分段制备南疆棉秆基活性炭的初步研究

周林 杨瑛

摘要：以南疆农业废弃物棉秆为原料，采用棉冠、棉茎、根部3段不同部位制备棉秆基生物质活性炭吸附材料，对3部分棉秆在不同温度范围（375～475 ℃）及不同热解时间（90～170 min）炭化，测定分段棉秆以及棉秆基活性炭的基本理化参数。按照木质活性炭国家标准试验方法对直接热解的3段棉秆得炭率、含水率、棉秆液pH值酸碱度、灰分及挥发分含量等基本参数进行工业分析。试验结果表明，当炭化温度为375 ℃，热解时间为90 min时，活性炭得率最高;棉秆平均含水率为8.67%，棉冠与根部有较高含水率;棉秆灰分与挥发分含量均达到木质活性炭检测标准。本研究结果可为南疆棉秆基活性炭的基本理化参数提供数据参考和理论依据。

关键词：棉秆;活性炭;工业分析;理化性质

中图分类号： X712  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）07-0229-03

农林废弃物——秸秆是一种重要的可再生生物质原料，全世界农林产业每年秸秆剩余量约为29.5亿t，其中我国农作物秸秆的年剩余产量占全世界的25.4%，约有7.5亿t[1-3]。我国南疆是棉花的主产区之一，秸秆资源十分丰富。棉花作为新疆维吾尔自治区重要的经济作物和工业原料，在给农民带来经济效益的同时也带来了如何处理棉花秸秆的巨大挑战。由于每年秋收后棉秆资源大量剩余，大部分农民选择将棉花秸秆直接就地焚烧或者粉碎还田这2种途径。据不完全统计，我国每年棉花秸秆约有2 760万t，直接就地燃烧处理不仅对环境是极大的污染同时更是棉秆资源的浪费[4-6]。因此循环利用农林业废弃物——棉秆制备优质活性炭，不仅减少了焚烧带来的环境污染，还可以增益创收形成绿色循环再生经济体系。

为实现资源化利用，本试验以南疆棉秆作为研究对象，主要研究棉秆基活性炭的制备工艺，探讨棉秆在不同温度范围（375～475 ℃）、不同热解时间（90～170 min）内炭化最优得炭率，并测定原料棉秆的基本物化性质。根据有关学者研究，棉花属于一年生木本植物，其不同部位微观结构不尽相同[7-9]。棉冠、棉茎、根系是棉秆的3个组成部分，棉冠是由棉秆顶部的侧枝、叶片和棉桃组成;棉茎由主枝干和侧支干组成。南疆地区棉花秸秆比内地棉秆细小，主要受新疆气候、盐碱土壤、品种以及栽培环境的影响产生较大差异，棉秆是一种具有复杂的宏观和微观结构的材料，棉秆的纵向高度之间、同一棉秆个体之间、不同棉秆之间以及同一棉秆不同部位之间，由于棉秆内部结构的各向异性，其物理及几何特性特性都存在较大差异[10-12]。本研究根据棉秆的纵向结构特点，通过对棉秆进行分段炭化建立棉秆参数模型，研究棉秆基活性炭的基本理化性质。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料取自新疆阿拉尔塔里木大学周边的棉田为收割期的棉花秸秆，品种选择新陆中棉48，选取茎秆顺直、无病虫害、无缺陷的棉秆，手工去掉棉桃、棉壳、叶和侧枝，用毛巾擦试干净，置于电热鼓风干燥箱在80 ℃干燥12 h，将一定长度干燥的棉秆平均分冠、茎、根3段，分别用植物粉碎机粉碎，过100目标准筛，将制得的棉秆放于干燥容器中备用。

1.2 试验仪器

JF-2000型智能马弗炉、30 mL瓷坩埚、分析天平（可精确至0.1 mg）、电热鼓风干燥箱、pH-2603多参数酸度测试仪、扭力天平、电子万用炉等。

1.3 棉秆基活性炭预处理（去除灰分、杂质）

将棉秆上中下3部分分别粉碎，过100目筛，然后将粉碎的棉秆标记后置于烘箱中在120 ℃条件下烘干备用，分别记作AC-冠、AC-茎、AC-根。

1.4 炭化试验

将预处理过的3部分棉秆分为5组，每组20 g，在375、400、425、450、475 ℃的条件下，分别将3部分热解90、110、130、150、170 min，精确称量热解前后的质量变化。

