農(nóng)業(yè)廢棄物棉稈活性炭的制備及其孔隙結(jié)構(gòu)表征

李風(fēng)娟 安 靜 蘭海鵬 張紅美 周 嶺

(塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)

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農(nóng)業(yè)廢棄物棉稈活性炭的制備及其孔隙結(jié)構(gòu)表征

李風(fēng)娟 安 靜 蘭海鵬 張紅美 周 嶺*

(塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)

以新疆棉花秸稈為原料，Zncl2/Alcl3為活化劑制備棉稈活性炭，采用正交試驗分析得到棉稈活性炭的最佳制備工藝條件為：Zncl2與Alcl3比例9:1、Zncl2/Alcl3與棉稈比例3:2、浸漬時間16 h、活化溫度650 ℃、保溫時間90 min，在此條件下制備的活性炭的收率為23. 06%，碘吸附值為708. 32 mg/g，BET比表面積518 m2/g，平均孔徑2. 96 nm，孔容0. 384 cm3/g；為觀察棉稈活性炭的孔徑結(jié)構(gòu)，采用SEM對棉稈活性炭的進行了表征，結(jié)果表明棉稈活性炭具有形狀、大小不一的發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)。

棉桿； 活性炭； Zncl2/Alcl3； 收率； 碘吸附值

活性炭是一種黑色多孔碳基固體物質(zhì)，具有十分發(fā)達的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護等領(lǐng)域[1，2]。隨著高比表面積甚至超高比表面積活性炭的出現(xiàn)，活性炭的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，活性炭已經(jīng)不僅僅被當(dāng)作吸附劑來使用，高比表面活性炭還被用來作為氣體燃料的存儲材料及超級電容器等[3]。活性炭的原料來源非常廣泛，幾乎所有含碳物質(zhì)都可以用來制備活性炭[4]，但受到能源危機與環(huán)境問題的影響，開發(fā)利用清潔的農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)資源為原料已成為了活性炭制備的熱點[5]。

新疆作為我國棉花生產(chǎn)的主要基地，每年產(chǎn)生大量的棉稈，2014年新疆棉花種植面積達3 800多萬畝，棉花秸稈產(chǎn)量約2 000萬噸，然而2/3的棉花秸稈被焚燒或粉碎還田，未得到合理的利用，造成了資源浪費和環(huán)境污染[6]。因此尋找一條資源化利用農(nóng)業(yè)廢棄物棉稈的途徑，不僅可以避免燃燒秸稈造成的環(huán)境污染，達到保護環(huán)境的目的，而且又可提高棉田經(jīng)濟效益和農(nóng)民的經(jīng)濟收入，對于農(nóng)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展、實現(xiàn)資源再生具有重要的意義。

本文以新疆棉花秸稈為原料，Zncl2/Alcl3為活化劑制備了棉稈活性炭，采用正交試驗研究了Zncl2/Alcl3活化制備棉稈活性炭的最佳工藝條件，并對制備的棉稈活性炭的結(jié)構(gòu)進行了表征，為棉稈活性炭的制備提供一定的理論支持。

1 試驗

1.1 原料及試劑

原料：試驗棉稈取自新疆塔里木大學(xué)試驗農(nóng)場，風(fēng)干后破碎至1 cm左右備用，NREL法測定其化學(xué)成分分析見表1[7]。

試劑：氯化鋅、氯化鋁、碘、碘化鉀、硫代硫酸鈉、可溶性淀粉、重鉻酸鉀等均為分析純，天津市致遠化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

表1 棉稈的化學(xué)成分分析(%)

1.2 儀器與設(shè)備

稱量儀器采用上海良平儀器儀表有限公司FA1004分析電子天平，精確度為0. 000 1 g；馬弗爐采用的是江蘇江分電分析儀器有限公司JF-2000型智能馬弗爐，最高加熱溫度為1 250 ℃；棉稈及活性炭的表面形貌分析采用的是采用日本株式會社JSM-5800型掃描電子顯微鏡(SEM)，加速電壓：15 KV，制樣時取一定量的棉稈粉末或活性炭粉末放在導(dǎo)電膠上，并做噴金處理。

1.3 活性炭的制備

稱取一定量的 Zncl2與Alcl3混合后，按固液比1:8(質(zhì)量比)加入去離子水，使其全部溶解，在溶液中加入破碎好的棉稈20 g浸漬一定時間，把浸漬過的棉稈放入陶瓷坩堝，密封后移入馬弗爐中加熱至一定溫度，并保溫一段時間后隨爐冷卻至室溫。加熱后的產(chǎn)物用稀鹽酸浸泡30 min后，去離子水沖洗直至濾液成中性，濾渣放入烘箱中105 ℃干燥24小時，研磨后得到棉稈活性炭。計算活性炭的收率，并按照《GB/T12496.8-1999 木質(zhì)活性炭試驗方法：碘吸附值的測定》進行活性炭碘吸附值的測定。

