微波—磷酸法稻草秸稈活性炭的制備

趙際灃 王樹永

摘 要：通過微波輻照提供能量，磷酸作為活化劑來制備稻草秸稈活性炭。結(jié)果表明，最高稻草秸稈活性炭的碘值是875.4mg/g，對應(yīng)工藝條件為微波輻照功率264W，微波輻照時(shí)間2min，磷酸濃度為40%，固液比1：5，該條件下的產(chǎn)率為40.3%。方差分析顯示各因素對碘值的影響均未達(dá)到顯著水平；而磷酸濃度對產(chǎn)率的影響則達(dá)到了顯著水平。

關(guān)鍵詞：稻草秸稈；活性炭；微波法；磷酸

中圖分類號：TQ914.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-7394（2015）04-0040-05

0 引言

稻草秸稈是農(nóng)作物秸稈的重要組成部分，其主要成分是植物纖維素。纖維素、半纖維素、和木質(zhì)素構(gòu)成了植物纖維的基本組成。稻草中所含的纖維素和半纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約有70%，是優(yōu)良的活性炭制備前驅(qū)體，用稻草秸稈制備的活性炭，具有較高的吸附能力。[1]

化學(xué)活化法是一種常見的活性炭制備方法，可以實(shí)現(xiàn)一步法完成活性炭的制備并可改善活性炭的孔結(jié)構(gòu)。常用的化學(xué)活化劑有氯化鋅、磷酸、氫氧化鉀和碳酸鉀等。[2]采用磷酸活化具有活化溫度低、形成的活性炭孔結(jié)構(gòu)較寬和環(huán)境污染較小[3-4]等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。關(guān)于磷酸活化椰子殼[5]、棉桿[6]、高粱[7]制備活性炭均有相關(guān)報(bào)道。

微波輻照加熱與傳統(tǒng)熱源比具有可實(shí)現(xiàn)原料內(nèi)部加熱、熱效率高、可控性好、污染較小等特點(diǎn)。近年來國內(nèi)外有諸多學(xué)者采用該技術(shù)作為熱源研究活性炭的制備。[8-14]

本文原料稻草秸稈在微波輻照加熱下通過H3PO4化學(xué)活化制得活性炭，正交法用于優(yōu)化工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

原料自然風(fēng)干的稻草秸稈取自于河北某地。

磷酸、氫氧化鈉、鹽酸、碘、碘化鉀、硫代硫酸鈉、可溶性淀粉均為分析純。

格蘭仕微波爐（P70D20TJ-D3）、pH計(jì)、恒溫振蕩器（ZD-85型）、電熱干燥箱、恒溫加熱器、AL204電子天平、200目篩。

1.2 活性炭制備步驟

①預(yù)處理：將烘干的稻草秸稈首先浸泡于2%（Wt）的NaOH溶液中48 h（去稻草中的灰分、可溶于水的雜質(zhì)及其表面的蠟質(zhì)），浸漬好的樣品用蒸餾水清洗至中性后干燥。

②制備：將①中樣品與磷酸按照一定的浸漬比混合，然后105℃下烘干2小時(shí)，送入微波爐中以一定的功率和時(shí)間進(jìn)行微波處理，微波處理后的樣品經(jīng)酸在洗、水洗后經(jīng)干燥、過篩得活性炭產(chǎn)品。

固液比=稻草秸稈質(zhì)量（浸漬樣品質(zhì)量）-（稻草秸稈質(zhì)量）

1.3 正交實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用四因素三水平正交表L9（34）進(jìn)行正交工藝參數(shù)優(yōu)化，活性炭的碘值和產(chǎn)率作為評價(jià)目標(biāo)，因素水平見1.4 性能測試

