坩埚中，放入高温马福炉中，从室温升至所需活化温度，保温一定时间。（4）将活化好的样品用坩埚钳从高温马福炉中取出，冷却后，将样品用70℃～80℃热水洗涤至pH近中性，同时将洗涤液回收、浓缩后循环回用。（5）将洗涤好的样品放入电热鼓风烘箱中，110℃烘4h，在干燥器中冷却。（6）将样品用球磨机粉碎过200目筛，得成型的活性碳产品，以进行产品性能分析。2.3.2活性炭性能的测定产品吸附性能测定参照中华人民共和国林业部木质活性炭质量标准[39-42]。（1）亚甲基蓝吸附值按照GB/T12496.10-1999进行。（2）A法焦糖脱色率按照GB/T12496.9-1999进行。2.3.3试验设计影响活化过程的因素有很多，一般有以下几个方面：原料的颗粒度、浸渍比、活化剂的浓度、浸泡时间、活化温度和活化时间等。因此，首先对个影响因素进行单因素实验，在此基础上进行正交试验，以获得不同活化条件下的不同性质的活性炭，以便在生产中能通过调节不同的活化条件来生产不同性质的活性炭，满足市场上各个不同行业领域的需求。3实验结果与分析3.1影响磷酸活化杨树木屑制备活性碳的单因素试验3.1.1浸渍比对杨树木屑活性炭理化性能与得率的影响浸渍比是化学法包括磷酸法制备活性炭工艺过程中最重要的影响因素[42]。为了了解浸渍比对活性炭理化性能和得率的影响，分别在不同浸渍比条件下将木屑用45波美度的磷酸浸泡1小时，在500℃活化温度条件下活化时间30分钟制备活性炭，考察浸渍比对活化效果的影响。3.1.1.1浸渍比对木屑活性炭得率的影响实验结果如图3.1,表3.1所示表3.1不同浸渍比下的活性炭得率序号浸渍比得率/%11.5：144.822:157.532.5:144.643:146.7图3.1浸渍比对活性炭得率的影响由图3.1可以看出活性炭的得率随着浸渍比增大而增大，在2:1时达到最大，超过2.5:1后减小。另外从经济方面考虑，浸渍比不超过2.5:1为宜。3.1.1.2浸渍比对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响实验结果如图3.2,表3.2所示表3.2不同浸渍比下的活性炭的亚甲基蓝吸附值序号浸渍比亚甲基蓝吸附值/mg/0.1g11.5：12222:12532.5:12343:123图3.2浸渍比对亚甲基蓝吸附值的影响由图3.2可以得活性炭的亚甲基蓝吸附值随着浸渍比增大而增大，在2:1时达到最大。3.1.1.3浸渍比对木屑活性炭焦糖脱色率的影响实验结果如图3.3,表3.3所示表3.3不同浸渍比下的活性炭的焦糖脱色率序号浸渍比焦糖脱色率/%11.5：11022:18032.5:1122.543:1125图3.3浸渍比对焦糖脱色率的影响由图3.3可以看出活性炭的焦糖脱色率随着浸渍比增大而增大。但是浸渍比的增大使得生产成本也随之增高，另外产品的得率会下降，在2.5:1之后，焦糖脱色率上升缓慢，因此在没有对活性炭性质有特殊吸附要求时，一般浸渍比在2.5：1左右。实验结果表明，在实验范围内，浸渍比对活性炭的得率和焦糖脱色率的影响都很大。因此从成本方面考虑，在没有对活性炭性质有特殊吸附要求时，一般浸渍比在2.5：1左右。可以看出在对亚甲基蓝吸附值没有特别需求时，可以通过调节浸渍比以得到具有不同焦糖脱色率的活性炭。接下来的单因素实验皆采用2.5:1的浸渍比。3.1.2磷酸浓度对木屑活性炭理化性能与得率的影响为了测定不同浓度的磷酸活性炭性能的影响，分别用不同浓度的磷酸，以2.5:1的浸渍比，浸泡木屑1小时，在500℃活化温度条件下活化时间30分钟制备活性炭，考察不同浓度的磷酸对活化效果的影响。3.1.2.1磷酸浓度对木屑活性炭得率的影响实验结果如图3.4,表3.4所示表3.4不同磷酸浓度下的活性炭得率序号磷酸浓度/Be′得率/%13544.323843.534241.944544.654839.2图3.4磷酸浓度对木屑活性炭得率的影响由图3.4可以看出，随着活化剂磷酸浓度的增加，碳的产率呈下降趋势。