棉织物粉末化预处理制备活性炭

史晟，张素英

(1.太原理工大学 轻纺工程学院，山西 晋中 030600；2.太原理工大学 现代科技学院，山西 太原 030024)

活性炭由于其优异的多孔结构以及巨大比表面积，在吸附、催化剂、催化剂载体、电容器和电极等领域有着广泛的应用[1]。制备活性炭的原料非常广泛，包括生板栗壳、核桃果皮、核桃壳、扁桃壳、花生壳、小麦秸秆、杉木屑、烟杆、枣核、稻壳、甘蔗渣、棉花秸秆、造纸污泥等[2-5]。近年来，随着研究人员的不懈努力，活性炭的制备技术不断提高，制备成本逐渐降低。其中，以生物质废料为原材料制备活性炭最为突出，不仅成本大大降低，而且所制备活性炭的吸附性能较优异[6-7]。

制备活性炭的方法，根据活化剂不同可分为化学活化法、物理活化法和化学物理联合活化法[8]三种。化学活化法所用到的活化剂主要有氯化锌、氢氧化钾、磷酸以及碳酸钾；物理活化法的活化剂主要是水蒸气和二氧化碳；化学物理联合活化法所用活化剂既有化学活化剂也有物理活化剂[9-11]。在制备活性炭的过程中，预处理(物理和化学)对制得的多孔性活性炭材料的结构和性能影响很大[12-13]。

本文采用预处理-凝胶化-碳化的工艺制备活性炭，具体探讨球磨处理对棉纤维结构的影响，通过扫描电镜、红外光谱以及XRD测试手段表征球磨预处理对棉纤维结构的影响；然后以不同粒度的棉粉末制备棉凝胶，利用凝胶的特殊结构达到造孔目的，最终炭化制备活性炭产物，研究了粒度对所制产物的吸附性能的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

棉织物；氢氧化钠、尿素、碘、盐酸均为分析纯。

智能型-T系列高温管式炉；HH-2J电动搅拌水浴锅；DHG-9075A电热恒温鼓风干燥箱；FA1004N电子天平；Spectrum GX-IR-1730红外光谱仪；TD-3000X X射线衍射仪；JSM.6700F型场发射扫描电子显微镜。

1.2 实验方法

将棉织物剪小，撕成纤维状，球磨预处理，得到不同粒度的棉粉末，分别记为L1、L2、L3、L4(L1=0.15～0.3 mm，L2=0.075～0.15 mm，L3=0.038 5～0.075 mm和L4<0.038 5 mm)。

分别称一定量的不同粒度的棉粉末，加入到氢氧化钠质量分数6%、尿素质量分数4%的氢氧化钠/尿素溶液中，配制棉粉末质量分数5%的混合料，用转速600 r/min的电动搅拌机搅拌30 min，形成均一溶液。溶液用保鲜膜密闭，放入-5 ℃的冰箱中冷冻12 h。取出，用电动搅拌机剧烈搅拌解冻，直至形成透明无气泡且黏度大的胶体为止。凝胶用蒸馏水浸泡2 d，期间更换3次蒸馏水，确保凝胶中的溶质全部被置换掉，保证凝胶的纯度。凝胶放入电热恒温鼓风干燥箱中在50 ℃下干燥5 h。放入高温管式炉中碳化，氮气气氛，升温速率为10 ℃/min，在400 ℃保温1 h，在900 ℃保温2 h。以15 ℃/min的降温速率，降温至200 ℃，自然冷却至常温。将炭化活化，用蒸馏水清洗干净，烘干，即为活性炭。

1.3 分析方法

采用红外光谱仪对棉粉末和所得的产物的官能团进行研究。

采用X射线衍射仪(40 kV，30 mA，CuKα，λ=1.540 6)分析棉粉末和产物结构。

用场发射扫描电子显微镜表征棉粉末和产物的微观形貌。

对实验所得产物进行碘吸附值测试，碘吸附值采用GB/T 12496.8—1999《木质活性炭试验方法碘吸附值的测定》进行测定。

2 结果与讨论

2.1 球磨预处理棉纤维粉末的形貌结构

样品进行喷金处理，图1为棉粉末和棉纤维扫描电镜图。

图1 不同粒度棉粉末与棉纤维SEM图

由图1可知，棉纤维表面光滑，形状为扁平状，结构较为致密。4种不同粒径的棉粉末的形貌均为类圆片状，表面不平整，结构不致密，较疏松，不同粒径间棉粉末颗粒形状基本相同，看不出明显的区别。相比于棉纤维，棉粉末比表面积大大增加，在溶解过程中增加与溶剂的接触面积，使溶解效率提高，同时，棉粉末表面更加粗糙、疏松，试剂溶液更易浸入棉中[14]。总之，球磨处理之后所得的棉粉末更容易溶解。本文以上述4种粒径棉粉末分别制备棉凝胶块，进一步炭化，制备活性炭。

2.2 球磨预处理对棉纤维物化结构的影响

2.2.1 红外光谱 棉纤维与棉粉末的红外光谱图见图2。

图2 不同粒度棉粉末与棉纤维的红外光谱图

2.2.2 X射线衍射 由图3可知，棉纤维分别在2θ=15，25，37.5°处有衍射峰，而棉粉末仅在2θ=22°有微弱的衍射峰。衍射峰数量变少，峰强变弱，说明球磨处理不仅破坏棉纤维的非结晶结构，而且结晶结构也被破坏。不同粒径的棉粉末具有相同的衍射峰，都在2θ=22°左右有明显的宽峰，证明不同粒径下的棉粉末具有相同的结晶结构，粒径小的棉粉末的衍射峰更加尖锐，说明粒径小的棉粉末相对结晶度更高[16-17]。棉纤维的结晶结构被破坏，棉粉末结晶度相对较低，在溶解棉粉末过程中，试剂更容易浸到纤维素大分子之间，缩短溶解时间，提高溶解效率。

图3 不同粒度棉粉末与棉纤维的XRD图谱

2.3 活性炭形貌

图4为不同粒径棉粉末所制备的活性炭产物的扫描电镜图片，图a、b、c和d分别为棉粉末粒径L1、L2、L3和L4所制活性炭产物。

图4 不同粒度棉粉末制得活性炭产物SEM图

观察可知，4种不同粒径下的碳化产物的微观结构中都有孔洞存在，并且随着原材料粒径的变小，其对应产物结构中的孔洞变多，尺寸也在变小，棉粉末粒径为L1的碳化产物的电镜图谱中，可看到最多的小孔洞。棉粉末粒径对所制备活性炭产物有影响，随着产物粒径的变小，所制活性炭的产物孔洞越小。

2.4 产物的吸附性能

4种粒径产物的碘吸附值见图5。

图5 不同粒径棉粉末碳化产物碘吸附量

由图5可知，随着粒径增大，碘吸附值呈下降趋势。棉粉末粒径0.075～0.15 mm时，所制备的活性炭产物的碘吸附值最高，为1 144 mg/g，4种不同粒径所制备的活性炭产物的碘吸附值都满足国家一级标准。原因可能是，随着棉粉末粒径变小，溶液越容易溶解棉，在相同的时间里，粒径小的棉粉末溶解效果更好，会形成更加均一的凝胶块，导致所制活性炭产物的孔洞更加均一，吸附性能越好[18-19]。

3 结论

(1)经球磨处理的棉粉末，表面官能团种类减少，结晶度较低，结构较疏松，更加容易被溶解。

(2)由不同粒径棉粉末制备的活性炭，吸附性能良好。粒径0.075～0.15 mm制备的活性炭，碘吸附值最高为1 144 mg/g，满足国家一级品标准要求。