汉麻秆基活性炭的制备研究

石雨，刘爽，田媛，阚侃，高宝昌

（1.黑龙江省科学院大庆分院，黑龙江大庆 163319；2.大庆炼化公司，黑龙江大庆 163319）

汉麻秆基活性炭的制备研究

石雨1，刘爽2，田媛1，阚侃1，高宝昌1

（1.黑龙江省科学院大庆分院，黑龙江大庆 163319；2.大庆炼化公司，黑龙江大庆 163319）

以汉麻杆为原料，KOH为活化剂，制备了高比表面积活性炭。利用其对氮气吸附脱附曲线进行分析，得出碳化和活化后BET比表面积分别为1 674.27m2·g-1和1 834.01m2·g-1，孔容积分别为0.74cm3·g-1和0.85 cm3·g-1，平均孔径为2.27nm和2.02nm。

汉麻；活性炭；比表面积；吸附

生物质材料是植物通过光合作用，利用水和二氧化碳合成的有机物，也是随处可得的可再生资源，因此这类材料的利用得到了人们的广泛关注，主要成分是纤维素、半纤维素和木质素的生物质材料，是生产活性炭非常好的原料。目前，各种各样的生物质材料被用于制备活性炭，如玉米秸秆、稻草秆、松针、松子壳、椰子壳、棕榈树皮和甘蔗渣等。以价格低廉的生物质材料为原料制备活性炭，并对其展开应用，对于环境治理具有重要意义。

具有悠久种植历史的汉麻是人类最早用来织物的天然纤维，拥有着“国纺源头，万年衣祖”之美誉，可用来制成具有吸湿、透气、散热性能良好的服饰，它的抑菌、防辐射和吸音等功能还可为军方所用。总后勤部军需装备研究所自2003年起已对汉麻进行了综合利用研究。利用汉麻秆芯的丰富孔穴结构和其良好的吸湿性，制备出已广泛应用于我军多种面料和雨衣中的高性能防水透湿型聚氨酯。防护用具的防护水平提高也与汉麻有着重要的联系。用汉麻秆芯制备成的碳化硅防弹插板，不仅重量轻，而且大大提高了防护系数［1］。不仅如此，汉麻秆的化学组成和疏松多孔的独特结构也使其成为一种非常适合制备生物质活性炭的原料，而且汉麻种植简单，对土地要求不高，是种易获得的生物质材料。

目前被广泛研究报道的用来制备活性炭的生物质材料大多是农业秸秆废弃物。而对麻类植物制备活性炭的研究报道大多集中在麻纤维活性炭。以汉麻秆这种生物质材料制备活性炭的研究鲜有报道［2］。

1 实验部分

1.1 原料、试剂与仪器

A.原料：汉麻秆（黑龙江省科学院大庆分院种植）。B.试剂：氢氧化钾、磷酸、浓盐酸等（均为分析纯）。C.仪器：AR1140/C电子天平、101-1A电热鼓风干燥箱、MXG1200-80真空管式炉。

1.2 实验方法

A.汉麻秆预处理。将汉麻秆切成每段10cm，在120℃下恒温干燥24h。

B.配制10mol/L的KOH溶液。秤取140.275gKOH至烧杯中，加少量水溶解，倒入250mL容量瓶中。洗涤溶解KOH的烧杯及玻璃棒3次，并将洗涤液倒入容量瓶中。加水定容。

C.配制1.5mol/L的H3PO4溶液。量取25.63mL85%的浓磷酸（其浓度为14.63mol/L）溶于适量水中，倒入250mL容量瓶中，加适量水稀释，定容。

D.配制0.1mol/L的HCl溶液。量取4.1mL 37%的浓盐酸（其密度为1.19g/cm3）,倒入烧杯中，加适量蒸馏水，搅拌均匀，待冷却后倒入500mL容量瓶中。洗涤烧杯和玻璃棒3次，并将洗涤液倒入容量瓶中。加水定容。