3.1.2.2磷酸浓度对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响实验结果如图3.5,表3.5所示表3.5不同磷酸浓度下的活性炭亚甲基蓝吸附值序号磷酸浓度/Be′亚甲基蓝吸附值/mg/0.1g135222382334223.544523.554824.5图3.5磷酸浓度对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响由图3.5可以看出，随着磷酸浓度的增加，活性炭的亚甲基蓝吸附值成曲线上升，即活化剂磷酸的浓度极大的影响着活性炭的亚甲基蓝吸附值。3.1.2.3磷酸浓度对木屑活性炭焦糖脱色率的影响实验结果如图3.6，表3.6所示表3.6不同磷酸浓度下的活性炭焦糖脱色率序号磷酸浓度/Be′焦糖脱色率/%13575238115342120445120548115图3.6磷酸浓度对木屑活性炭焦糖脱色率的影响由图3.6可以看出，随着磷酸浓度的增加，活性炭的焦糖脱色率呈上升曲线，但在磷酸达到38Be′之后上升不明显。实验结果表明，在实验范围内，磷酸浓度对活性炭的得率和亚甲基蓝吸附值影响都比较大，因此在生产上，可以通过对磷酸浓度的调节以制得具有不同亚甲基蓝吸附值的活性炭。在磷酸浓度为42Be′和45Be′左右时，活性炭的亚甲基蓝吸附值和焦糖脱色率都较为接近，从生产成本的方面考虑，在接下来的单因素实验中，选用42Be′的磷酸。3.1.3浸泡时间对木屑活性炭理化性能与得率的影响为了测定不同浸泡时间对活性炭性能的影响，用42Be′的磷酸以2.5：1的浸渍比分别浸泡木屑不同的时间，在500℃活化温度条件下活化时间30分钟制备活性炭，考察不同浸泡时间对活化效果的影响。3.1.3.1浸泡时间对木屑活性炭得率的影响实验结果如图3.7，表3.7所示表3.7不同浸泡时间下的活性炭得率序号浸泡时间/h得率/%1144.62348.43646.841239.652441.0图3.7浸泡时间对木屑活性炭得率的影响由图3.7可以看出，随着浸泡时间的加长，活性炭产率在下降，但是影响不明显。3.1.3.2浸泡时间对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响实验结果如图3.8，表3.8所示表3.8不同浸泡时间下的活性炭亚甲基蓝吸附值序号浸泡时间/h亚甲基蓝吸附值/mg/0.1g11232325362541225.552426.7图3.8浸泡时间对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响由图3.8可看出，随着浸泡时间的增加，活性炭的亚甲基蓝吸附值在增长，在12小时以内都不是很明显，只有浸泡一昼夜之后才比较明显。3.1.3.3浸泡时间对木屑活性炭焦糖脱色率的影响实验结果如图3.9，表3.9所示表3.9不同浸泡时间下的活性炭焦糖脱色率序号浸泡时间/h焦糖脱色率/%11122.52312536130412128524121图3.9浸泡时间对木屑活性炭焦糖脱色率的影响由图3.9可以看出，随着浸泡时间的增加，焦糖脱色率在增加，但当浸泡时间达到一定值时，焦糖吸附值会下降。但是吸附值都不低于120%，由此综合前面的浸渍比单因素实验，可以初步认为，浸泡时间对活性炭焦糖脱色率影响不明显。实验结果表明，在试验范围内，浸泡时间对活性炭的亚甲基蓝吸附值和焦糖脱色率都有一定的影响，对亚甲基蓝吸附值的影响较为明显，同时焦糖脱色率都超过120%，因此在生产上，可以通过调节浸泡时间来得到亚甲基蓝吸附值和焦糖脱色率都很好的活性炭。因为浸泡时间的影响只是在一定范围内波动，而且效果都很好，因此在接下来的单因素实验中，从时间的方面考虑，都选用浸泡1小时。3.1.4活化时间对木屑活性炭理化性能与得率的影响为了测定不同活化时间对活性炭性能的影响，用42Be′的磷酸以2.5：1的浸渍比分别浸泡木屑1小时，在500℃活化温度条件下活化不同的时间制备活性炭，考察不同活化时间对活化效果的影响。3.1.4.1活化时间对木屑活性炭得率的影响实验结果如图3.10，表3.10所示表3.10不同活化时间下的活性炭的得率序号活化时间/min得率/%13044.626043.439034.4412029.1图3.10活化时间对木屑活性炭得率的影响由图3.10可以看出，活性碳的得率随着活化时间的增加，直线下降。