分段制備南疆棉稈基活性炭的初步研究

周林 楊瑛

摘要：以南疆農業廢棄物棉稈為原料，采用棉冠、棉莖、根部3段不同部位制備棉稈基生物質活性炭吸附材料，對3部分棉稈在不同溫度范圍（375～475 ℃）及不同熱解時間（90～170 min）炭化，測定分段棉稈以及棉稈基活性炭的基本理化參數。按照木質活性炭國家標準試驗方法對直接熱解的3段棉稈得炭率、含水率、棉稈液pH值酸堿度、灰分及揮發分含量等基本參數進行工業分析。試驗結果表明，當炭化溫度為375 ℃，熱解時間為90 min時，活性炭得率最高;棉稈平均含水率為8.67%，棉冠與根部有較高含水率;棉稈灰分與揮發分含量均達到木質活性炭檢測標準。本研究結果可為南疆棉稈基活性炭的基本理化參數提供數據參考和理論依據。

關鍵詞：棉稈;活性炭;工業分析;理化性質

中圖分類號： X712 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）07-0229-03

農林廢棄物——秸稈是一種重要的可再生生物質原料，全世界農林產業每年秸稈剩余量約為29.5億t，其中我國農作物秸稈的年剩余產量占全世界的25.4%，約有7.5億t[1-3]。我國南疆是棉花的主產區之一，秸稈資源十分豐富。棉花作為新疆維吾爾自治區重要的經濟作物和工業原料，在給農民帶來經濟效益的同時也帶來了如何處理棉花秸稈的巨大挑戰。由于每年秋收后棉稈資源大量剩余，大部分農民選擇將棉花秸稈直接就地焚燒或者粉碎還田這2種途徑。據不完全統計，我國每年棉花秸稈約有2 760萬t，直接就地燃燒處理不僅對環境是極大的污染同時更是棉稈資源的浪費[4-6]。因此循環利用農林業廢棄物——棉稈制備優質活性炭，不僅減少了焚燒帶來的環境污染，還可以增益創收形成綠色循環再生經濟體系。

為實現資源化利用，本試驗以南疆棉稈作為研究對象，主要研究棉稈基活性炭的制備工藝，探討棉稈在不同溫度范圍（375～475 ℃）、不同熱解時間（90～170 min）內炭化最優得炭率，并測定原料棉稈的基本物化性質。根據有關學者研究，棉花屬于一年生木本植物，其不同部位微觀結構不盡相同[7-9]。棉冠、棉莖、根系是棉稈的3個組成部分，棉冠是由棉稈頂部的側枝、葉片和棉桃組成;棉莖由主枝干和側支干組成。南疆地區棉花秸稈比內地棉稈細小，主要受新疆氣候、鹽堿土壤、品種以及栽培環境的影響產生較大差異，棉稈是一種具有復雜的宏觀和微觀結構的材料，棉稈的縱向高度之間、同一棉稈個體之間、不同棉稈之間以及同一棉稈不同部位之間，由于棉稈內部結構的各向異性，其物理及幾何特性特性都存在較大差異[10-12]。本研究根據棉稈的縱向結構特點，通過對棉稈進行分段炭化建立棉稈參數模型，研究棉稈基活性炭的基本理化性質。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料取自新疆阿拉爾塔里木大學周邊的棉田為收割期的棉花秸稈，品種選擇新陸中棉48，選取莖稈順直、無病蟲害、無缺陷的棉稈，手工去掉棉桃、棉殼、葉和側枝，用毛巾擦試干凈，置于電熱鼓風干燥箱在80 ℃干燥12 h，將一定長度干燥的棉稈平均分冠、莖、根3段，分別用植物粉碎機粉碎，過100目標準篩，將制得的棉稈放于干燥容器中備用。

1.2 試驗儀器

JF-2000型智能馬弗爐、30 mL瓷坩堝、分析天平（可精確至0.1 mg）、電熱鼓風干燥箱、pH-2603多參數酸度測試儀、扭力天平、電子萬用爐等。

1.3 棉稈基活性炭預處理（去除灰分、雜質）

將棉稈上中下3部分分別粉碎，過100目篩，然后將粉碎的棉稈標記后置于烘箱中在120 ℃條件下烘干備用，分別記作AC-冠、AC-莖、AC-根。

1.4 炭化試驗

將預處理過的3部分棉稈分為5組，每組20 g，在375、400、425、450、475 ℃的條件下，分別將3部分熱解90、110、130、150、170 min，精確稱量熱解前后的質量變化。

