氫氧化鈉活化杉木屑制備活性炭的研究

連東紅

(武夷山市林業總公司，福建 武夷山 353000)

木質活性炭的生產原料品種較多，主要為木材、竹子、果殼等[1]農林廢棄物。我國作為林業大國之一，擁有較多品種和數量的木材，可為制備各類活性炭提供不同的原材料，為我國木質活性炭的生產和發展打下堅實的基礎和有力的保障[2]。采用這些價格低廉、可再生的原材料來制備活性炭，結合適當的工藝參數，不僅能制得良好的活性炭，還能節省資金，起到保護環境的效果。

為了制備性能較佳的活性炭產品，國內外研究者采用氫氧化鈉活化法制備活性炭。YingZhang等[3]采用氫氧化鈉為活化劑，制備稻殼基活性炭，并用于吸附硝酸根離子；Konno等[4]研究了氫氧化鈉堿活化法制備生物質基活性炭及其在雙電層電容器中的應用；葉厲等[5]提出以稻殼炭化料為原料，采用NaOH化學活化法制備活性炭；黃鎮等[6]采用KOH/NaOH作為椰殼活性炭的活化擴孔劑，并對活性炭的孔隙結構的變化規律進行分析；孔德國等[7]以棉花桿生物炭為原料，采用氫氧化鈉活化法制備活性炭，并對活性炭的持水能力進行研究。綜上所述，氫氧化鈉活化法制備活性炭的原料主要為炭化料，而直接采用木質材料為原料的研究較少。本文以氫氧化鈉作為活化擴孔劑，采用杉木屑為原料制備活性炭，對制備過程中的活化時間、氫氧化鈉濃度和活化溫度等工藝參數的影響進行討論，可望為木質原料的綜合利用提供途徑，并為活性炭的氫氧化鈉法生產提供基礎數據。

1 實驗

1.1 原料與試劑

杉木屑來源于福建省南平市，取粒徑0.38～0.15 mm的杉木屑為原料。碘、亞甲基藍、氫氧化鈉等化學藥品購于國藥集團化學試劑有限公司，均為分析純。

1.2 活性炭的制備

將0～10%的氫氧化鈉溶液與杉木屑按液比3∶1混合。混合均勻后，在烘箱105 ℃下烘干，并在800、850、900、950 ℃下進行活化處理0.5、1.0、1.5 h。活化結束后冷卻至室溫，取出活化料，進行酸洗、水洗直到洗滌液呈中性，并于105 ℃下烘干，然后將烘干樣粉碎至0.15 mm，即可得到木質活性炭。

1.3 活性炭性能測試

根據GB/T 12496.10—1999木質活性炭試驗方法亞甲基藍吸附值的測定法[8]和GB12496.8—2015木質活性炭試驗方法碘吸附值的測定法[9]測定亞甲基藍吸附值和碘吸附值。

2 結果與分析

2.1 木質活性炭的得率分析

木質活性炭在不同活化時間、氫氧化鈉濃度和活化溫度下的得率變化趨勢見圖1。木質活性炭的得率隨活化溫度的增高呈不斷下降的趨勢。在800～850 ℃階段，木質活性炭的得率降低較大，從15.50%下降至9.88%；在850～950 ℃階段，木質活性炭的得率降低較小。木質活性炭的得率隨氫氧化鈉濃度的增大不斷下降，氫氧化鈉質量分數在2.5%～10%階段，得率降低較小，與未使用氫氧化鈉溶液(即質量分數0 %)活化相比，得率降低幅度較大。木質活性炭的得率隨活化時間的延長不斷下降。這是由于隨著活化溫度、氫氧化鈉濃度和活化時間的增加，活性炭的活化反應進行得較徹底，氫氧化鈉對木質材料的刻蝕量增加，炭化料的骨架結構也受到破壞，因此，木質活性炭的得率隨活化溫度、氫氧化鈉濃度和活化時間的增加不斷下降。

圖1 不同工藝對木質活性炭得率的影響

2.2 活化溫度對活性炭性能的影響

將2.5%的氫氧化鈉與木屑混合，在800～950 ℃下活化1 h，制備木質活性炭，活化溫度對木質活性炭吸附性能的影響見圖2。由圖2可知，木質活性炭的吸附能力隨著活化溫度的升高呈先升后降的趨勢，850 ℃時，碘吸附值、亞甲基藍吸附值最大，分別為693.1、75 mg·g-1。產生這種現象的原因是：較高的活化溫度有利于提高氫氧化鈉的刻蝕作用，從而使制得的木質活性炭具有發達微孔和中孔等類型的孔隙結構[10]。然而，過高的活化溫度，將導致活化的能量提高，活化作用提升，加劇了相鄰孔隙間孔壁的坍塌，從而導致微孔和中孔等類型的孔隙擴大，故碘吸附值和亞甲基藍吸附值呈下降現象。

2.3 氫氧化鈉濃度對活性炭性能的影響

將0～10%的氫氧化鈉與木屑混合，在850 ℃下活化1 h，制備木質活性炭，氫氧化鈉濃度對活性炭吸附性能的影響見圖3。由圖3可知，木質活性炭的碘吸附值、亞甲基藍吸附值隨著氫氧化鈉濃度的增加呈先升后降的趨勢，在氫氧化鈉質量分數為5.0%時達到最大值，分別為753.2、102 mg·g-1。氫氧化鈉質量分數在0～5.0%范圍內，木質活性炭的吸附性能有較大提升。其原因是：隨著氫氧化鈉濃度的提高，碳原子的消耗量在活化進程中增加，促進了木質活性炭微孔和中孔等類型的孔隙結構的發達。然而，隨著氫氧化鈉濃度的進一步提高，吸附值反而降低，這是由于隨著氫氧化鈉濃度的增加，提高了其擴孔效應，引起了微孔和中孔等類型的孔壁塌陷。

2.4 活化時間對活性炭性能的影響

將2.5%的氫氧化鈉與木屑混合，在850 ℃下活化0.5～1.5 h，制備木質活性炭，活化時間對活性炭吸附性能的影響見圖4。木質活性炭的吸附性能隨著活化時間的延長先升后降，在1.0 h時達到最大，碘吸附值、亞甲基藍吸附值分別為693.1、75 mg·g-1。其原因是：原料中碳原子的消耗隨著活化時間的延長增加，有利于促進木質活性炭的孔隙結構的增加。然而，活化時間的增長，微孔和中孔等類型的孔壁不斷坍塌，產生擴孔反應，使得其吸附能力降低。

圖4 不同活化時間對吸附性能的影響

3 結論

隨著活化時間、氫氧化鈉濃度和活化溫度的增加，木質活性炭的得率不斷下降；木質活性炭的吸附值呈先上升后下降的趨勢。在較優的工藝條件：活化溫度850 ℃、氫氧化鈉濃度為2.5%、活化時間1.0 h下，木質活性炭的碘吸附值為693.1 mg·g-1、亞甲基藍吸附值為75 mg·g-1。