1.5 棉秆的基本参数测定

1.5.6 棉秆液pH值的测定 本试验按照GB/T 12496.7—1999《木质活性炭试验方法 pH值的测定》[15]，各取10组3段棉秆粉末待测样，每组样品用电子称精确称取2.508 g，然后置于100 mL的锥形瓶中，加入50 mL去除二氧化碳的水，用电子万用炉加热至沸騰，缓和煮沸5 min，将蒸发后的水分补添后再过滤，将刚过滤出来的5 mL初滤液弃去，余液冷却至室温后用多参数pH计测定棉秆液的pH值。

2 结果与分析

2.1 3段棉秆直接热解的得炭率

从图1可以看出，随着温度和时间的变化，3段棉秆活性炭得率均呈下降趋势，不同炭化温度、炭化时间对棉秆热解制备活性炭的得率有较大影响。3段棉秆在初始炭化温度下，炭化时间对活性炭的得率影响相对较小，而炭化温度对得率的影响较大。400 ℃时，炭化温度对3段棉秆活性炭的影响效果均最大。这是由于初始温度升高至400 ℃时，棉秆有机质成分经高温裂解，活性炭的得率逐渐增大，进一步升温裂解使部分活性炭框架结构化并形成微小失重，使得率降低;当裂解温度高于 375 ℃ 时，随着热解时间的延长，棉秆灰分含量由于部分氧气的存在逐渐提高，导致活性炭得率呈下降状态。

从图1-a、图1-b可以看出，在初始炭化温度逐步升至425 ℃时，棉秆得炭率均呈现迅速下降趋势，当炭化温度从425 ℃升至450 ℃，热解时间为110～150 min时，得炭率趋于平稳状态，而450 ℃之后得炭率匀速降低，说明温度较高时棉秆前期炭化和后期炭化中棉秆内部结构发生巨大变化，这是由于前期炭化去除棉秆中自由水，后期炭化去除棉秆中结合水，或试验原料过多在马弗炉内部受热不均引起。当温度在425～450 ℃时，由于活性炭裂解产热，生成大量液体（乙酸、甲醇、木焦油等）及气体产物。其中生成的气体产物中CO2含量随热解时间的延长而逐渐减少，乙烯、甲烷等可燃性气体产物随热解时间的延长而逐渐生成增多，造成棉冠和棉茎的得炭率呈现平稳趋势。从图1-c可以看出，当温度达到 450～475 ℃ 时，根部活性炭得率才趋于稳定趋势。说明棉秆根部长期受土壤水分的影响，含水率较高，木质纤维较厚，须要更高的裂解温度才能将其炭化。

2.2 棉秆含水率

本试验棉秆平均含水率为8.67%，从图2可以看出，棉冠与根部的平均含水率略高于棉茎。在工业应用领域中，棉秆的干燥工艺是相对稳定的，含水率变化直接导致棉秆炭化后活性炭含水率的差异。在其他基本参数相同的条件下，棉秆含水率的不同，也会导致活性炭产品物理性能的不同，从而直接影响活性炭的吸附能力。

2.3 棉秆中灰分、挥发分及固定碳含量

灰分是活性炭中不可燃烧的矿物质，活性炭燃烧炭化时要吸收大量热量，因而棉秆燃烧后灰分越高，热效率则越低。本试验棉秆灰分中含有钾、铝、硅、钠、铁等的氧化物，含量在3%～6%之间，活性炭中灰分的相对含量随着原材料的炭活化程度而增加，棉秆挥发分含量在65%～73%之间，符合正常木质活性炭挥发分含量。根部的灰分和挥发分含量相对于棉冠棉茎较小，说明棉秆根部产出的活性炭质品质以及物理及化学性能较差（表1）。

2.4 棉秆液pH值

从图3可以看出，棉秆液pH值范围稳定在6～7之间，棉秆根部呈弱酸性，棉冠和棉茎的pH值几乎一致，因此可以认为这2段之间的pH值没有误差，但相对于根部pH值，相差超过0.3，认为前2段不能与根部视为同质。应区分冠茎与根部性质，为后续活性炭吸附及表征分析试验提供一定的理论参数。