1.4 正交試驗設(shè)計

利用(L16(45))正交實驗表對Zncl2/Alcl3活化制備棉桿活性炭過程中，各影響因素對棉桿活性炭的收率和碘吸附值的影響進行研究。正交試驗因素水平表見表2。

表2 正交試驗因素水平表(L16(45))

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗結(jié)果

按照(L16(45))正交試驗表，所做的正交實驗結(jié)果見表3，并對正交試驗結(jié)果中活性炭收率和碘吸附值進行極差分析，可得A3B3C2D3E3的工藝條件下制備的活性炭的收率和碘吸附值都最高，但該組合不在正交試驗設(shè)計的16組試驗中，需進一步進行試驗驗證。

按1.3所述活性炭的制備方法，選擇A3B3C2D3E3的工藝條件組合，即Zncl2與Alcl3比例9:1、Zncl2/Alcl3與棉稈比例3:2、浸漬時間16 h、活化溫度650 ℃、保溫時間90 min。

表3 正交試驗結(jié)果

在此條件下制備的活性炭的收率為23. 06%，碘吸附值為708. 32 mg/g。采用NOVA 4200e全自動比表面和孔隙度分析儀測定該條件下制備的棉稈活性炭的BET比表面積518 m2/g，平均孔徑2. 96 nm，孔容0. 384 cm3/g，因此該試驗條件即為Zncl2/Alcl3活化制備棉稈活性炭的最佳工藝條件。

2.2 棉稈活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)分析

對棉稈及棉稈活性炭的表觀形貌進行表征，所得SEM照片如圖1～3所示。在800倍的放大倍數(shù)下，由圖1棉稈的SEM照片和圖2棉稈活性炭的SEM照片可以看出，棉稈活性炭的表面具有清晰的孔道結(jié)構(gòu)，且從圖3棉稈活性炭放大3 000倍的SEM照片可以看出，在棉稈活性炭表面分布有形狀、大小不一的發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)，這是活性炭具有較強吸附能力的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

(1) 以新疆棉花秸稈為原料，Zncl2/Alcl3為活化劑制備棉稈活性炭，最優(yōu)工藝條件為：Zncl2與Alcl3比例9:1、Zncl2/Alcl3與棉稈比例3:2、浸漬時間16 h、活化溫度650 ℃、保溫時間90min，在此條件下制備的活性炭的收率為23. 06%，碘吸附值為708. 32 mg/g，BET比表面積518 m2/g，平均孔徑2. 96 nm，孔容0. 384 cm3/g。

(2) Zncl2/Alcl3活化制備的棉稈活性炭表面分布有形狀、大小不一的發(fā)達的孔道結(jié)構(gòu)，這有利于活性炭孔隙結(jié)構(gòu)的形成，可以增強其吸附能力。

[1] 鄭其庚.活性炭研究[M].上海:華東理工大學(xué)出版社,2002：23-25.

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[3] 宋海申.超級電容器用活性炭電極材料制備及性能研究[D].湖南:中南大學(xué),2007.

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[5] 何詠濤.利用農(nóng)林廢棄物聯(lián)產(chǎn)生物油和生物炭[D].浙江:浙江工業(yè)大學(xué),2012.

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[7] 周嶺,王明峰,蔣恩臣，等.基于多重掃描法對棉稈熱解動力學(xué)的研究[J].塔里木大學(xué)學(xué)報,2015,27(1):81-85.

Preparation of Activated Carbon from Cotton Stalk and Characterization on it's Structure

Li Fengjuan An Jing Lan Haipeng Zhang Hongmei Zhou Ling*

(College of Mechanic and Electrical Engineering，Tarim University, Alar, Xinjiang 843300)

Activated carbon was prepared from cotton stalk as raw material, and Zncl2/Alcl3as activator. The optimum process condition is obtained by orthogonal test analysis，which is the ratio of Zncl2and Alcl3is 9:1, impregnation time is 16 h, the ratio of Zncl2/ Alcl3and cotton stalk is 3:2, activation temperature is 650 ℃, holding time is 90 min. Under this process condition, the yield of activated carbon is 23. 06%, and the iodine adsorption value is 708. 32 mg/g, BET specific surface area is 518 m2/g, average pore size is 2. 96 nm, microporous volume is 0. 384 cm3/g. And to observe the pore structure of the activated carbon, SEM was used to show that there are developed holes with different size and shape on the surface of the activated carbon.

cotton stalk; activated carbon; Zncl2/ Alcl3; yield; iodine adsorption properties

1009-0568(2016)04-0095-04

2015-12-8

塔里木大學(xué)校長基金項目(TDZKSS201410)；國家自然科學(xué)基金地區(qū)科學(xué)基金項目(51566016)。

李風(fēng)娟(1984-)，女，碩士，講師，研究方向為材料學(xué)。 E-mail：fengjuan_1984@163.com

*為通訊作者 E-mail：zhoul-007@163.com

TK6

A

10.3969/j.issn.1009-0568.2016.04.015