烏梅果核制備活性炭工藝研究

劉澤峰+白吉慶+張濤

作者簡介：劉澤峰（1968—），男，高級工程師,主要從事制藥工程設計和制藥工藝研究工作。中圖分類號：FS255文獻標識碼：A文章編號：16749944(2014)05030702

1引言

烏梅在我國南方種植面廣,產量大。烏梅果肉被利用完后,果殼往往被人們丟棄,造成環境污染。為了開發果殼活性炭新原料,探索最佳工藝，本實驗選用烏梅果殼,以磷酸為活化劑,采用微波制備活性炭。因為目前果殼活性炭生產工藝國內外基本上采用物理法,物理法活性炭得率低［1］,成本居高不下,而且磷酸具有對環境污染程度低的顯著優點,是當前世界活性炭工業中化學活化法的主要輔料之一［2,3］。

2實驗準備

2.1材料選擇

實驗采用四川省都江堰地區所產烏梅果殼,洗凈烘干后粉碎,過60 目篩備用。

2.2實驗儀器及試劑

MCLE-3微波發生器、FW100 型微型高速萬能粉碎機、SHZ-Ⅲ循環水真空泵和CS102-2型電熱鼓風干燥箱,JSM-60000型電子顯微鏡。

選用化學試劑包括析純用磷酸H3PO4 ,工業用氮氣N2(>95%)。

2.3烏梅果殼活性炭的制備

稱量烏梅果殼25份,5份為一組,每份30g,分別用20%、30%、40%、50%、60%的H3PO4 溶液浸漬 24h;抽濾后,將烏梅果殼裝進石英管,送入微波爐中,通N2氣體保護,進行微波活化處理。處理時間分別設定為6min、7min、8min、9min、10min。取出樣品,用熱水充分洗滌至濾液呈中性。然后將樣品放入電熱鼓風干燥箱,在 110℃左右條件下烘干。最后將樣品放入干燥容器中冷卻至室溫,研磨,過 100 目實驗篩,得粒徑＜018mm 烏梅果殼炭產品。

3實驗過程分析

3.1不同條件下的烏梅果殼活性炭的制備

3.1.1實驗一

在1000W 固定微博功率條件下,分別考察不同的微波輻照時間和磷酸濃度對活性炭碘值和活性炭得率的影響（圖1）。

圖1微波輻照時間對碘值和得率的影響

由圖1可以看出,隨著輻照時間不斷延長,碘值也不斷增大,這是因為隨著輻照時間增加,活性炭受熱增加,可揮發性有機物不斷揮發,新的孔徑不斷形成,活性炭表面積增加。8min時,碘值達到最大,隨后明顯下降。這是因為,輻照時間過長,導致其活化溫度過高,表面孔徑坍塌,孔徑閉塞,碘值反而下降。

得率隨著加熱時間的延長,得率不斷提高,到8min以后,不斷下降,這是因為加熱過程使有機物不斷碳化,剩余的產品質量隨之減少,因此,微波輻照時間在本實驗中存在一最佳值8min。

3.1.2實驗二

在1000W固定功率,改變磷酸的濃度對碘值的影響（圖2）。

圖2磷酸濃度對碘值得影響

由圖2可知,磷酸濃度在10%~60%的范圍內時,隨著濃度的增加,活化程度增大,孔徑結構增多,果殼炭的碘值逐漸上升;磷酸濃度為40%時,碘值達到最大值1108.4mg/g;進一步增加濃度,碘值反而下降,這是因為磷酸濃度過高,會導致活化劇烈,微孔燒蝕嚴重,活性炭灰化。

3.2正交試驗

采用正交試驗表對以上數據進行分析,以獲得微波法制備活性炭的最佳工藝條件,因素水平見表1。

表1因素水平

水平因素(微波固定功率1000W)輻照時間/min磷酸濃度/%162027303840495051060

正交試驗局部結果見表2。

表2正交試驗方案及局部結果選取

實驗號因素考核指標輻照時間/min磷酸濃度/%碘值/(mg/g)122786.32233821.75344898.764331108.405421000.32624998.56743879.56824798.10932822.34K1232.38243.69K2256.98258.12K3241.25249.65K174.5883.65K286.2492.41K368.6478.85△K24.6014.93S89.2592.41

由表2可知,實驗號為4號條件下,正交試驗得出活性炭制備工藝的最佳參數,即:輻照時間8min;磷酸濃度40%。

4烏梅果殼活性炭表面形態及孔徑分析

取最佳條件下制得的烏梅果殼炭,進行表面形態及孔結構分析。在JSM-60000型電子顯微鏡觀察,可以看出烏梅果殼炭粒徑相近,形狀較規則,表面可以清晰看到凹凸的孔結構。烏梅果殼炭孔徑分布如表3所示。

表3烏梅果殼活性炭孔徑分布表

孔徑范圍/nm0.5~11~22~1010~2020~30分布比率/%13.345.639.41.080.62

可以看出該果殼炭主要以微孔和中孔結構為主。0.5~2nm 孔徑的微孔結構最豐富,達50%以上;另 2~10nm 孔徑的中孔結構也較豐富,占 39%。在吸附過程中,物理吸附主要靠活性炭表面的孔徑完成。吸附作用最大的是微孔,對吸附量起著決定作用。中孔是吸附物質分子的通道,支配著吸附的速度;又在一定相對壓力下發生毛細凝結,使有些不能進入微孔的分子被吸附,所以中孔對大分子的吸附有重要的作用［4］。

5實驗結論

本實驗條件下,獲得果殼活性炭最大碘值11084mg/g及最高得率482%,需滿足的最佳條件是,微波功率 1000W,輻照時間 8min,磷酸濃度40%。

本實驗條件下,獲得烏梅果殼活性炭的孔結構以05~10nm孔徑為主,優于商業活性炭的標準。根據林業部標準LY/T1125-93,可用作提金炭。

同時烏梅果殼活性炭在精細化工、醫藥化工、生物制藥過程中的產品提純、精制、脫色、過濾中是很好的輔助材料。所以利用烏梅果殼制備活性炭對緩解活性炭原料資源緊張及廢棄物再生利用都具有重要的現實意義。

參考文獻：

［1］ 李海朝,張世潤.提高果殼活性炭得率研究［J］.林產化工通訊,2002,36(3).

［2］ Hsu L Y,Teng H.Influence of different chemical rea-gents on the preparation of activated carbons from bitum-inous coal［J］.Fuel Process Techno,2000,64(2):155~166.

［3］ EvabsM J B,Halliop E,MacDonald JA F.The produc-tion of chemically-activated carbon［J］.Carbon,1999,37(2):269~274.

［4］ Wigmans T.Industrial aspects of production and use of acti-vated carbons［J］.

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