3 结论

本试验通过分3段制备南疆陆地棉秆基活性炭，并探究了在不同温度范围，不同炭化时间下3段棉秆的活性炭得率、棉秆含水率、棉秆灰分含量、挥发分含量、固定碳含量及棉秆液pH值等基本物理参数。炭化温度是影响南疆棉秆基活性炭得率的重要因素。本试验最佳炭化条件为热解温度375 ℃，时间为90 min。随着炭化温度的增大，3段棉秆活性炭得率均下降，当温度在425～450 ℃之间棉冠和棉茎炭得率相对稳定，而根部得炭率下降明显，当温度达到 475 ℃ 时，无论热解时间长短，根部得炭率几乎不发生变化。这是由于棉秆本身不同部位的差异引起的不同变化，总体来说棉冠及棉茎得炭率高于根部得炭率。棉秆含水率大小影响炭活化后活性炭的含水率，直接影响活性炭的品质。本试验棉秆平均含水率为8.67%，棉冠与根部平均含水率高于棉茎。在其他基本参数相同的条件下，3段棉秆不同含水率的差异，导致活性炭产品性能的不同。因此要尽量保持棉秆上中下部分含水率稳定在同一水平，才能保证炭活化后活性炭的优等品质。本试验测定的棉秆灰分含量为3%～6%，挥发分含量约为65%～73%，符合木质活性炭基本参数检测标准。可根据原材料的灰分含量推测活性炭中灰分的相对含量，一般为棉秆灰分含量的10倍。棉秆基活性炭灰分含量为30%～60%。棉秆液pH值范围稳定在6～7之间，呈弱酸性。由于棉冠和棉茎的pH值与根部pH值相差较大，试验中根据测定的不同物理参数应适当区分冠茎与根部，本试验结果为后续活性炭吸附性能及性能表征提供了一定的基础参数依据。

参考文献：

[1]毕于运，高春雨，王亚静，等. 中国秸秆资源数量估算[J]. 农业工程学报，2009，25（12）：211-217.

[2]刘 飞，周 岭. 农林剩余物综合利用的研究现状[J]. 农机化研究，2015，37（2）：230-235.

[3]李金霞，卞 科，许 斌. 棉秆资源特性及其在农业上的应用[J]. 河南农业科学，2007（1）：46-49.

[4]刘庆庭，区颖刚，卿上乐，等. 农作物茎秆的力学特性研究进展[J]. 农业机械学报，2007，38（7）：172-176.

[5]秦翠兰. 棉秆力学性能的研究[D]. 阿拉尔：塔里木大学，2016.

[6]崔纪成，杨 瑛. 棉秆活性炭制备工艺及其碘吸附性能[J]. 江苏农业科学，2017，45（2）：245-247.

[7]袁文辉，叶振华. 高性能活性炭的制备及其性能研究[J]. 天然气化工，1997，22（6）：30-33.

[8]陳 香. 南疆棉秆活性炭的制备及性能研究[D]. 上海：东华大学，2015.

[9]Li W，Peng J H，Zhang L B，et al. Preparation of activated carbon from coconut shell charsin pilot-scale microwave heating equipment at 60 kW[J]. Waste Management，2009，29（2）：756-760.

[10]王秀芳，张会平，陈焕钦，等. 高比表面积活性炭研制进展[J]. 功能材料，2005，36（7）：975-978.

[11]崔丹丹，蒋剑春，孙 康，等. 高比表面积竹质活性炭的制备与性能研究[J]. 林产化学与工业，2010，30（5）：57-60.

[12]陈爱国. 稻壳制备活性炭的研究[J]. 新型炭材料，1999，14（3）：58-62.

[13]国家质量技术监督局. 木质活性炭试验方法 水分含量的测定：GB/T 12496.4—1999[S]. 北京：中国标准出版社，1999.

[14]国家质量技术监督局. 木质活性炭试验方法 灰分含量的测定：GB/T 12496.3—1999[S]. 北京：中国标准出版社，1999.

[15]国家质量技术监督局. 木质活性炭试验方法 pH值的测定：GB/T 12496.7—1999[S]. 北京：中国标准出版社，1999.王铭枫，李云伍，徐俊杰，等. 基于A*算法的丘陵山区田间路网路径规划[J]. 江苏农业科学，2019，47（7）：232-235，296.