甘蔗渣基炭材料的制备及结构和性能研究

曾 建，梁 磊，谢晋谋，黄向阳，杨新强

（1广州甘蔗糖业研究所 广东省甘蔗改良与生物炼制重点实验室，广东广州510316；2广东省植物纤维综合利用工程技术研究开发中心，广东广州510316；3广州市植物纤维综合利用重点实验室，广东广州510316；4云南康丰糖业(集团)有限公司，云南保山678000）

0 引言

中国的森林资源一直在减少，环境日益遭到破坏，国家越来越重视生态环境保护与森林资源开发的问题。同时，随着国家退耕还林政策的实施，严格限制利用天然林木生产木炭和木炭用量的大量增加，天然木炭已经满足不了市场需求。因此，使用秸秆、木屑、花生壳等低品位生物质制备的炭材料越来越受到重视[1]。秸秆、木屑、花生壳等低品位生物质都是农业废弃物和工业废弃物，原料来源丰富，价格低廉，直接焚烧不仅利用率低，而且污染环境。

甘蔗渣是制糖工业副产品，最主要的成分是纤维素，其次是木质素和半纤维素，其中纤维素占32%～48%，木质素占23%～32%，半纤维素占19%～24%，成分相对稳定[2-4]。甘蔗渣的碳水化合物的含量与一般木材相当，是一种含丰富碳源的材料，利用甘蔗渣制备炭材料是甘蔗渣高值化综合利用的一种新途径[5-6]。

1 实验部分

1.1 材料、试剂与仪器

甘蔗渣，广东茂源糖业有限公司；氢氧化钠，化学纯。

马弗炉，天津泰斯特仪器公司；粉碎机，青岛兴旺机制木炭厂；木炭机，青岛兴旺机制木炭厂；台式扫描电镜，荷兰Phenom公司。

1.2 实验方法

图1为实验流程图。将甘蔗渣浸入1%(w/w)NaOH溶液，液质比5：1，室温下搅拌清洗0.5 h，取出甘蔗渣用自来水清洗至接近中性后，过滤，置于烘箱干燥。将干燥后的甘蔗渣，经粉碎机粉碎，再经木炭机挤压成型，然后置于炭化炉高温炭化，最后得到甘蔗渣基炭材料，炭材料为中空结构。实验流程照片图如图2。

图1 实验流程图

图2 实验流程照片图

2 结果与讨论

2.1 含水量

在挤出成型过程中，甘蔗渣的含水量对成型过程和产品质量影响很大，当原料水分过高时，加热过程中产生的蒸汽太多不能顺利地从棒的中心孔中排除，造成棒的表面开裂，严重时造成不出棒，但水分太低成型也很困难，甚至无法成型。实验结果表明，原料最适宜的水分应保持在10%左右，表1是甘蔗渣含水量对挤出成型的影响。

表1 甘蔗渣含水量对挤出成型的影响

2.2 甘蔗渣尺寸

表2是甘蔗渣尺寸对挤出成型的影响。甘蔗渣的尺寸不宜太长，太粗，也不宜太短，太细，否则不利于甘蔗渣的挤压成型。在甘蔗渣挤压成型之前，甘蔗渣需要进行粉碎，尺寸大小以20～30目为佳。

表2 甘蔗渣尺寸对挤出成型的影响

2.3 挤出成型温度

甘蔗渣棒成型过程中不添加任何黏合剂和其他化学试剂。温度过低，容易造成出棒筒堵塞，难以出棒，甚至可能将螺杆扭断；温度过高，会使棒体表层炭化，难以形成有效压力，无法成型，挤出成型温度对挤出成型的影响结果见表 3。结果表明，甘蔗渣在挤压成型过程中，温度应控制在160～180℃左右，并根据现场实际情况进行细微的调整。

表3 挤出成型温度对挤出成型的影响

2.4 产率

炭材料的产率(%)=炭材料的质量/甘蔗渣棒的质量×100。甘蔗渣制备炭材料产率见表4，甘蔗渣制备炭材料的平均产出率为28.6%。

表4 甘蔗渣制备炭材料产率

2.5 甘蔗渣预处理

经实验测试，未预处理的甘蔗渣灰分为3%～5%，碱洗预处理后的甘蔗渣灰分为0.7%～1.2%。未预处理的甘蔗渣制备的炭材料灰分为14%～26%，固定碳含量较低，碱洗预处理后的甘蔗渣制备的炭材料灰分为4%～6%，固定碳含量较高，发热量大，性能与原木炭相当[7]。结果表明，碱洗预处理对炭材料的性能有明显的提高。表5的实验数据由广东省质量监督煤炭检验站官方检测，炭材料的成分包括水分、灰分、挥发分、固定碳。

2.6 炭材料的微观结构

通过台式扫描电镜(SEM)观察甘蔗渣基炭材料的微观结构，发现炭材料的横截面为独特紧密的折叠纹路，没有明显的贯穿孔洞，如图3所示。

图4为阿拉丁20～50目活性炭和原木炭的SEM图。图中可以发现活性炭表面存在大量的微孔结构，孔洞内径从零点几微米到十几微米不等，原木炭的横截面存在大量的疏松孔洞，且孔洞内径较大，10 μm左右，与甘蔗渣基炭材料的微观结构有明显的不同。这可以解释机制甘蔗渣基炭材料的密度高于原木炭的原因。

表5 甘蔗渣预处理对炭材料性能的影响

图3 甘蔗渣基炭材料的横截面SEM图（右图为局部放大图）

图4 SEM图（左：阿拉丁20～50目活性炭，右：原木炭）。

3 结语

本文研究了甘蔗渣含水量、尺寸，挤出温度、预处理方法对炭材料制备的影响，并用台式扫描电镜研究了炭材料的微观结构。结果表明，最佳制备条件为经碱洗预处理的20～30目、含水量在8%～12%的甘蔗渣在160～180℃下挤出成型，再经炭炉炭化后得到灰分较低，固定碳含量较高的炭材料。甘蔗渣制备炭材料的平均产出率可以达到 28.6%，甘蔗渣基炭材料的形貌结构较为独特。

[1] 李勤，黄亚继，金保升. 利用生物质制取活性炭的现状及现实意义[J]. 山西能源与节能，2008，4(51)：13-15.

[2] 任俊莉，孙润仓，刘传富. 蔗渣可再生资源的最新利用进展[J]. 中国糖料，2006(2)：55-57.

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[5] 周晓薇. 用蔗渣生产颗粒活性炭[J]. 广西蔗糖，2001(4)：31-34.

[6] 张志航，于淑娟，李国基，等. 氯化锌法蔗渣制备活性炭研究[J]. 甘蔗糖业，1998(4)：32-34.

[7] 中华人民共和国林业部. 木炭和木炭试验方法 GB/T 17664-1999[S]. 北京：中国标准出版社，1999.