甘蔗渣制备板状成型活性炭的研究

张承龙，白建峰，孙可伟

(1. 上海第二工业大学城市建设与环境工程学院，上海201209；2. 昆明理工大学固体废弃物资源化国家工程中心，昆明 650033)

甘蔗渣制备板状成型活性炭的研究

张承龙1，白建峰1，孙可伟2

(1. 上海第二工业大学城市建设与环境工程学院，上海201209；2. 昆明理工大学固体废弃物资源化国家工程中心，昆明 650033)

以磷酸活化法所制得的甘蔗渣粉状活性炭为原料，研究不同粘接剂种类、粘接剂添加量对板状成型活性炭性能的影响。结果表明：板状成型活性炭的体积吸附量及质量吸附量随着粘结剂添加量的增加而减小；渗透速率随着羧甲基纤维素添加量的增加而减小，随着聚乙烯醇素添加量的增加先是呈略微下降而后增加；以羧甲基纤维素为粘接剂制得的板状成型活性炭的性能较好，当羧甲基纤维素的添加量为10 %时，其体积碘吸附量为418.82 mg/cm3。

甘蔗渣；粉状活性炭；板状成型活性炭

2011年9月 JOURNAL OF SHANGHAI SECOND POLYTECHNIC UNIVERSITY Sept. 2011

0 引言

甘蔗渣为一类典型的植物纤维性废弃物，利用甘蔗渣制备活性炭材料，为高附加值地利用这种废弃物提供了途径[1]。活性炭材料本身是一种环境生态材料，废弃后会自然降解，不会对环境造成任何危害。在制备过程中，大量的碳得以残留，这对于避免温室效应和环境保护无疑是有益的。

虽然粉状活性炭因粒度细、外表面积大而具有吸附速度快的特点，但其同时存在再生困难、使用不方便的缺点，如在填充松散的粉末颗粒状活性炭的吸附过滤器时，由于气流或水流的冲击作用易造成局部的“短路”或“阻塞”现象，影响吸附效果；而成型活性炭可以根据使用需要加工成不同形状，并且再生简便，同时成型后可以提高活性炭的密度，增加体积吸附量。

本文对利用甘蔗渣粉状活性炭制备板状成型活性炭进行了初步试验研究，将粉状活性炭与粘接剂（羧甲基纤维素和聚乙烯醇）混合后在一定压力下压制成活性炭块，经热处理后制成板状成型活性炭。

1 试验原料及方法

1.1 试验原料

试验所用甘蔗渣取自云南开远糖厂，其成份99 %以上为蔗渣。粉状活性炭选用磷酸活化法最佳工艺条件（磷酸浓度，活化温度400 ℃，活化时间60 min）的甘蔗渣粉状活性炭为原料。

试验选用羧甲基纤维素和聚乙烯醇为粘接剂，所用羧甲基纤维素为化学纯，聚乙烯醇型号为PVA17-99；其余试剂均为分析纯。

1.2 试验步骤

为考察不同粘接剂及添加量对板状成型活性炭性能的影响，具体试验步骤如下：

①称取适量干燥后的粉状活性炭，粉碎后加入所需比例的粘接剂（10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %），混合均匀；

②将混合好的粉状活性炭装模，在一定压力下模压成型，厚度为0.4 ～ 0.7 cm；

③将成型后的活性炭块放入管式电阻炉中，在氮气保护下，进行热处理。为防止试样因升温过快而产生裂纹，升温速率采用5 ℃/min，保温时间为1 h；根据试验研究结果，热处理的温度在以羧甲基纤维素为

④随炉冷却后称重，进行产品的吸附性能测试。

1.3 性能测试方法

为了通过渗透速率及碘吸附值两项指标测定板状成型活性炭的性能，本试验设计了一个简易测试方案，使碘溶液通过活性炭块渗透，以便碘溶液与活性炭充分接触，实现测试其吸附能力的目的。为使活性炭块与吸附管壁紧密接触，本试验选用弹性较好的乳胶管作为吸附管，且在使用前将吸附管在碘溶液中浸泡后擦干，以消除乳胶管对碘吸附的本底影响，测试方案如图1。

一般来说，渗透速率的计算式为J= (Q/A)·t·△P[2]，但考虑到活性炭块的厚度不一，所以本试验将厚度因素考虑进去，渗透速率按下式计算：

式中：

J——渗透速率，mL·cm-2·cm-1·s-1·Pa-1；

Q——液体透过量，mL；

A——活性炭块试样面积，cm2；

d——活性炭块厚度，cm；

t——透过时间，s；

△P——试样两侧压力差，在此则为从碘标准液到试样间的液柱的压强。

图1 板状成型活性炭渗透及吸附性能测试方案Fig.1 Equipment for testing infiltration and adsorption performance of formed activated carbon

