磷酸氫二銨活化法制備活性炭的研究*

王貴龍，嚴振忠，林梅芳，林茜，李喜沖，林冠烽

（福建農林大學金山學院，福建福州350002）

活性炭是一種具有發達孔隙結構，比表面積大，選擇性吸附能力強的碳材料，在石油化工、食品、醫藥乃至航空航天等領域均有廣泛應用，已成為國民經濟發展和國防建設的重要功能材料[1，2]。

目前，化學法制備活性炭的方法主要有磷酸活化法和氯化鋅活化法[3，4]。氯化鋅活化法工藝比較成熟，應用也較早，但是該法在生產過程中揮發出氯化氫和氯化鋅氣體，造成嚴重的環境污染，并影響工人身體健康；另一方面，氯化鋅回收困難，回收率低，造成鋅耗高，能耗高，從而產品成本高。與氯化鋅活化方法相比，磷酸活化工藝具有污染少、炭活化溫度低等優點，是化學法的主要發展方向[5，6]。因此，磷酸活化法成為工業上生產活性炭的主要方法。

鑒于磷酸氫二銨受熱將分解出磷酸，本文以磷酸氫二銨為活化劑進行活性炭的制備。討論了預處理溫度、浸漬比和活化溫度對活性炭碘吸附值的影響，可望為磷酸活化法的機理分析奠定理論基礎。

1 實驗部分

1.1 原料與試劑

以杉木屑為實驗原料，粉碎過篩，取粒徑0.2 ～1 mm。磷酸、碘、硫代硫酸鈉、淀粉等化學藥品均采用分析純。馬弗爐型號Nabertherm L9/11/SKM，來自德國納博熱公司，具有自動程序升溫的功能。

1.2 實驗方法

杉木屑與一定量的磷酸溶液按浸漬比（1.0 ～1.5：1）混合，其中液比為3：1，然后將混合物放入烘箱中120 ～180℃處理6h，為了讓加熱更均勻，每小時攪拌一次。將烘干后的物料，放入瓷坩鍋中，在馬福爐中升溫至預定的溫度（350 ～500 ℃），活化1.0 h，冷卻至室溫，把活化料進行水洗加用pH 試紙檢測中性為止。烘干，粉碎過篩至200 目，即為產品。

1.3 吸附性能的測試

根據國標GB/T 12496.10—2013，測定活性炭樣品的碘吸附值。

2 結果與討論

2.1 預處理溫度的影響

為了分析預處理溫度的影響，以浸漬比1.25：1、預處理溫度120 ～180℃、預處理時間6h、活化溫度350℃、保溫時間1h 條件下制備活性炭，結果見圖1。由圖1 可知，隨著預處理溫度的升高，活性炭的碘吸附值呈先升后降的趨勢，在160℃達到最大，為807.2 mg·g-1。其中，120 ～140℃階段，活性炭的碘吸附值相差不大，140 ～160℃階段，活性炭的碘吸附值有較大的提高，160 ～180℃階段，活性炭的碘吸附值有較大幅度的降低。這可能是由于，120 ～140℃沒有達到磷酸氫二銨的分解溫度，而160℃時，磷酸氫二銨分解生產磷酸，在該階段的熱處理過程中，磷酸可以滲透到木質原料內部，有利于提高活化效果，然而，溫度太高，水分蒸發太快，浸漬料在較短時間內便處理干燥狀態，反而不利于磷酸在木質原料內部的滲透[7]。

圖1 預處理溫度對活性炭碘吸附值的影響

2.2 磷屑比的影響

為了分析預處理溫度的影響，以浸漬比1.0 ～1.50：1、預處理溫度160℃、預處理時間6h、活化溫度350℃、保溫時間1h 條件下制備活性炭，結果見圖2。由圖2 可知，活性炭的碘吸附值隨著浸漬比的上升，呈先升后降的趨勢，在浸漬比為1.25：1 時達到最大。在浸漬比1.0 ～1.25 階段，碘吸附值有較大提高。這與磷酸活化法的作用機制有關，活性炭的孔隙主要含磷化合物洗脫之后暴露出來。浸漬比較大時，含磷化合物占據的空隙較多，故孔隙結構較發達，碘吸附值較高。然而，浸漬比太高，磷酸將于木質原料產生反應，反而破壞了其孔隙結構，不利于碘吸附值的提升。

圖2 浸漬比對活性炭碘吸附值的影響

2.3 活化溫度的影響

為了分析活化溫度的影響，以浸漬比1.25：1、預處理溫度160℃、預處理時間6h、活化溫度350 ～500℃、保溫時間1h 條件下制備活性炭，結果見圖3。由圖3 可知，隨活化溫度的增加，活性炭的碘吸附值呈先升后降的趨勢，在活化溫度為450℃時達到最大。在350 ～450℃階段，活性炭的碘吸附值有較大的增加，碘吸附值從807.2mg·g-1升高到930.2 mg·g-1。隨著活化溫度上升至500℃，活性炭的碘吸附值有較大幅度的下降，降低到907.4mg·g-1。這是由于較低活化溫度時，活化反應進行得不充分，不利于孔隙結構的發達；而活化溫度太高，將引起相鄰微孔結構的坍塌，形成大孔和中孔，不利于吸附能力的提高。

圖3 活化溫度對活性炭碘吸附值的影響

3 小結

采用磷酸氫二銨活化法制備活性炭,磷酸氫二銨在預處理過程中分解生產磷酸，可以滲透到木質原料內部，有利于提高活化效果。活性炭的碘吸附值隨著預處理溫度、浸漬比和活化溫度的升高均呈先升后降的趨勢。在較佳生產工藝條件下：預處理溫度160℃，浸漬比1.25：1，活化溫度450℃，活性炭的碘吸附值達到930.2 mg·g-1。