植物生物质制备活性炭研究进展

刘　娜，张　彦，樊　静

（衡水学院应用化学系，河北　衡水　053000）

植物生物质制备活性炭研究进展

刘娜，张彦，樊静

（衡水学院应用化学系，河北衡水053000）

【摘要】植物废料为原料制备的活性炭，是研究中的热门话题之一,具有广阔的发展空间。在当前活性炭研究中，常用的植物生物质原料可分为农业残余物、木材类原料、竹类原料以及木质素四大类。活性炭具有发达的内部空隙结构与良好的吸附性能，在食品、化工、制药、与环境保护等众多领城有广阔的应用前景[1]。

【关键词】植物生物质；活性炭；炭化；活化

1　活性炭性质

活性炭不仅具有优良的吸附性，同时广泛应用于农业、工业、环境保护、国防、催化剂载体、气体的分离、传感器、医药中间体、水质净化和原料中间体脱色、储氢、空气净化、化工分离、膜分离等许多领域。除此之外，活性炭还具有许多优点：①性能稳定，具有催化性能；可以在不同温度、酸碱中使用；②炭表面上含有(或可以附加)许多官能团；③高度发达的孔隙结构以及巨大的内比表面积。

2　制备原料

当前降低活性炭成本的重要手段是寻找价格低廉、产量丰富的原料。按不同的来源，制备活性炭的植物生物质原料可以分为以下4类。

2.1农业废弃物

在当前利用价值很低，甚至没有经济效益的农业废弃物，现在主要的处置措施(焚烧与填埋)会对环境造成严重影响。因其具有硬度大小合适、灰分含量不高等优越性，农业废弃物是良好的活性炭制备原料。

王宁等以炭化椰壳为原料，在1～2h的活化时间内（在900℃下以水蒸气为活化剂制备活性炭）使活性炭比表面积突破了1500m2/g，孔径集中低于2nm。马琰坤等用炭化椰壳为原材料，利用水蒸气与二氧化碳混合在一起组成的复合活化剂，在温度低于900℃时制备出高比表面积活性炭，达到了2 587m2/g的比表面积。微孔体积为1.37m2/g。可达到1.47m2/g的总孔容积，可以用做双电极电容器的电极材料。

2.2木材类原料

木材类原料可分为两类：一类是来自林业的残余物。例如橄榄枝、松针等，这类原料具备多孔以及硬度大等特性，另一类如橡树、雪松、杉木等在木材加工的过程中产生的边材及锯末等废弃物。依据现有研究可知，优化工艺后，能作为催化剂的载体，因为木材类原料制出的活性炭具有特殊的多孔结构。

2.3竹类原料

当前，已有很多国内外的专家研究了竹质活性炭，并且取得了优良的成绩。Keith用竹子作为原料，在850℃下活化的同时添加70％的KOH作为活化剂，制备出高达800m2/g比表面积的活性炭，产率高达22％ 。邓先伦等对以竹屑为原料制取活性炭进行了研究，其也使用了磷酸作为活化剂，制取的活性炭产品过渡孔发达，对各种大小不同分子的色素吸附能力都比较好，对柠橡酸等溶液的脱色能力最为优越。张华磊等用竹屑为原料，同样采取磷酸法活化，制出的活性炭，孔的大小以中微孔为主，占到了86.3％，适用于将汽油蒸气回收利用以及液体的脱色精制。在制备竹质活性炭的先进技术中，以微波辐射法为主导方法，目前应用技术已经比较成熟。除此之外，还有许多新技术如二次活化、溶胶凝胶以及超临界法等先进方法[2]。

2.4木质素

木质素主要来自工业纸浆的副废物，因为其自然分解时间很长，如果不经处理就排放到河流里会对水体造成严重污染。目前许多学者在进行了相关的研究。

孙勇等用芦苇黑液为原料制取出的活性炭，木质素微孔活性炭的比表面积高达1 219m2/g，并且具有良好的吸附苯酚能力。路棋等发现，一种制备活性炭的优良原料可来自针叶造纸蒸煮黑液中的木质素，其优化条件为：磷料比为4.5：1.0，活化温度为550℃，活化时间为40min，制备出的活性炭亚甲基蓝吸附值高达195mL/g，得率为40.75％，碘吸附值为656mL/g。

3　制备方法

炭化与活化是制备活性炭的两种主要方法。制备过程中，可以进行一步炭化活化，这时两个过程可以各自单独进行；也可以进行两步炭化，这时两个过程同时进行。

3.1炭化

依据现有文献，温度控制在450～1 000℃时炭化效果比较好。一般情况下，随着温度的升高，活性炭的产量逐渐减少。sai等用ZnCl2活化生物质制取活性炭过程中，如果升高温度，则会降低活性炭的产量，但与浸泡的时间没有关系。Peter等研究发现，固态产物的减少而液态与气态产物的增加是由于炭化温度的不断升高。然而，如果升高温度，产物中固定碳与灰分的比例变大，而挥发性物质的比例下降。故温度升高时，活性炭的吸附性能会增强。如果升高温度，则会降低活性炭的产量，归于两点原因：其一焦炭残留物的二次分解；其二是温度越高生物质热解越充分。

3.2活化

活化是为了利用化学物质或蒸气来清除炭化过程中的裂解产物、炭原子氧化及焦油物质，这些物质都汇集在孔隙结构里。产生微孔及扩大炭化料裂孔隙以提高比表面积以及孔洞体积，产出具有高吸附量的活性炭。物理活化法、化学活化法是两种主要的活化方法。

3.2.1物理活化法

物理活化法指将炭化材料与空气、二氧化碳、水蒸气等氧化性气体与碳材料混合，在高温条件下发生活化反应，致使碳材料中的无序碳氧化刻蚀成为孔，目的是使材料的内部产生微孔结构[3]。苏伟等采用CO2与水蒸气共同活化来制取高比表面积活性炭，其是采用椰壳炭作为原料进行制备的，研究结果表明，用CO2与水蒸气活化10～17h粒径在0.28～0.90nm的椰壳炭，可以制备出比表面积高达2 700m2/g的活性炭。

3.2.2化学活化法

化学活化法是指将化学药品加到原料里，同时进行活化及炭化的方法，化学活化法需要在惰性气体保护下加热才能进行[4]。化学活化法中经常用到的活化剂有碱金属与碱土金属的氢氧化物、一些酸类以及无机盐类。KOH ，H2P04，CaCl2和ZnCl2等是当前比较常用的化学活化剂，这其中以KOH作为活化剂效果优异。

【参考文献】

[1]董宇,申哲民,王茜等.生物质活性炭制备的比较研究[J].安徽农业学,2011,39(6)

[2]尹炳奎,朱石清,朱南文等.生物质活性炭的制备及其染料废水中的应用[J].环境污染与防治,2006,28(8)

[3]施雪,赵丽丽,吴江等.生物质活性炭对模拟烟气汞吸附特性的实验研究[J].上海理工大学学报,2013,35(5)

[4]李勤,金保升,黄亚继等.水蒸气活化制备生物质活性炭的实验研究[J].东南大学学报（自然科学版）,2009,39(5)

【基金项目】衡水市科学技术研究指导计划项目（10009z）