3.1.4.2活化时间对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响实验结果如图3.11，表3.11所示表3.11不同活化时间下的活性炭的亚甲基蓝吸附值序号活化时间/min亚甲基蓝吸附值/mg/0.1g1304.6426043.439034.4412029.1图3.11活化时间对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响由图3.11可以看出，在活化时间为60min时，活性炭的亚甲基蓝值达到最大值，但总体效果都还不错，影响不是很明显，因此在生产中，从供能的成本考虑，以活化时间不超过60min为宜。3.1.4.3活化时间对木屑活性炭焦糖脱色率的影响实验结果如图3.12，表3.12所示表3.12不同活化时间下的活性炭的焦糖脱色率序号活化时间/min焦糖脱色率/%130107.5260102.539097.5412087.5图3.12活化时间对木屑活性炭焦糖脱色率的影响由图3.12可以看出，随着活化时间的增加，活性炭的焦糖脱色率在下降。实验结果表明，在实验范围内，随着活化时间的增加，活性炭的焦糖脱色率和得率都在下降，而且活性炭的亚甲基蓝吸附值变化不是很明显，因此在生产中，为获得好的得率，降低供能成本，活化时间在30～60min之间为宜。在接下来的单因素实验中，活化时间选用30min。3.1.5活化温度对木屑活性炭理化性能与得率的影响为了测定不同活化温度对活性炭性能的影响，用42Be′的磷酸以2.5：1的浸渍比分别浸泡木屑1小时，在不同活化温度条件下活化30min制备活性炭，考察不同活化温度对活化效果的影响。3.1.5.1活化温度对木屑活性炭得率的影响实验结果如图3.13，表3.13所示表3.13不同活化温度下的活性炭的得率序号活化温度/℃得率/%130057.9235054.1340049.9445046.7550044.6655038.6图3.13活化温度对木屑活性炭得率的影响由图3.13可以看出，温度越高，活性炭的得率越低。3.1.5.2活化温度对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响实验结果如图3.14,表3.14所示表3.14不同活化温度下的活性炭的亚甲基蓝吸附值序号活化温度/℃亚甲基蓝吸附值/mg/0.1g130019235021340023445024550023655023.5图3.14活化温度对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响由图3.14可以看出，活性炭亚甲基蓝吸附值随着活化温度的升高而增加，活化温度还是比较重要的影响因素。3.1.5.3活化温度对木屑活性炭焦糖脱色率的影响实验结果如图3.15，表3.15所示表3.15不同活化温度下的活性炭的焦糖脱色率序号活化温度/℃焦糖脱色率/%130020.4235024.53400122.54450117.555001206550105图3.15活化温度对木屑活性炭焦糖脱色率的影响由图3.15可以看出，脱色率随着活化温度升高而增加，在活化温度较低的时候，活性炭对焦糖几乎没有脱色力，但活化温度达到400℃，脱色率就上升的很快，在500℃左右出现最大值，但是温度过高，活性炭的吸附性能反而下降。实验结果表明，在实验范围内，活化温度升高活性炭吸附性能升高，但是温度过高，活性炭的吸附性能反而下降，得率也较低。磷酸活化法生产杨树木屑活性炭的活化温度选在500℃左右为宜。3.1.6木屑颗粒度对活性炭理化性能与得率的影响用18目、28目、40目的筛子将木屑分为小于40目的，40～28目的，28～18目、大于18目的四个等级，分别用42Be′的磷酸，以浸渍比2:1，浸泡1小时，在500℃下活化30分钟，以考察木屑的颗粒度对活性炭性能的影响。因为前几个单因素实验固定浸渍比在2.5:1时，焦糖的脱色率数值变化不明显，所以本组实验浸渍比选在2:1.3.1.6.1木屑颗粒度对木屑活性炭得率的影响实验结果如图3.16，表3.16所示表3.16不同颗粒度的木屑制得的活性炭的得率序号颗粒度/目得率/%1<4049.9240～2854.17328～1879.64>1871.8图3.16木屑颗粒度对木屑活性炭得率的影响由图3.16可以看出，颗粒度越小，得率越低。