林業剩余物活性炭的孔結構表征

王海沁

摘要：

通過表征4種原料在不同活化劑下孔結構，研究發現不同原料在相同工藝參數，不同活化劑下得到的孔徑分布相對一致，僅在比表面積、孔容方面存在一定差異。

關鍵詞：

活性炭;林業剩余物;孔結構

中圖分類號：S713

文獻標識碼：A

DOI：1019754/jnyyjs20200630020

活性炭因其比表面積大，空隙發達，在醫藥、環保、化工、國防等領域廣泛應用[1-3]，是一類附加值較高的產品。傳統的活性炭是以木炭、煤、瀝青等為原料，因現在木材采伐受限，煤、瀝青等為不可再生資源，致使活性炭生產原料受到限制。理論上只要是含碳豐富的原料均可以制備活性炭，在林業生產中產生大量的含碳量豐富的剩余物，如核桃殼、柏木屑、竹枝、枝葉。

四川省是林業生產大省，柏木、竹、核桃資源豐富，然而大量的核桃殼、竹枝和枝葉在采伐、生產過程中被丟棄;柏木屑大多用于生產機制炭供燃燒使用，對資源造成浪費，對環境造成污染，若生產成活性炭則可以提高資源的綜合利用率。

1實驗材料與方法

11實驗材料

同一品種核桃殼5kg（取自綿陽市鹽亭縣），同一批次原料加工剩余的柏木屑5kg（取自遂寧市射洪縣木材加工企業），竹枝、竹葉5kg（取自宜賓市敘州區）。

12活性炭制備方法

取原料洗凈，100～120℃干燥，在400℃下炭化，冷卻后經破碎研磨，洗凈，100～120℃干燥，粉碎過80目篩后備用。

取炭化料20g，按照浸漬比（活化劑/純干原料）為2時加入活化劑，攪拌混均，將混均的物料在電動振蕩器中浸漬14h，浸漬完全后移入干燥箱中，在105℃下干燥12h。將干燥后物料移至坩堝中放在馬弗爐中活化，從常溫以10℃/min的升溫速度加熱至600℃，活化120min，活化得到的樣品用01mol/L的HCl溶液煮沸20min，繼續用01mol/L的HCl溶液反復清洗，用蒸餾水清洗殘液至中性，將所得活性炭樣品在120℃下干燥，待分析測定。

13分析方法

采用美國麥克公司PRISTAR-3000型比表面孔徑測定儀，以高純氮氣為吸附質，在7735K溫度下測定平衡壓力（P）和飽和壓力（P0）之比為00095～099的氮氣吸附體積，活性炭樣品測試前在120℃處理2h后進行測試[4]。

從圖1～3可以看出，樣品的等溫線變化趨勢基本相同，初始階段吸附量隨相對壓力的增大快速增加，且吸附速率大，隨后吸附量上升趨勢變緩，達到吸附平臺，符合IUPAC對I型吸附等溫線的定義[5]。從圖1、圖3可以看出，吸附與脫附分支基本重合，未顯示出明顯的滯后環，表明樣品中微孔占主導地位且分布集中，較大的孔隙極少或幾乎不存在。從圖2可以看出，等溫線曲線存在滯后環且滯后環比較寬，表明樣品中含有豐富的中孔。

22不同方式計算的比表面積

通過不同方式計算的比表面積見表2。其中BET比表面積等于t-plot外表面與微孔表面積之和，表中等溫曲線的平臺越高，比表面積越大，其中采用NLDTF法測出的比表面積與BET比表面積較接近，說明樣品中均以微孔為主。采用氯化鋅活化的樣品具有較高的比表面積，用相同活化劑處理的樣品BET比表面積較為接近，但相同活化劑處理的不同樣品比表面積差異較為明顯，說明原料對比表面的影響較為顯著。

23不同方式計算的比孔容

通過不同方式計算的比孔容見表3。不同原料在不同活化劑處理下比孔容與比表面積的變化規律有部分差別，說明在活性炭燒蝕過程中孔道有坍塌。

24NLDTF計算的孔徑分布

從圖4～6中可以看出，原料在不同活化劑中活化后孔徑主要分布于2nm以下的微孔范圍內，既有極微孔又有超微孔，只有極少部分的中孔，基本沒有大孔分布在微孔區。氯化鋅活化的樣品孔徑絕大部分布在微孔區，極少分布在中孔區，氫氧化鉀活化樣品在中孔區分布較多，結果與等溫曲線相印證。

根據BJH理論[6]計算出的中孔孔徑分布見圖7～9。原料在不同活化劑中活化后中孔孔徑在2～10nm有集中分布，部分樣品在20～50nm有分布。

3結論

不同原料在相同工藝參數，不同活化劑下得到的孔徑分布相對一致，僅在比表面積、孔容方面存在一定差異。

參考文獻

[1]

Kotani T.Control of pore structure in carbon[J].Carbon，2000（38）：269-286.

[2]Michio Inagaki. Pores in carbon materials-Importance of their control[J]. Carbon，2009，24（3）0-232.

[3]宋燕，喬文明，尹圣吳.不同結構活性炭對甲苯等吸附性能[J].新型炭材料，2005，20（04）：294-298.

[4]劉振宇，鄭經堂，王茂章，張碧江.PAN基活性炭纖維的表面及其孔隙結構解析[J].化學物理學報，2000（04）：473-480.

[5]趙振國.吸附作用應用原理[M].北京：化學工業出版社，2005.

[6]陳鳳婷，曾漢民.幾種植物基活性炭材料的孔結構與吸附性能比較——（I）孔結構表征[J].離子交換與吸附，2004（02）：104-112.

（責任編輯常陽陽）