活性炭碘值的測定采用《GB/T12496.8-99》規(guī)定的碘量法[15]。

活性炭產(chǎn)率按重量法計(jì)，即以活性炭產(chǎn)品的重量與原料的重量比來計(jì)算。

產(chǎn)率=活性碳產(chǎn)品的質(zhì)量稻草秸稈的質(zhì)量×100%

活性炭表面形態(tài)用S–3400NⅡ型（日本Hitachi公司）掃描電子顯微鏡（SEM）測定。

2 結(jié)果與討論

由表2中可知，對碘吸附值影響從大到小依此是：C>B>D>A。最佳工藝為：C1B2D2A2，相應(yīng)的最優(yōu)制備條件是：輻照時(shí)間2min，活化劑濃度40%，輻照功率264W，固液比1∶5。此組合下做2組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，活性炭碘值分別為886.1 mg/g和864.7mg/g，平均碘值為875.4mg/g，平均產(chǎn)率為40.3%。對產(chǎn)率的影響從大到小依此是：B>A>C>D。最佳工藝為B2A2C3D2，相應(yīng)的最優(yōu)制備條件為：活化劑濃度40%，固液比1∶5，輻照時(shí)間4min，輻照功率264W。此組合下做2組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，活性炭產(chǎn)率分別為38.1%和40.7%，平均產(chǎn)率為39.4%，平均碘值為807.6 mg/g。

對正交試驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行方差分析，具體分析結(jié)果見表3和表4。

表3和4表明，各因素對活性炭碘值的影響均未達(dá)到顯著水平；對產(chǎn)率的影響，B（磷酸濃度）因素達(dá)到顯著水平。

2.2 稻草秸稈活性炭的微觀結(jié)構(gòu)

原料稻草秸稈、預(yù)處理后的稻草秸稈和最優(yōu)工藝條件（C1B2D2A2）下制得的活性炭的掃描電鏡圖見圖1。從圖1可以看出原料稻草秸稈表面結(jié)構(gòu)緊實(shí)、較為平滑、有沉積物質(zhì)附著；經(jīng)NaOH溶液預(yù)處理后的秸稈表面呈現(xiàn)清晰的鱗片結(jié)構(gòu)，這為后續(xù)微波輻照造孔創(chuàng)造了條件；稻草秸稈活性炭孔結(jié)構(gòu)明顯，甚至形成了較為均一、有序的孔結(jié)構(gòu)，預(yù)示著活性炭有較好的吸附性能。

圖1 稻草秸稈及稻草秸稈活性炭電鏡掃描 a 稻草秸稈 （×2000） b 預(yù)處理后的稻草秸稈（×3000） c 稻草秸稈活性炭（×2000）

3 結(jié)論

（1）微波輻照加熱，磷酸活化制備稻草秸稈活性炭，各因素對碘值影響依次為輻照時(shí)間最大，活化劑濃度次之，微波功率再次之，固液比最小；相應(yīng)的最優(yōu)制備條件是：微波輻照時(shí)間為2min，活化劑磷酸濃度為40%，微波功率264W，固液比為1∶5，該條件下活性炭的碘值可達(dá)875.4mg/g，產(chǎn)率為40.3%。

（2）各因素對活性炭產(chǎn)率的影響依次為活化劑濃度最大，固液比次之，輻照時(shí)間再次之，微波功率最小；相應(yīng)的最優(yōu)制備條件是：活化劑濃度為40%，固液比為1∶5，微波輻照時(shí)間為4min，微波功率為264W，該條件下活性炭的產(chǎn)率可達(dá)39.4%，平均碘值為807.6 mg/g。

（3）活化劑濃度、輻照時(shí)間、微波功率、固液比對稻草秸稈活性炭碘值影響均未達(dá)到顯著水平；活化劑磷酸濃度對產(chǎn)率的影響則達(dá)到了顯著水平。

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Preparation of Activated Carbon from Straw Stalk by Microwave Heating

ZHAO Ji-Feng，WANG Shu-Yong

（Zhangjiakou Environmental Monitoring Station，Zhangjiakou 075000，China）

Abstract：Microwave irradiation was used as a heat source in the preparation of activated carbon from straw stalk by H3PO4 chemical activation.By optimizing reaction conditions of microwave radiation time of 2min，H3PO4 solution concentration of 40%，microwave power of 264W and solid-to-liquid ratio of 1∶5，the maximum odine number of 875.4 mg/g achieved.Furthermore，analysis of variance indicated that none of the factors was significant on iodine value and the yields was influenced significantly by the H3PO4 solution concentration.

Key words：straw stalk；activated carbon；microwave；H3PO4

責(zé)任編輯 祁秀春