1.5 棉稈的基本參數測定

1.5.6 棉稈液pH值的測定 本試驗按照GB/T 12496.7—1999《木質活性炭試驗方法 pH值的測定》[15]，各取10組3段棉稈粉末待測樣，每組樣品用電子稱精確稱取2.508 g，然后置于100 mL的錐形瓶中，加入50 mL去除二氧化碳的水，用電子萬用爐加熱至沸騰，緩和煮沸5 min，將蒸發后的水分補添后再過濾，將剛過濾出來的5 mL初濾液棄去，余液冷卻至室溫后用多參數pH計測定棉稈液的pH值。

2 結果與分析

2.1 3段棉稈直接熱解的得炭率

從圖1可以看出，隨著溫度和時間的變化，3段棉稈活性炭得率均呈下降趨勢，不同炭化溫度、炭化時間對棉稈熱解制備活性炭的得率有較大影響。3段棉稈在初始炭化溫度下，炭化時間對活性炭的得率影響相對較小，而炭化溫度對得率的影響較大。400 ℃時，炭化溫度對3段棉稈活性炭的影響效果均最大。這是由于初始溫度升高至400 ℃時，棉稈有機質成分經高溫裂解，活性炭的得率逐漸增大，進一步升溫裂解使部分活性炭框架結構化并形成微小失重，使得率降低;當裂解溫度高于 375 ℃ 時，隨著熱解時間的延長，棉稈灰分含量由于部分氧氣的存在逐漸提高，導致活性炭得率呈下降狀態。

從圖1-a、圖1-b可以看出，在初始炭化溫度逐步升至425 ℃時，棉稈得炭率均呈現迅速下降趨勢，當炭化溫度從425 ℃升至450 ℃，熱解時間為110～150 min時，得炭率趨于平穩狀態，而450 ℃之后得炭率勻速降低，說明溫度較高時棉稈前期炭化和后期炭化中棉稈內部結構發生巨大變化，這是由于前期炭化去除棉稈中自由水，后期炭化去除棉稈中結合水，或試驗原料過多在馬弗爐內部受熱不均引起。當溫度在425～450 ℃時，由于活性炭裂解產熱，生成大量液體（乙酸、甲醇、木焦油等）及氣體產物。其中生成的氣體產物中CO2含量隨熱解時間的延長而逐漸減少，乙烯、甲烷等可燃性氣體產物隨熱解時間的延長而逐漸生成增多，造成棉冠和棉莖的得炭率呈現平穩趨勢。從圖1-c可以看出，當溫度達到 450～475 ℃ 時，根部活性炭得率才趨于穩定趨勢。說明棉稈根部長期受土壤水分的影響，含水率較高，木質纖維較厚，須要更高的裂解溫度才能將其炭化。

2.2 棉稈含水率

本試驗棉稈平均含水率為8.67%，從圖2可以看出，棉冠與根部的平均含水率略高于棉莖。在工業應用領域中，棉稈的干燥工藝是相對穩定的，含水率變化直接導致棉稈炭化后活性炭含水率的差異。在其他基本參數相同的條件下，棉稈含水率的不同，也會導致活性炭產品物理性能的不同，從而直接影響活性炭的吸附能力。

2.3 棉稈中灰分、揮發分及固定碳含量

灰分是活性炭中不可燃燒的礦物質，活性炭燃燒炭化時要吸收大量熱量，因而棉稈燃燒后灰分越高，熱效率則越低。本試驗棉稈灰分中含有鉀、鋁、硅、鈉、鐵等的氧化物，含量在3%～6%之間，活性炭中灰分的相對含量隨著原材料的炭活化程度而增加，棉稈揮發分含量在65%～73%之間，符合正常木質活性炭揮發分含量。根部的灰分和揮發分含量相對于棉冠棉莖較小，說明棉稈根部產出的活性炭質品質以及物理及化學性能較差（表1）。

2.4 棉稈液pH值

從圖3可以看出，棉稈液pH值范圍穩定在6～7之間，棉稈根部呈弱酸性，棉冠和棉莖的pH值幾乎一致，因此可以認為這2段之間的pH值沒有誤差，但相對于根部pH值，相差超過0.3，認為前2段不能與根部視為同質。應區分冠莖與根部性質，為后續活性炭吸附及表征分析試驗提供一定的理論參數。

