水稻秸稈制備生物制活性碳

(貴州大學(xué) 貴州 貴陽(yáng) 550000)

當(dāng)代世界，傳統(tǒng)礦產(chǎn)資源瀕臨枯竭，資源短缺極大限制了世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，快速崛起的中國(guó)也面臨著資源不足的嚴(yán)峻考驗(yàn)，因此對(duì)于新能源的開(kāi)發(fā)利用提出了迫切的要求，水稻秸稈是儲(chǔ)備豐富，可再生的綠色新資源，跟據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年秸稈類農(nóng)業(yè)廢棄物約為29億噸，水稻秸稈就占了總量的19﹪[1]。但水稻秸稈長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有得到良好的利用，并且由于大部分地區(qū)采用焚燒處理，造成了資源浪費(fèi)，引起嚴(yán)重的空氣污染，燃燒秸稈還與大氣中的顆粒污染物密切相關(guān)[2]。

生物質(zhì)活性炭具有多孔性和較大的吸附能力。但制備生物質(zhì)活性炭高昂的成本極大的限制了其發(fā)展和應(yīng)用，尋找價(jià)格低廉，產(chǎn)量豐富的原料是降低生產(chǎn)生物質(zhì)活性炭成本的有效手段。

一、實(shí)驗(yàn)部分

(一)儀器試劑與材料

主要儀器：馬弗爐

(二)活性炭的制備

炭化時(shí)間的影響：將收集的水稻秸稈洗凈晾干，晾干后剪碎至0.5cm左右。取水稻秸稈20g(一個(gè)平行樣)，用去離子水浸泡24h，固液比為1:10，在烘箱內(nèi)烘干，之后進(jìn)行炭化，控制炭化溫度400℃，改變炭化時(shí)間，分別為：1h、2h、3h、4h、5h、6h；炭化后得到活性炭。

炭化溫度的影響：同樣將水稻秸稈洗凈晾干，晾干后剪碎至0.5cm左右，稱取原材料20g(一個(gè)平行樣),用去離子水浸泡24h，固液比為1:10，在烘箱內(nèi)烘干，之后進(jìn)行炭化，控制炭化時(shí)間4h，改變炭化溫度，依次為:100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃，控制炭化溫度操作步驟也像控制炭化時(shí)間一樣。炭化后得到活性炭。

電子天平稱量后，碾磨過(guò)篩，裝入封裝袋中。比較所得的活性炭，炭化溫度為100℃,200℃的活性炭炭化質(zhì)量很低，所以剔除。同時(shí)也可看出當(dāng)炭化時(shí)間為1h,2h時(shí)，需要較高的炭化溫度，在經(jīng)濟(jì)效益方面來(lái)看，經(jīng)濟(jì)效益較低。綜合經(jīng)濟(jì)效益和炭化的最終效果，所以省略炭化溫度分別為100℃,200℃和炭化時(shí)間分別為1h,2h制備活性炭的研究。

二、結(jié)果與討論

表1 不添加活化劑的水稻秸稈炭化率

根據(jù)水稻秸稈的制備結(jié)果顯示，炭化溫度分別為100℃，200℃的水稻秸稈炭化率很高，但是水稻秸稈基本未被碳化，當(dāng)炭化溫度為300℃時(shí)還有少許水稻秸稈未完全炭化，所以炭化溫度應(yīng)該大于300℃而且根據(jù)所查文獻(xiàn)，炭化溫度對(duì)活性炭的微孔孔隙和吸附比表面積影響很大，炭化溫度的取值范圍在300℃-1000℃，水稻秸稈在高溫下分解反應(yīng)劇烈，秸稈分子鍵中的C-O,C-C鍵斷裂，炭化溫度的升高，會(huì)導(dǎo)致活性炭產(chǎn)率降低，活性炭產(chǎn)率及活性炭吸附效率成了衡量較優(yōu)制備活性炭的重要條件。Putum等[11]研究發(fā)現(xiàn)，炭化溫度的升高將會(huì)增大液態(tài)和氣態(tài)產(chǎn)物，導(dǎo)致固態(tài)物質(zhì)降低，所以溫度增高，水稻秸稈內(nèi)部揮發(fā)的性物質(zhì)逐漸減少，剩余產(chǎn)物含碳量逐漸增加，所以在一定炭化溫度內(nèi)炭化溫度越高，制備的活性炭質(zhì)量越佳[12]。所以剔除炭化溫度為300℃的活性炭，炭化溫度為400℃時(shí)水稻秸稈完全炭化，炭化時(shí)間的選擇，因?yàn)楫?dāng)炭化時(shí)間為1h，2h時(shí)，需要很高的炭化溫度，活性炭的炭化溫度為100℃、200℃、300℃時(shí)，產(chǎn)品中尚有少許未被炭化的水稻秸稈，而當(dāng)炭化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致活性炭的產(chǎn)率降低并且消耗較多生產(chǎn)時(shí)間，不利于活性炭批量生產(chǎn)。活性炭的炭化，是在高溫缺氧下，使水稻秸稈熱解形成多裂孔的炭結(jié)構(gòu)，在馬弗爐中，大多非炭元素，如氫氧從秸稈中以氣體的形式揮發(fā)出來(lái)，炭化后的產(chǎn)物非常不規(guī)則，產(chǎn)生大量孔隙，所以在炭化期間的炭化時(shí)間的選取將會(huì)影響活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)，由于實(shí)驗(yàn)使用的馬弗爐是非恒溫馬弗爐，保溫效果較差，當(dāng)?shù)竭_(dá)所設(shè)定的炭化溫度，由于恒溫效果較差，所以在選擇炭化時(shí)間時(shí)，可能造成活性炭產(chǎn)品孔隙結(jié)構(gòu)被破壞，所以根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和所查文獻(xiàn)選取炭化時(shí)間為4h是最優(yōu)的炭化時(shí)間。

結(jié)論

不添加活化劑制備生物質(zhì)活性炭：當(dāng)炭化溫度為600℃，炭化時(shí)間4h時(shí)制備活性炭的炭化率較優(yōu)為68.07﹪。