3.1.6.2木屑颗粒度对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响实验结果如图3.17，表3.17所示表3.17不同颗粒度的木屑制得的活性炭的亚甲基蓝吸附值序号颗粒度/目亚甲基蓝吸附值/mg/0.1g1<4020240～2820328～1820.54>1820.5图3.17木屑颗粒度对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响由图3.17可知，颗粒度对木屑活性炭亚甲基蓝吸附值的影响不不大。3.1.6.3木屑颗粒度对木屑活性炭焦糖脱色率的影响实验结果如图3.18，表3.18所示表3.18不同颗粒度的木屑制得的活性炭的焦糖脱色率序号颗粒度/目焦糖脱色率/%1<4090240～2887.5328～18704>1865图3.18木屑颗粒度对木屑活性炭焦糖脱色率的影响由图3.18可以明显的看出，随着颗粒的的增加，焦糖脱色率在减小。实验结果表明，颗粒度的影响还是比较大的，颗粒度越小的磷酸泡料时与木屑中的木质素越易结合，制得的活性炭的吸附能力也相对增强，但同时得率降低。在生产中，各种方式收购来的木屑颗粒度肯定有差别，虽然颗粒度大，活性炭得率高，但是其焦糖脱色率很低，在生产中如果对活性炭焦糖脱色率有要求，在没有适合的颗粒度的木屑时，需要另外将木屑打碎。3.2正交实验正交实验是研究与处理多因素试验的一种科学方法，它是在实践经验与理论认识的基础上，利用一种排列整齐的规格化表—“正交表”来安排试验。由于正交表具有“均衡分散，整齐可比”的特点，能在考察的范围内选出代表性强的少数试验条件，做到均衡抽样。因此能够通过少量的试验次数找到最好的生产和科研条件，即最优方案。3.2.1影响活性炭性能的工艺因素选择根据单因素试验的结果，选择磷酸浓度、浸渍比、活化时间、活化温度4个因素、3个水平，进行L9（34）正交试验，以考察个因素的主次影响，影响因素水平表见表3.19。表3.19因素水平表因素磷酸浓度/Be′浸渍比活化时间/min活化温度/℃水平1382:130400水平2422.5:160450水平3453:1905003.2.2选用正交表4个因素、3个水平，进行L9（34）正交试验，正交实验结果见表3.20表3.20磷酸活化杨树木屑制备活性炭正交实验表实验序号磷酸浓度Be′浸渍比活化时间/min活化温度/℃亚甲基蓝吸附值/mg/0.1g焦糖脱色率/%活性炭得率/%11111228550.12122223122.546.63133323.59538.3421232410041.15223124.512039.6623122410546.773132249033.38321323122.549.9933212511543.53.2.3正交实验结果及其极差分析3.2.3.1得率的极差分析表3.21得率的极差分析实验序号磷酸浓度Be′浸渍比活化时间/min活化温度/℃活性炭得率/%1111150.12122246.63133338.34212341.15223139.66231246.77313233.38321349.99332143.5续表3.21K14541.548.944.4K242.545.443.742.2K342.242.837.143.1R2.83.911.82.2由表3.21可以看出，磷酸活化制备养树木屑活性炭得率的最佳工艺条件组合是：磷酸浓度38Be′、浸渍比2:1、活化时间30min、活化温度400℃。从磷酸活化制备养树木屑活性炭的得率的极差R可知，各因素从主到次的顺序为：活化时间>浸渍比>磷酸浓度>活化温度3.2.3.2亚甲基蓝吸附值的极差分析表3.22亚甲基蓝吸附值的极差分析实验序号磷酸浓度/Be′浸渍比活化时间/min活化温度/℃亚甲基蓝吸附值/mg/0.1g111112221222233133323.542123245223124.56231224731322483213239332125K122.823.32323.8K224.223.52423.7K32324.22423.5R1.40.91由表3.22可以看出，磷酸活化制备养树木屑活性炭的亚甲基蓝吸附值的最佳工艺条件组合是：磷酸浓度45Be′、浸渍比2.5:1、活化时间60min、活化温度400℃。