E.汉麻秆基活性炭的制备。将预处理过的汉麻秆放入烧杯，用1.5mol/L的H3PO4溶液煮沸3h，之后烘干。在100mL/min的N2保护下，在管式炉中以5℃/min的速率升温至400℃，恒温碳化2h。温度降至室温后取出，该碳化处理后的样品以“a”来表示。取a样品1.51g，加入13.35mL 10mol/L的KOH溶液，充分搅拌后超声2h，80℃恒温加热24h后烘干。在80mL/min的N2保护下，在管式炉中以10℃/min的速率升温至400℃，恒温1h，紧接着再以10℃/min的速率升温至700℃，恒温2h。待冷却至室温后取出，放入0.1mol/L的HCl中煮沸20min，再用去离子水洗至中性，120℃下烘干，得样品“b”。

1.3 测试与表征

采用Hitachi S-4300扫描电子显微镜(SEM)对汉麻秆基活性炭的形貌和结构进行表征。比表面积(BET)测试采用ST-2000。

2 结果与分析

图1样品b的SEM图Fig.1SEM images of b

图1 为样品b的SEM图。国际理论与应用化学联合会依据不同尺寸孔隙中分子吸附的不同，将吸附细孔分为三类：孔径＞50nm为大孔，2~50nm为中孔，孔径＜2nm为微孔［3］。由图可看出活性炭蜂窝状结构很明显，孔道丰富，很多大孔直径在50μm左右，大孔孔壁上还分布着很多的中孔和微孔，因此样品才会形成大的比表面积。孔道分布整齐规律，与汉麻秆芯内部结构密切相关。

图2样品a、b的氮气吸附脱附等温线Fig.2 Nitrogen adsorption/desorption isotherms of a and b

图2 为样品a和b的氮气吸附脱附等温线。由图可以看出，两个样品在低相对压力下（P/P0≤0.3）时上升迅速，在P/P0为0.4左右时开始上升缓慢，到0.8时出现吸附平台，在0.4~0.8有滞后回线，均符合IUPAC分类的(Ⅳ)型等温线特征。说明活性炭结构以中孔和大孔为主。

表1 样品a、b的表面结构参数Tab.1 Surface textile parameters of a and b

表1为样品a、b的表面结构参数。由测试得到a和b的BET比表面积分别为1 674.27m2·g-1和1 834.01 m2·g-1，孔容积分别为0.74cm3·g-1和0.85 cm3· g-1，平均孔径为2.27nm和2.02nm。a是只经碳化处理得到的汉麻秆基活性炭样品，b是在a样品的基础上再经KOH活化处理所得到的样品。由表可看出，经KOH活化后，活性炭的比表面积和孔容积都有所增大。而平均孔径的减少可能使活化过程中大孔道壁上又形成了更加丰富的中孔和微孔。

3 结论

本文以KOH活化法制备了汉麻秆基活性炭，并对比了只经碳化处理和再经活化处理的两个样品的表面结构参数和吸附性能。活化后活性炭比表面积和孔容积都较只做碳化处理的活性炭有所增大，吸附效果也有所增强。

［1］张华，张建春，张杰.汉麻——一种高值特种生物质资源及应用［J］.高分子通报，2011，（08）：1-7.

［2］李慧琴，杨儒，徐新花.麻炭的制备及其微观结构［J］.北京化工大学学报，2007，34（5）：508-513.

［3］李坤权，李烨，郑正，等.高比表面生物质炭的制备、表征及吸附性能［J］.环境科学，2013，34（1）：328-335.

Preparation of Hemp Stems Activated Carbon

SHI Yu,LIU Shuang,TIAN Yuan,KAN Kan,GAO Bao-chang
(1.Daqing Branch of Heilongjiang Academy of Sciences,Daqing 163319,China;
2.Daqing Petrochemical Company,Daqing 163319,China)

A kind of active carbon with high specific surface area is made from the pole material of hemp stems and the activator was KOH.The curves of the adsorption and stripping with the nitrogen are analysed.The result of the BET which are carbided and activated are 1647.27 m2·g-1and 1834.01 m2·g-1,the data of the pore volume are 0.74cm3·g-1and 0.85 cm3·g-1,the data of the average aperture are 2.27nmand 2.02nm.

Hemp,Activated carbon,Specific surface area,Adsorption

TQ424.1+4

A

1674-8646（2016）01-0012-0212111

2015-09-18

石雨（1990-），女，黑龙江齐齐哈尔人，学士，实习研究员，从事精细化工研究。