碘吸附值可采用如下方法进行测试：每隔5 min将滤液倒入另外一量筒测定体积后，移取5 mL滤液，参照标准GB/T12496.8-1999，测定活性炭的碘吸附值，直到滤液的浓度达到碘标准液浓度的95 %以上为止。将测得的碘吸附值进行累加就得到成型活性炭的碘吸附量值。成型活性炭的质量碘吸附量按下式计算：

式中

Am——试样的碘质量吸附量，mg/g；

m ——试样质量，g；

Ai——第i次的碘吸附量，mg。

成型活性炭的体积碘吸附量按下式计算：

式中

v ——活性炭试样体积，cm3；

Av——试样的碘体积吸附量，mg/cm3。

2 试验结果及讨论

2.1 热处理温度

采用示差扫描量热仪测试羧甲基纤维素和聚乙烯醇（PVA17-99）的热失重曲线，结果见图2和图3。从图中可看出在310 ℃时羧甲基纤维素已基本分解完全，剩余残留物约为52 %左右，主要是残渣炭[3]，所以在对以羧甲基纤维素为粘接剂的成型活性炭进行热处理时，处理温度选择310 ℃；330 ℃时聚乙烯醇已基本分解完全，剩余残留物仅为32 %左右，主要为共轭双键的聚合物[4]，所以在对以聚乙烯醇为粘接剂的成型活性炭进行热处理时，处理温度选择330 ℃。从310 ℃热分解后的羧甲基纤维素的扫描电镜图（图4）可看出，其热分解后体积膨胀较小，具有较发达的孔隙结构，孔隙较小；从PVA在330 ℃受热后剩余炭的扫描电镜图（图5）可看出，PVA体积膨胀较大，剩炭薄而易碎，孔隙少而大。

图2 羧甲基纤维素的TG/DSC曲线Fig.2 TG/DSC of carboxymethylcellulose

图3 聚乙烯醇的TG/DSC曲线Fig.3 TG/DSC of polyvinyl alcohol

图4 羧甲基纤维素SEM图(310℃热解后)Fig.4 SEM of carboxymethylcellulose (thermolysis residue at 310℃)

图5 聚乙烯醇SEM图(330℃热解后) Fig.5 SEM of polyvinyl alcohol (thermolysis residue at 330℃)

2.2 粘接剂的添加量对板状成型活性炭性能的影响

以羧甲基纤维素为粘接剂所制得的板状成型活性炭的吸附性能及渗透性能见图6和图7。

图6 粘接剂对成型活性炭吸附性能的影响曲线Fig.6 Effect of the types and ratios of binder on the adsorption performance of formed activated carbon

板状成型活性炭的体积吸附量及质量吸附量随着羧甲基纤维素添加量的增加而减小。这主要是由于在成型过程中羧甲基纤维素渗入活性炭的孔隙中，造成活性炭的比表面积及孔容下降，并且随着羧甲基纤维素添加量的增加，这种作用也随之增加，所以其吸附性能呈下降趋势。但由于成型后其堆积密度增加，所以其体积吸附量比粉状活性炭大[5]。而板状成型活性炭的渗透速率随着羧甲基纤维素添加量的增加而减小，这主要可能是由于成型过程中随着羧甲基纤维素的增多，羧甲基纤维素在310 ℃条件下仍有较多残留物（约为52 %），导致堵孔严重。

图6和图7同时表示出了以聚乙烯醇为粘接剂所制得的板状成型活性炭的吸附性能及渗透性能。板状成型活性炭的体积吸附量及质量吸附量随着聚乙烯醇添加量的增加而减小。这主要是由于在成型过程中聚乙烯醇渗入活性炭的孔隙中，造成活性炭的比表面积及孔容下降，并且随着聚乙烯醇添加量的增加，这种作用也随之增加，所以其吸附性能呈下降趋势。但由于成型后其堆积密度增加，所以其体积吸附量在聚乙烯醇加量较少时比粉状活性炭大。板状成型活性炭的渗透速率随着聚乙烯醇添加量的增加先是呈略微下降而后增加，这主要可能是开始由于成型过程中随聚乙烯醇的增加，其对活性炭的堵孔作用造成渗透速率的略微下降，但随聚乙烯醇的进一步增加，虽然其会造成活性炭孔隙结构的堵塞，但由于聚乙烯醇的热分解程度较高（330 ℃条件下残留量仅为32 %左右），当板状成型活性炭中聚乙烯醇含量较大时，其分解后留下的大孔隙通道增加较多，故渗透速率增加。