从磷酸活化制备活性炭的亚甲基蓝吸附值的极差R可知，各因素从主到次的顺序为：磷酸浓度>活化时间>浸渍比>活化温度3.2.3.3焦糖脱色率的极差分析表3.23焦糖脱色率的极差分析实验序号磷酸浓度/Be′浸渍比活化时间/min活化温度/℃焦糖脱色率/%111118521222122.53133395421231005223112062312105731329083213122.593321115K1100.891.7104.2106.7K2108.3121.7112.5105.8K3109.2105101.7105.8R8.43010.80.9由表3.23可以看出，磷酸活化制备养树木屑活性炭的焦糖脱色率的最佳工艺条件组合是：磷酸浓度45Be′、浸渍比2.5:1、活化时间30min、活化温度500℃。从磷酸活化制备活性炭的焦糖脱色率的极差R可知，各因素从主到次的顺序为：浸渍比>活化时间>磷酸浓度>活化温度3.2.3.4正交试验结果综合表3.21、表3.22、表3.23可以看出:磷酸活化杨树木屑制备活性炭时，所制得的活性炭亚甲基蓝吸附值的磷酸浓度、浸渍比、活化温度、活化时间四因素最佳组合与产率的四因素最佳组合相差比较大。磷酸浓度和活化温度在对亚甲基蓝吸附值与得率的影响中出现相反的情况，但由于磷酸浓度和活化温度对于产品的亚甲基蓝吸附值来讲为主要影响因素，而对于产品的得率却是次要影响因素，因而在此我们着重考虑这两因素对亚甲基蓝吸附值的影响。而活化时间和浸渍比对产品得率为主要的影响因素，对亚甲基蓝吸附值却是次要影响因素，故在此着重考虑活化时间和浸渍比对产品得率的影响。浸渍比影响活性炭焦糖脱色力最大，而活化时间影响最小。综合考虑主次影响因素，我们选择的最佳组合即:浸渍比为2.5︰1，磷酸波美度为45Be′，活化温度为500℃，活化时间30分钟左右。所制得的活性炭产品的亚甲基蓝吸附值为23，焦糖脱色率为122.5%。4结论通过对磷酸活化杨树木屑制备活性炭的研究，得到以下结论:本课题单因素试验考察了磷酸活化杨树木屑反应中活化剂磷酸与木屑之间的浸渍比、磷酸是浓度、浸泡时间、活化时间、活化温度以及木屑颗粒度对活性炭性能与得率的影响，获得最佳工艺条件。1、通过采用正交实验方法，研究出了磷酸浓度、浸渍比、活化温度、活化时间等因素对制备活性炭的亚甲基蓝吸附值、焦糖脱色率和得率的关系。实验结果为:磷酸活化杨树木屑的产品得率的影响顺序则为活化时间，浸渍比，磷酸浓度，活化温度；亚甲基蓝吸附值影响顺序为磷酸浓度，活化时间，浸渍比，活化温度；焦糖脱色率影响顺序为浸渍比，活化时间，磷酸浓度，活化温度。2、在实验范围浸渍比1.5:1～3:1内，随着磷酸浓度的增人，所制得的活性炭的焦糖脱色率呈上升趋势，而产品得率则呈下降趋势。3、在实验范围磷酸浓度38～48Be′内，随着磷酸浓度的增加，所制得的活性炭的得率呈下降趋势，亚甲基蓝吸附值和焦糖脱色率呈上升趋势。4、在实验范围浸泡时间1～24小时内，随着浸泡时间的增加，所制得的活性炭的得率呈下降趋势，亚甲基蓝吸附值呈上升趋势。5、在实验范围活化时间30～120min内，产品得率和焦糖脱色率随着活化时间的延长而降低。活性炭的亚甲基蓝吸附值先随着活化时间的延长而增加，在炭活化时间约为60min时，亚甲基蓝吸附值达到最高24.5mg/0.1g。而后，随着活化时的延长，其吸附值有所下降。6、在实验范围活化温度350～550℃内，所制得的活性炭得率随着炭活化温度的升高而降低，活性炭的亚甲基蓝吸附值和焦糖脱色率随活化温度升高而增大。7、最佳工艺条件为:浸渍比为2.5︰1，磷酸波美度为45，活化温度为500℃，活化时间30分钟左右。所制得的活性炭产品的亚甲基蓝吸附值为23，焦糖脱色率为122.5%。致谢临近毕业了，最感慨的就是岁月如梭，回想自己在南京林业大学的四年，心情久久无法平静，感谢母校为我提供的良好的学习环境，使得我能够在此专心的学习，快乐的成长。本研究及学位论文是在我的导师老师的亲切关怀和悉心指导下完成的，谨向我的论文指导老师致以最诚挚的谢意！从论文的选题到体系的安排，从观点推敲到字句斟酌，无不凝聚着他的心血。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我