磷酸法活化气氛对活性炭丁烷工作容量的影响

贺德留



磷酸法活化气氛对活性炭丁烷工作容量的影响

贺德留

（河南省林业科学研究院，河南 郑州 450008）

不同的活化环境气氛对磷酸法果壳颗粒活性炭的制造产生不同的结果。该研究主要探索水蒸气、二氧化碳气体、氮气等介质下磷酸为活化剂活化果壳对产品正丁烷气体吸附性能的影响。

丁烷吸附；活性炭；果壳粒；磷酸活化

前言

随着大气环境的快速恶化，作为环保的一种有效材料，活性炭越来越得到广泛应用，从室内空气净化、生产场合环境净化到汽车废气排放、汽油散发控制，无不显示出活性炭的重要性。对活性炭的急剧需求，原材料资源就显得不足，尤其是制造高效能活性炭木质原料，更是越来越缺乏。

近些年的经济林业发展，使得核桃资源快速增长，利用生产废料核桃壳制造高效能的活性炭吸附剂就成了重要的研究目标。

目前坚果壳（核）生产活性炭，大都采用物理法，原材料消耗大，产品的吸附能力也不是很理想。利用化学法生产果壳活性炭，这在国内外都有大量的研究。但对于化学法活化过程，不同活化环境气氛所制得的活性炭对特定物质的吸附影响，研究报道却很少。法国学者[1]以及西班牙学者[2]都曾经进行过相关的研究，但这些研究大多限制于理论和活性炭的表征上。本研究主要探讨果壳磷酸法制造汽油散发控制用活性炭的活化过程，受活化气氛的影响情况。依据他们的研究，水蒸气气氛磷酸法活化制造的活性炭呈中性，理应更好的能吸附非极性的气体丁烷，但事实是我们的研究结果与他们的论述不太符合。

1 材料与方法

1.1 材料

本实验使用的材料为核桃壳，粉碎至10~20目颗粒，使用水浮方法除去软质部分，烘干待用。

试剂：磷酸（分析纯85%），碳酸钙（分析纯），盐酸（分析纯）正丁烷99.9%，氮气（液氮气化产生）

仪器和设备：电子天平、鼓风干燥箱、粉碎机，热风机、立式管式气氛炉，二氧化碳发生装置，液氮气化装置，以及蒸汽产生装置

1.2 试验方法

将预热的磷酸与果壳粒（750 g）按照1.2︰1比例混合，停留一段时间，炭化完成后，分5份进行不同气氛条件下的活化。活化到达终了温度后，保温2 h，取出进行后处理。

1.3 结果与分析

活性炭丁烷工作容量，依据美国ASTM D5228-1993标准测定。样品的表观密度依据GB/T12496.1测定。

2 结果与讨论

2.1水蒸气气氛的活化条件以及对活性炭丁烷工作容量的影响

在蒸汽气氛下活化，在420~450℃的活化温度范围内，活性炭的表观密度随活化温度升高而降低，而持附性也是出现在表观密度最低点，说明这一温度范围内，物料出现体积膨胀；450~510℃这个范围表观密度几乎无变化；温度高于510℃，表观密度开始变大，可能是由于随着终了活化温度的升高，体积出现收缩，活性炭的孔隙也出现了收缩变小。颗粒活性炭对丁烷气的吸附率则随着活化温度的升高而增加，480℃达到最大值，然后开始下降。

由于丁烷工作容量受制于表观密度、丁烷吸附率以及持附性。综合因素，致使480℃活性炭的丁烷工作容量最大，在这一温度下的颗粒炭丁烷工作容量BWC达到了13.5 g/100 ml，见表1。

2.2 二氧化碳气氛的活化条件以及对活性炭丁烷工作容量的影响

在二氧化碳气氛下活化制得的活性炭，表观密度相对于蒸汽气氛降低了很多。但对正丁烷的吸附能力整体提高很多，丁烷工作容量也有提高，但持附性也提高很多。这说明二氧化碳气氛下制得的活性炭孔隙更发达。与水蒸气气氛制得的活性炭不同，它的丁烷工作容量最大值温度出现在终了温度450~480℃之间，但终了温度为450℃时，丁烷吸附率更高，而残留量也较大。

与蒸汽气氛不同，二氧化碳气氛下制得的活性炭，其表观密度随活化终了温度升高而增加，而对正丁烷的吸附率却随终了温度升高而降低，其结果见表2。

2.3 氮气气氛的活化条件以及对活性炭丁烷工作容量的影响

在氮气气氛下活化，活化终了温度对活性炭的各项指标影响不是很大。表观密度相对于蒸汽气氛稍有降低，而相对于二氧化碳气氛则稍微增大。对正丁烷的吸附率也略低于二氧化碳气氛，略高于蒸汽气氛下制得的活性炭。持附性也介于上述两种气氛之间。

但是，和二氧化碳气氛一样，氮气气氛下的活性炭，其最大丁烷工作容量出现在450 ℃的活化终了温度。详细数据见表3。

表3 氮气气氛下，不同活化温度下的颗粒活性炭的正丁烷吸附性能

3 结论

从以上3种不同气体作为活化气氛，进行磷酸法活化，其影响结果是不同的。蒸汽气氛下制得的颗粒活性炭丁烷工作容量最小，但持附性（残留量）也最小。二氧化碳气氛下制得的颗粒活性炭丁烷工作容量最大，但持附性（残留量）也最大。但无论哪种气氛下进行活化，丁烷工作容量其最大值都出现在450~480 ℃之间。而蒸汽、氮气气氛下制得的活性炭，在450℃的活化终了温度下，丁烷吸附解吸后的残留最小。而二氧化碳气氛下制得的活性炭，其丁烷吸附解吸后的残留最小值，出现在活化终了温度为480℃。

就整体评价而言，二氧化碳气氛最适合制造丁烷吸附活性炭，而450~480 ℃是最佳的活化终了温度范围。

[1] H.BENADD I, D.LEGRAS ,J.N.ROUZAUD and F.BEGUIN . Influence of the atmosthere in the chemical activation of wood by phosphoric acid[J]. Letters to Editor, p306-309.

[2] M.MOLINA-SABIO, F.CATURLA and F.RODRIGHEZ -REINOSO .Influence of the atmosthere used in carbonization of phosphoric acid imprenaged peach stones[J]. Letters to Editor, p1180-1182.

（责任编辑：王文彬）

2015-08-24

O 62

B

1003-2630（2015）03-0018-03