3 結論

本試驗通過分3段制備南疆陸地棉稈基活性炭，并探究了在不同溫度范圍，不同炭化時間下3段棉稈的活性炭得率、棉稈含水率、棉稈灰分含量、揮發分含量、固定碳含量及棉稈液pH值等基本物理參數。炭化溫度是影響南疆棉稈基活性炭得率的重要因素。本試驗最佳炭化條件為熱解溫度375 ℃，時間為90 min。隨著炭化溫度的增大，3段棉稈活性炭得率均下降，當溫度在425～450 ℃之間棉冠和棉莖炭得率相對穩定，而根部得炭率下降明顯，當溫度達到 475 ℃ 時，無論熱解時間長短，根部得炭率幾乎不發生變化。這是由于棉稈本身不同部位的差異引起的不同變化，總體來說棉冠及棉莖得炭率高于根部得炭率。棉稈含水率大小影響炭活化后活性炭的含水率，直接影響活性炭的品質。本試驗棉稈平均含水率為8.67%，棉冠與根部平均含水率高于棉莖。在其他基本參數相同的條件下，3段棉稈不同含水率的差異，導致活性炭產品性能的不同。因此要盡量保持棉稈上中下部分含水率穩定在同一水平，才能保證炭活化后活性炭的優等品質。本試驗測定的棉稈灰分含量為3%～6%，揮發分含量約為65%～73%，符合木質活性炭基本參數檢測標準。可根據原材料的灰分含量推測活性炭中灰分的相對含量，一般為棉稈灰分含量的10倍。棉稈基活性炭灰分含量為30%～60%。棉稈液pH值范圍穩定在6～7之間，呈弱酸性。由于棉冠和棉莖的pH值與根部pH值相差較大，試驗中根據測定的不同物理參數應適當區分冠莖與根部，本試驗結果為后續活性炭吸附性能及性能表征提供了一定的基礎參數依據。

參考文獻：

[1]畢于運，高春雨，王亞靜，等. 中國秸稈資源數量估算[J]. 農業工程學報，2009，25（12）：211-217.

[2]劉 飛，周 嶺. 農林剩余物綜合利用的研究現狀[J]. 農機化研究，2015，37（2）：230-235.

[3]李金霞，卞 科，許 斌. 棉稈資源特性及其在農業上的應用[J]. 河南農業科學，2007（1）：46-49.

[4]劉慶庭，區穎剛，卿上樂，等. 農作物莖稈的力學特性研究進展[J]. 農業機械學報，2007，38（7）：172-176.

[5]秦翠蘭. 棉稈力學性能的研究[D]. 阿拉爾：塔里木大學，2016.

[6]崔紀成，楊 瑛. 棉稈活性炭制備工藝及其碘吸附性能[J]. 江蘇農業科學，2017，45（2）：245-247.

[7]袁文輝，葉振華. 高性能活性炭的制備及其性能研究[J]. 天然氣化工，1997，22（6）：30-33.

[8]陳 香. 南疆棉稈活性炭的制備及性能研究[D]. 上海：東華大學，2015.

[9]Li W，Peng J H，Zhang L B，et al. Preparation of activated carbon from coconut shell charsin pilot-scale microwave heating equipment at 60 kW[J]. Waste Management，2009，29（2）：756-760.

[10]王秀芳，張會平，陳煥欽，等. 高比表面積活性炭研制進展[J]. 功能材料，2005，36（7）：975-978.

[11]崔丹丹，蔣劍春，孫 康，等. 高比表面積竹質活性炭的制備與性能研究[J]. 林產化學與工業，2010，30（5）：57-60.

[12]陳愛國. 稻殼制備活性炭的研究[J]. 新型炭材料，1999，14（3）：58-62.

[13]國家質量技術監督局. 木質活性炭試驗方法 水分含量的測定：GB/T 12496.4—1999[S]. 北京：中國標準出版社，1999.

[14]國家質量技術監督局. 木質活性炭試驗方法 灰分含量的測定：GB/T 12496.3—1999[S]. 北京：中國標準出版社，1999.

[15]國家質量技術監督局. 木質活性炭試驗方法 pH值的測定：GB/T 12496.7—1999[S]. 北京：中國標準出版社，1999.王銘楓，李云伍，徐俊杰，等. 基于A*算法的丘陵山區田間路網路徑規劃[J]. 江蘇農業科學，2019，47（7）：232-235，296.