花生殼粉末活性炭成型工藝研究*

俞力家，李強，王天貴

（1.河南工業大學化學化工學院，河南鄭州450001；2.山西大同大學化學與化工學院，山西大同037009）

花生殼粉末活性炭成型工藝研究*

俞力家1，李強2，王天貴1

（1.河南工業大學化學化工學院，河南鄭州450001；2.山西大同大學化學與化工學院，山西大同037009）

本文研究了花生殼粉末活性炭的成型條件。分別采用淀粉、聚乙烯醇、羧甲基纖維素鈉水溶液作為粘合劑，將粉末狀花生殼活性炭粘結加壓成型，制成直徑5mm、高7mm的圓柱體。考察了粘合劑用量、處理溫度、處理時間等因素對成型后活性炭吸附性能及機械強度的影響，并用碘的吸附值、柱狀活性炭的密度及是否容易碎裂進行了表征。實驗結果表明，羧甲基纖維素鈉粘合劑所制得的活性炭性吸附能最好，碘附值可達900 mg·g-1，聚乙烯醇粘合劑所制得的活性炭機械強度最好，碘附值在750 mg·g-1左右，淀粉粘合劑所制得的活性炭吸附能與聚乙烯醇相近，但機械強度較差，容易碎裂。處理溫度和時間影響不大，以200～300℃下密閉處理60min左右為宜。聚乙烯醇適宜用量為粉末炭的10%，而羧甲基纖維素鈉用量要大于粉末活性炭的5%。

花生殼；活性炭；成型

花生是我國主要的經濟作物之一，年總產量達1500萬t左右[1]，約占世界花生總產量的40%，總產量和出口量均居世界首位[2]。花生殼約占花生總質量的三分之一，主要成分是木質素、半纖維素和纖維素，三者約占花生殼質量的75%～80%。有很多研究工作涉及花生殼利用，其中花生殼制活性炭最具實用價值[3-5]。雖然花生殼制備活性炭的工藝早在二十世紀90年代中期就有報道，但直到今天，國內依然極少有相關的工業化報道。各種原因可能很多，但缺乏實用技術可能是主要原因之一。由于經活化、炭化生產出的活性炭均為粉末狀，使用、運輸極不方便，難以商品化，無法推廣應用。如果將粉末活性炭成型，則會有利于花生殼活性炭的工業化、商品化[6-10]。常用的成型劑分為兩類，即有機類和無機類。成型工藝也有兩種：（1）是先成型再炭化；（2）則是先炭化再成型。無論是成型劑還是成型工藝，都各有利弊[11-14]。本文研究了淀粉、聚乙烯醇（PVA）、羧甲基纖維素鈉（CMC）對粉末花生殼活性炭成型后吸附性能及機械強度的影響，同時考察了成型工藝條件的影響。

1 實驗部分

1.1 粘合劑的配制

稱取30g淀粉置于燒杯中，加入200mL水，在不斷攪拌下加熱糊化，冷卻至室溫即得淀粉粘合劑（淀粉含量13%），封裝備用。

PVA粘合劑和CMC粘合劑的配制方法類似淀粉粘合劑，前者也是30g加入200mL水（PVA含量13%），而后者是7.5g加入200mL水（CMC含量3.6%）。

1.2 粉末花生殼活性炭的制備方法

將粉碎后的花生殼和35%的ZnCl2溶液按固液比2∶1混合均勻，在室溫下放置12h，再將其移至坩堝中，加蓋上置于馬弗爐中，在550℃下碳化2.5h，取出冷卻，以（1＋9）HCl和熱水洗滌，再用蒸餾水洗滌至pH值為5～7，110～120℃下烘干、研磨，即得到粉末狀活性炭。

1.3 柱狀活性炭的制備方法

稱取一定量的粉末活性炭置于燒杯中，加入適量粘合劑，充分攪勻后，倒入模具中，在50～60MPa的壓力下將混合物壓制成片狀，再用柱狀模型將片狀活性炭制成柱狀，將成型好的柱狀活性炭放入馬弗爐中，在一定溫度下密閉處理一定時間，取出冷卻后即成柱狀活性炭成品（圖1），具體流程見圖2。

圖1 從左至右分別以PVC、CMC、淀粉為粘合劑制備的柱狀活性炭（φ5×7）Fig.1Columnar activated carbon prepared by PVC/CMC and starch as adhesion agent(φ5×7)

圖2 柱狀活性炭制備工藝流程圖Fig.2Flow chart for preparation of columnar activated carbon

1.4 活性炭吸附性能的評價

采用碘吸附值（GB/T12496.8-1999）評價所制活性炭的吸附性能，用質量/體積計算其密度值。通過觀察活性炭下落碰撞地面碎裂情況定性評價其機械強度。

2 結果與討論

2.1 活性炭與粘合劑配比的影響

取8g粉末活性炭，分別以不同的質量比與前述3種粘合劑混合，攪拌均勻，在200℃下密閉處理60min，考察活性炭與粘合劑配比對柱狀活性炭性能的影響，實驗結果見圖3。