图7 粘接剂对成型活性炭渗透性能的影响曲线Fig.7 Effect of the types and ratios of binder on the infiltration performance of formed activated carbon

以羧甲基纤维素为粘接剂的板状成型活性炭的质量吸附量及体积吸附量都要比以聚乙烯醇为粘接剂的板状成型活性炭大。以羧甲基纤维素为粘接剂的板状成型活性炭的渗透性能开始时比以聚乙烯醇为粘接剂的板状成型活性炭的渗透性能好，但随添加量的增加，以聚乙烯醇为粘接剂的板状成型活性炭的渗透性能迅速增强。这可能是由于羧甲基纤维素热分解后残渣炭孔隙较为发达，堵孔作用相对较小，而聚乙烯醇热分解后的残留物主要为共轭双键的聚合物，孔隙较少，对活性炭的堵孔作用较大，导致板状成型活性炭的吸附性能及渗透性能较低，但由于聚乙烯醇的热分解程度较大，随着添加量的进一步增加，聚乙烯醇分解后使活性炭粒间的大孔隙增加，因此板状成型活性炭的渗透性能增强较快。

3 结语

(1) 板状成型活性炭的体积吸附量及质量吸附量随着羧甲基纤维素添加量的增加而减小，但由于成型后其堆积密度增加，所以其体积吸附量比粉状活性炭大；渗透速率随着羧甲基纤维素添加量的增加而减小。板状成型活性炭的体积吸附量及质量吸附量随着聚乙烯醇添加量的增加而减小；渗透速率随着聚乙烯醇素添加量的增加先是略微下降而后增加。

(2) 以羧甲基纤维素为粘接剂的板状成型活性炭的质量吸附量及体积吸附量都要比以聚乙烯醇为粘接剂的大；以羧甲基纤维素为粘接剂的板状成型活性炭的渗透性能开始时比以聚乙烯醇为粘接剂的好，但随添加量的增加，以聚乙烯醇为粘接剂的板状成型活性炭的渗透性能迅速增强。

[1] 赵玲, 严兴, 尹平河, 等. 甘蔗渣制取活性炭的强度和稳定性研究[J]. 农业环境科学学报, 2009, 28(6): 1298-1301.

[2] AIBE T. Development of activated carbon honeycombs[J]. Catalysts and Catalysis, 1999, 41(4): 242-247.

[3] 黎秉环, 王恩浦, 刘跃平, 等. 超高取代度羧甲基纤维素的热分析[J]. 高分子材料科学与工程, 1999, 15(6): 151-154.

[4] 陆耘, 傅英毅, 岳中仁, 等. 聚乙烯醇基中空活性炭纤维的制备—碳化过程的研究[J]. 合成纤维工业, 1999, 22(5): 9-11.

[5] 宋燕, 凌立成, 李开喜. 成型活性炭对甲烷吸附性能研究[J]. 新型炭材料, 2000, 15(4): 13–16.

Study on Preparation of Formed Activated Carbon from Bagasse

ZHANG Cheng-long1, BAI Jian-feng1, SUN Ke-wei2
(1. School of Urban Development and Environmental Engineering, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China; 2. National Engineering Research Center of Solid Waste Resource Recovery, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650033, P. R. China)

Formed activated carbon block was prepared using powdered activated carbon prepared from bagasse with phosphoric acid activation. The influence of various preparation parameters such as the type binders and the amount of the binders was investigated. The test results showed that the iodine value of quantity adsorption and volume adsorption of formed activated carbon block decreased as ratio of binder increased, the penetration rate of formed activated carbon block decreased with increasing ratio of binder when using carboxymethylcellulose as binder, and the penetration rate first decreased a little, then increased with increasing ratio of binder when using polyvinyl alcohol as binder. The adsorption behavior of formed activated carbon block binded by carboxymethylcellulose was better; the iodine value of quantity adsorption and volume adsorption was 418.8211 mg/cm3on 10% of carboxymethylcellulose.

sugarcane bagasse; powdered activated carbon; formed activated carbon block

TQ424.1

A

2011-01-12;

2011-05-28

张承龙（1975－），男，江苏昆山人，副教授，博士，研究方向为固体废物处理与资源化，电子邮箱clzhang@eed.sspu.cn。

上海市教育委员会重点学科建设基金项目（No.J51803）粘接剂时选用310 ℃，以聚乙烯醇为粘接剂时选用330 ℃；

1001-4543(2011)03-0230-06