乌梅果核制备活性炭工艺研究

刘泽峰+白吉庆+张涛

作者简介：刘泽峰（1968—），男，高级工程师,主要从事制药工程设计和制药工艺研究工作。中图分类号：FS255文献标识码：A文章编号：16749944(2014)05030702

1引言

乌梅在我国南方种植面广,产量大。乌梅果肉被利用完后,果壳往往被人们丢弃,造成环境污染。为了开发果壳活性炭新原料,探索最佳工艺，本实验选用乌梅果壳,以磷酸为活化剂,采用微波制备活性炭。因为目前果壳活性炭生产工艺国内外基本上采用物理法,物理法活性炭得率低［1］,成本居高不下,而且磷酸具有对环境污染程度低的显著优点,是当前世界活性炭工业中化学活化法的主要辅料之一［2,3］。

2实验准备

2.1材料选择

实验采用四川省都江堰地区所产乌梅果壳,洗净烘干后粉碎,过60 目筛备用。

2.2实验仪器及试剂

MCLE-3微波发生器、FW100 型微型高速万能粉碎机、SHZ-Ⅲ循环水真空泵和CS102-2型电热鼓风干燥箱,JSM-60000型电子显微镜。

选用化学试剂包括析纯用磷酸H3PO4 ,工业用氮气N2(>95%)。

2.3乌梅果壳活性炭的制备

称量乌梅果壳25份,5份为一组,每份30g,分别用20%、30%、40%、50%、60%的H3PO4 溶液浸渍 24h;抽滤后,将乌梅果壳装进石英管,送入微波炉中,通N2气体保护,进行微波活化处理。处理时间分别设定为6min、7min、8min、9min、10min。取出样品,用热水充分洗涤至滤液呈中性。然后将样品放入电热鼓风干燥箱,在 110℃左右条件下烘干。最后将样品放入干燥容器中冷却至室温,研磨,过 100 目实验筛,得粒径＜018mm 乌梅果壳炭产品。

3实验过程分析

3.1不同条件下的乌梅果壳活性炭的制备

3.1.1实验一

在1000W 固定微博功率条件下,分别考察不同的微波辐照时间和磷酸浓度对活性炭碘值和活性炭得率的影响（图1）。

图1微波辐照时间对碘值和得率的影响

由图1可以看出,随着辐照时间不断延长,碘值也不断增大,这是因为随着辐照时间增加,活性炭受热增加,可挥发性有机物不断挥发,新的孔径不断形成,活性炭表面积增加。8min时,碘值达到最大,随后明显下降。这是因为,辐照时间过长,导致其活化温度过高,表面孔径坍塌,孔径闭塞,碘值反而下降。

得率随着加热时间的延长,得率不断提高,到8min以后,不断下降,这是因为加热过程使有机物不断碳化,剩余的产品质量随之减少,因此,微波辐照时间在本实验中存在一最佳值8min。

3.1.2实验二

在1000W固定功率,改变磷酸的浓度对碘值的影响（图2）。

图2磷酸浓度对碘值得影响

由图2可知,磷酸浓度在10%~60%的范围内时,随着浓度的增加,活化程度增大,孔径结构增多,果壳炭的碘值逐渐上升;磷酸浓度为40%时,碘值达到最大值1108.4mg/g;进一步增加浓度,碘值反而下降,这是因为磷酸浓度过高,会导致活化剧烈,微孔烧蚀严重,活性炭灰化。

3.2正交试验

采用正交试验表对以上数据进行分析,以获得微波法制备活性炭的最佳工艺条件,因素水平见表1。

表1因素水平

水平因素(微波固定功率1000W)辐照时间/min磷酸浓度/%162027303840495051060

正交试验局部结果见表2。

表2正交试验方案及局部结果选取

实验号因素考核指标辐照时间/min磷酸浓度/%碘值/(mg/g)122786.32233821.75344898.764331108.405421000.32624998.56743879.56824798.10932822.34K1232.38243.69K2256.98258.12K3241.25249.65K174.5883.65K286.2492.41K368.6478.85△K24.6014.93S89.2592.41

由表2可知,实验号为4号条件下,正交试验得出活性炭制备工艺的最佳参数,即:辐照时间8min;磷酸浓度40%。

4乌梅果壳活性炭表面形态及孔径分析

取最佳条件下制得的乌梅果壳炭,进行表面形态及孔结构分析。在JSM-60000型电子显微镜观察,可以看出乌梅果壳炭粒径相近,形状较规则,表面可以清晰看到凹凸的孔结构。乌梅果壳炭孔径分布如表3所示。

表3乌梅果壳活性炭孔径分布表

孔径范围/nm0.5~11~22~1010~2020~30分布比率/%13.345.639.41.080.62

可以看出该果壳炭主要以微孔和中孔结构为主。0.5~2nm 孔径的微孔结构最丰富,达50%以上;另 2~10nm 孔径的中孔结构也较丰富,占 39%。在吸附过程中,物理吸附主要靠活性炭表面的孔径完成。吸附作用最大的是微孔,对吸附量起着决定作用。中孔是吸附物质分子的通道,支配着吸附的速度;又在一定相对压力下发生毛细凝结,使有些不能进入微孔的分子被吸附,所以中孔对大分子的吸附有重要的作用［4］。

5实验结论

本实验条件下,获得果壳活性炭最大碘值11084mg/g及最高得率482%,需满足的最佳条件是,微波功率 1000W,辐照时间 8min,磷酸浓度40%。

本实验条件下,获得乌梅果壳活性炭的孔结构以05~10nm孔径为主,优于商业活性炭的标准。根据林业部标准LY/T1125-93,可用作提金炭。

同时乌梅果壳活性炭在精细化工、医药化工、生物制药过程中的产品提纯、精制、脱色、过滤中是很好的辅助材料。所以利用乌梅果壳制备活性炭对缓解活性炭原料资源紧张及废弃物再生利用都具有重要的现实意义。

参考文献：

［1］ 李海朝,张世润.提高果壳活性炭得率研究［J］.林产化工通讯,2002,36(3).

［2］ Hsu L Y,Teng H.Influence of different chemical rea-gents on the preparation of activated carbons from bitum-inous coal［J］.Fuel Process Techno,2000,64(2):155~166.

［3］ EvabsM J B,Halliop E,MacDonald JA F.The produc-tion of chemically-activated carbon［J］.Carbon,1999,37(2):269~274.

［4］ Wigmans T.Industrial aspects of production and use of acti-vated carbons［J］.

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