圖3 不同質量比對碘吸附量的影響Fig.3Effect of different quality to adsorbance of iodine

由圖3可以看出，就吸附性能而言，CMC作為成型劑最好，其所得活性炭碘吸附值遠高于PVA和淀粉。CMC和淀粉成型劑存在最佳用量，大約是1∶1。而PVA用量越大，活性炭吸附性能越差，呈單調下降之勢。但是，以PVA粘合劑所得樣品機械強度最好，CMC次之，淀粉最差。

2.2 后處理溫度的影響

取8g粉末活性炭，按1∶1加入不同的粘合劑，固定處理時間60min，考察后處理溫度對活性炭吸附性能的影響，實驗結果見圖4。

圖4 處理溫度對碘吸附量的影響Fig.4Effect of temperature to adsorbance of iodine

由圖4可以看出，處理溫度對樣品的吸附性能影響不大，CMC成型活性炭碘吸附量最大，在850～900 mg·g-1之間，以200～250℃為宜。PVA和淀粉成型活性炭碘吸附量相近，在750～800 mg·g-1之間。從成本角度考慮，溫度不宜過高，以保證成型劑完全炭化為準。

2.3 后處理時間的影響

以1∶1的質量比將粉末活性炭與粘合劑混合制樣，在200℃下處理不同時間，考察煅燒時間對所得樣品吸附性能的影響，實驗結果見圖5。

圖5 后處理時間對碘吸附量的影響Fig.5Effect of afterprocessing time to adsorbance of iodine

由圖5可以看出，后處理時間對柱狀活性炭的吸附性能影響也不大，處理時間60min已經足夠。處理時間過長，不僅會造成活性炭質量損失，對其吸附性能也不利。

2.4 工藝條件優化

經過前面粘合劑用量、處理時間、處理溫度的研究，已經基本上了解了其影響規律。為了更好的比較3種成型劑在不同成型條件下所得活性炭的吸附性能和機械強度，并同時了解各種因素的交互作用情況，采用正交實驗進一步優化實驗，正交實驗因素水平及實驗安排見表1、2。

表1 因素水平表Tab.1Table of level of factor

表2 L9（34）實驗方案及結果Tab.2L9(34)experimental program and results

由表2的實驗結果及極差分析可以看出，各因素的影響程度依次為粘合劑種類、粘合劑加入量、后處理溫度、后處理時間。單就碘吸附值來看，CMC效果最好，其優化條件為：粉末活性炭與CMC粘合劑的質量比為1∶1.25，后處理時間60min，后處理溫度300℃。但是，若兼顧到機械強度，第9號實驗結果最好，不僅有好的吸附性能，也不易碎裂。

實驗方差分析結果見表3，只有成型劑種類具有統計學上的顯著性，這與前面的單因素實驗結果一樣。

表3 吸附碘方差分析表Tab.3Analysis of variance for adsorbance of iodine

3 結論

通過比較淀粉、聚乙烯醇、羧甲基纖維素鈉3種粘合劑對花生殼粉末活性炭成型性能的影響，制成了性能較好的柱狀活性炭。用聚乙烯醇作為粘合劑制得的活性炭機械強度好，但吸附性能稍差，碘吸附值在750 mg·g-1左右。用羧甲基纖維素鈉作為粘合劑制得的活性炭吸附性能好，但機械強度稍差，碘吸附值在850～900 mg·g-1左右。用淀粉作為粘合劑制得的活性炭機械強度差，吸附性能與聚乙烯醇相近。后處理溫度和時間對成型活性炭的吸附性能影響較小，以200～300℃和60min左右為宜。若用羧甲基纖維素鈉為成型劑，用量要大于粉末炭的5%，若用聚乙烯醇為成型劑，用量約為粉末炭的10%。

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Study on the shaping conditions of activated carbon powder from peanut shells*

YU Li-jia1,LI Qiang2,WANG Tian-gui1
（1.School of Chemistry and Chemical Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China;2.School of Chemistry and Chemical Engineering,Datong University of Shanxi,Datong 037009,China）

The preparation conditions of a cylindrical activated carbon（AC）from the powder of peanut shell activated carbon were studied.Three kinds of binders,the aqueous solutions of polyvinyl alcohol（PVA）,sodium carboxymethylcellulose（CMC）and starch were used to make cylindrical activated carbons of φ5×7 mm.The effects of the amount of the binders,calcination temperature and time on the absorption capacity and the toughness were investigated.The experimental results showed that the shaped AC from CMC binder has the highest Indium absorption capacity,e.g.900 mg·g-1,but a little poor toughness;those from PVA binder were toughest but a little lower Indium absorption capacity,about 750 mg·g-1;those from starch binder were fragile and their absorption ability were similar to those from PVA.Calcination temperature and time affect the performances of the shaped AC unsubstantially and 200～300℃,60 min were preferred.For a good quality of shaped AC,the dosage of PVA may equal to 10 percent of that of the powder AC and the amount of CMC should overpass 5 percent of the powder AC mass.

peanut shell；activated carbon；shaping

book=2010,ebook=226

X705

A

1002-1124（2010）11-0012-04

2010-09-02

河南省教育廳自然科學研究計劃項目（2009B530002）

俞力家，男，碩士研究生。

導師簡介：王天貴（1962-），男，博士，教授，研究方向：清潔生產。