甘蔗渣基炭材料的制備及結構和性能研究

曾 建，梁 磊，謝晉謀，黃向陽，楊新強

（1廣州甘蔗糖業研究所 廣東省甘蔗改良與生物煉制重點實驗室，廣東廣州510316；2廣東省植物纖維綜合利用工程技術研究開發中心，廣東廣州510316；3廣州市植物纖維綜合利用重點實驗室，廣東廣州510316；4云南康豐糖業(集團)有限公司，云南保山678000）

0 引言

中國的森林資源一直在減少，環境日益遭到破壞，國家越來越重視生態環境保護與森林資源開發的問題。同時，隨著國家退耕還林政策的實施，嚴格限制利用天然林木生產木炭和木炭用量的大量增加，天然木炭已經滿足不了市場需求。因此，使用秸稈、木屑、花生殼等低品位生物質制備的炭材料越來越受到重視[1]。秸稈、木屑、花生殼等低品位生物質都是農業廢棄物和工業廢棄物，原料來源豐富，價格低廉，直接焚燒不僅利用率低，而且污染環境。

甘蔗渣是制糖工業副產品，最主要的成分是纖維素，其次是木質素和半纖維素，其中纖維素占32%～48%，木質素占23%～32%，半纖維素占19%～24%，成分相對穩定[2-4]。甘蔗渣的碳水化合物的含量與一般木材相當，是一種含豐富碳源的材料，利用甘蔗渣制備炭材料是甘蔗渣高值化綜合利用的一種新途徑[5-6]。

1 實驗部分

1.1 材料、試劑與儀器

甘蔗渣，廣東茂源糖業有限公司；氫氧化鈉，化學純。

馬弗爐，天津泰斯特儀器公司；粉碎機，青島興旺機制木炭廠；木炭機，青島興旺機制木炭廠；臺式掃描電鏡，荷蘭Phenom公司。

1.2 實驗方法

圖1為實驗流程圖。將甘蔗渣浸入1%(w/w)NaOH溶液，液質比5：1，室溫下攪拌清洗0.5 h，取出甘蔗渣用自來水清洗至接近中性后，過濾，置于烘箱干燥。將干燥后的甘蔗渣，經粉碎機粉碎，再經木炭機擠壓成型，然后置于炭化爐高溫炭化，最后得到甘蔗渣基炭材料，炭材料為中空結構。實驗流程照片圖如圖2。

圖1 實驗流程圖

圖2 實驗流程照片圖

2 結果與討論

2.1 含水量

在擠出成型過程中，甘蔗渣的含水量對成型過程和產品質量影響很大，當原料水分過高時，加熱過程中產生的蒸汽太多不能順利地從棒的中心孔中排除，造成棒的表面開裂，嚴重時造成不出棒，但水分太低成型也很困難，甚至無法成型。實驗結果表明，原料最適宜的水分應保持在10%左右，表1是甘蔗渣含水量對擠出成型的影響。

表1 甘蔗渣含水量對擠出成型的影響

2.2 甘蔗渣尺寸

表2是甘蔗渣尺寸對擠出成型的影響。甘蔗渣的尺寸不宜太長，太粗，也不宜太短，太細，否則不利于甘蔗渣的擠壓成型。在甘蔗渣擠壓成型之前，甘蔗渣需要進行粉碎，尺寸大小以20～30目為佳。

表2 甘蔗渣尺寸對擠出成型的影響

2.3 擠出成型溫度

甘蔗渣棒成型過程中不添加任何黏合劑和其他化學試劑。溫度過低，容易造成出棒筒堵塞，難以出棒，甚至可能將螺桿扭斷；溫度過高，會使棒體表層炭化，難以形成有效壓力，無法成型，擠出成型溫度對擠出成型的影響結果見表 3。結果表明，甘蔗渣在擠壓成型過程中，溫度應控制在160～180℃左右，并根據現場實際情況進行細微的調整。

表3 擠出成型溫度對擠出成型的影響

2.4 產率

炭材料的產率(%)=炭材料的質量/甘蔗渣棒的質量×100。甘蔗渣制備炭材料產率見表4，甘蔗渣制備炭材料的平均產出率為28.6%。

表4 甘蔗渣制備炭材料產率

2.5 甘蔗渣預處理

經實驗測試，未預處理的甘蔗渣灰分為3%～5%，堿洗預處理后的甘蔗渣灰分為0.7%～1.2%。未預處理的甘蔗渣制備的炭材料灰分為14%～26%，固定碳含量較低，堿洗預處理后的甘蔗渣制備的炭材料灰分為4%～6%，固定碳含量較高，發熱量大，性能與原木炭相當[7]。結果表明，堿洗預處理對炭材料的性能有明顯的提高。表5的實驗數據由廣東省質量監督煤炭檢驗站官方檢測，炭材料的成分包括水分、灰分、揮發分、固定碳。

2.6 炭材料的微觀結構

通過臺式掃描電鏡(SEM)觀察甘蔗渣基炭材料的微觀結構，發現炭材料的橫截面為獨特緊密的折疊紋路，沒有明顯的貫穿孔洞，如圖3所示。

圖4為阿拉丁20～50目活性炭和原木炭的SEM圖。圖中可以發現活性炭表面存在大量的微孔結構，孔洞內徑從零點幾微米到十幾微米不等，原木炭的橫截面存在大量的疏松孔洞，且孔洞內徑較大，10 μm左右，與甘蔗渣基炭材料的微觀結構有明顯的不同。這可以解釋機制甘蔗渣基炭材料的密度高于原木炭的原因。

表5 甘蔗渣預處理對炭材料性能的影響

圖3 甘蔗渣基炭材料的橫截面SEM圖（右圖為局部放大圖）

圖4 SEM圖（左：阿拉丁20～50目活性炭，右：原木炭）。

3 結語

本文研究了甘蔗渣含水量、尺寸，擠出溫度、預處理方法對炭材料制備的影響，并用臺式掃描電鏡研究了炭材料的微觀結構。結果表明，最佳制備條件為經堿洗預處理的20～30目、含水量在8%～12%的甘蔗渣在160～180℃下擠出成型，再經炭爐炭化后得到灰分較低，固定碳含量較高的炭材料。甘蔗渣制備炭材料的平均產出率可以達到 28.6%，甘蔗渣基炭材料的形貌結構較為獨特。

[1] 李勤，黃亞繼，金保升. 利用生物質制取活性炭的現狀及現實意義[J]. 山西能源與節能，2008，4(51)：13-15.

[2] 任俊莉，孫潤倉，劉傳富. 蔗渣可再生資源的最新利用進展[J]. 中國糖料，2006(2)：55-57.

[3] 周林，郭祀遠，蔡秒顏. 蔗渣的生物利用[J]. 中國糖料，2004(2)：40-42.

[4] 涂啟梁，付時雨，詹懷宇. 甘蔗渣綜合利用的研究進展[J]. 中國資源綜合利用，2006(11)：13-16.

[5] 周曉薇. 用蔗渣生產顆粒活性炭[J]. 廣西蔗糖，2001(4)：31-34.

[6] 張志航，于淑娟，李國基，等. 氯化鋅法蔗渣制備活性炭研究[J]. 甘蔗糖業，1998(4)：32-34.

[7] 中華人民共和國林業部. 木炭和木炭試驗方法 GB/T 17664-1999[S]. 北京：中國標準出版社，1999.