真空微波加熱對(duì)松木屑制備活性炭產(chǎn)率及吸附性能的影響

王曉睿，張莉，吳永貴，3，楊開(kāi)智，謝榮

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.江蘇理工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 常州 213000；3.貴州大學(xué) 應(yīng)用生態(tài)研究所，貴州 貴陽(yáng) 550025)

活性炭作為含碳有機(jī)原料經(jīng)過(guò)高溫?zé)峤夤に囂幚淼玫降臒o(wú)定形碳，由于具有孔隙結(jié)構(gòu)豐富和比表面積巨大的特點(diǎn)，使其在空氣凈化、水處理、催化劑載體等方面均有大量的實(shí)際應(yīng)用[1]。我國(guó)傳統(tǒng)工業(yè)化生產(chǎn)活性炭大多使用煤炭、石油、樹(shù)木等為原料，如何綠色環(huán)保地制備活性炭成為當(dāng)下的難題之一。為此，愈來(lái)愈多的企業(yè)與科研工作者[2-5]利用價(jià)格低廉又清潔的農(nóng)林廢棄物如椰殼[6]、核桃殼[7]、甘蔗渣[8]、谷殼[9]等為原料制備活性炭。松木屑也是一種農(nóng)林廢棄物，是松木在加工后產(chǎn)生的粉末狀廢料，在工業(yè)生產(chǎn)中由于其難以利用而被丟棄。

活性炭大多通過(guò)污染嚴(yán)重且浪費(fèi)大量能量的傳統(tǒng)常壓燒炭制備而成。而微波加熱作為一種新穎的熱能技術(shù)因不需要外部熱源、無(wú)熱度梯度而受到重視。 Ahmed[10]、藺麗麗[11]、Foo[12]、高建培[13]、Chayid[14]等選擇微波作為熱源已制備出比表面積更大、吸附能力更強(qiáng)的活性炭，且制備過(guò)程清潔無(wú)污染。Lua等[15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于常壓下制備活性炭，在真空條件下所得的活性炭比表面積大、吸附性能優(yōu)越、孔徑分布密集[16-17]。真空條件下裂解制備活性炭相對(duì)于常壓條件具有兩大優(yōu)勢(shì)：首先，在真空條件下裂解制備活性炭，具有降低原料所需碳化溫度、潔凈生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，故而對(duì)綠色、環(huán)保制備活性炭有著重要意義；同時(shí)，真空條件亦有利于生物油及裂解氣的收集，對(duì)生物質(zhì)原料的全組分利用也有實(shí)際意義[1]。綜上所述，微波輻射與真空條件均有利于活性炭的制備，然而，系統(tǒng)地研究真空和微波輻射兩者相結(jié)合情況下不同因子對(duì)活性炭產(chǎn)量和性能的影響方面的相關(guān)研究報(bào)道較為缺乏。

為此，本文以松木屑為原料，磷酸為活化劑，使用一種自制的微波真空裝置制備活性炭，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)法并根據(jù)活化前后樣品的質(zhì)量比、碘吸附值、活性炭表面形貌SEM結(jié)果及原料和活性炭表面官能團(tuán)分布的傅里葉變換紅外光譜數(shù)據(jù)，探討活化劑濃度、微波輻照功率、輻照時(shí)間和真空度4個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)松木屑活性炭產(chǎn)率和吸附性能的影響及作用機(jī)理，以期為以農(nóng)林廢棄物為原料在真空微波條件下活性炭的工業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

松木屑，取自東北某木材加工廠下腳料(將松木屑原料去除樹(shù)皮雜質(zhì)并研磨后過(guò)20目篩，于 105 ℃ 下烘干至恒重，放入干燥器，作為制備活性炭的原材料)，松木屑的元素分析結(jié)果見(jiàn)表1；磷酸、碘化鉀均為分析純。

表1 原料的工業(yè)分析與元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of raw material

DZF-200型真空干燥箱；HH-8數(shù)顯恒溫水浴鍋；S-3400N掃描電子顯微鏡；FTIR-850傅里葉變換紅外光譜儀；真空微波輻射裝置，自制，裝置見(jiàn)圖1。

圖1 自制的真空微波輻射裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic diagram of vacuum microwaveradiation device made by ourselves

1.2 實(shí)驗(yàn)工藝流程

真空微波制備活性炭的工藝流程見(jiàn)圖2。原料經(jīng)洗凈干燥后用35%濃度的H3PO4(與原料質(zhì)量比為1∶1)溶液浸漬24 h，之后烘干稱(chēng)取8.00 g樣品置于石英盒中，并放入真空微波輻射裝置的石英管內(nèi)。調(diào)節(jié)真空泵使其達(dá)到所需的真空度，然后按照設(shè)定的時(shí)間、功率啟動(dòng)裝置。反應(yīng)結(jié)束后，停止加熱，等待溫度自然下降，10 min后關(guān)閉真空泵。打開(kāi)石英管，收集反應(yīng)器中的固體產(chǎn)物，先后用鹽酸溶液和蒸餾水洗滌數(shù)次，直至洗滌液的pH為6～7，最后將產(chǎn)物烘干，即可得到所需活性炭。

圖2 真空和微波條件制備活性炭的工藝流程Fig.2 Preparation process of activated carbon undervacuum and microwave radiation

1.3 活性炭表征

活性炭產(chǎn)率根據(jù)活化前后樣品的質(zhì)量比計(jì)算；活性炭的吸附性能采用碘吸附值(GB/T 12496.81999)確定；活性炭表面形貌觀察采用掃描電子顯微鏡(SEM)；原料和活性炭的表面官能團(tuán)分布采用傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)確定。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同微波輻射時(shí)間對(duì)松木屑活性炭產(chǎn)率和碘吸附值的影響

以松木屑為原料，在磷酸/原料(質(zhì)量比)為 1∶1、磷酸濃度為35%、輻射功率為630 W、真空度為-0.08 MPa時(shí)，分別在不同輻射時(shí)間下制備活性炭?；钚蕴慨a(chǎn)率和碘吸附值與輻射時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖3。

由圖3可知，當(dāng)微波輻射時(shí)間5 min時(shí)，所得活性炭的產(chǎn)率為29.33%，碘吸附值為731 mg/g。隨著輻射時(shí)間的增加，松木屑制活性炭的產(chǎn)率和碘吸附值均呈上升趨勢(shì)。在輻射時(shí)間達(dá)到8 min時(shí)，活性炭產(chǎn)率達(dá)到峰值49.25%。當(dāng)輻射時(shí)間進(jìn)一步增加，活性炭產(chǎn)率上下波動(dòng)，但均高于44%。這可能是由于輻射時(shí)間的增大使原料充分活化反應(yīng)，而當(dāng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，活性炭產(chǎn)物的炭成分含量下降，灰成分含量上升而造成活性炭產(chǎn)率的波動(dòng)下降[18]。

圖3 活性炭產(chǎn)率和碘吸附值與輻射時(shí)間的關(guān)系Fig.3 The relationship between yield of activated carbonand iodine adsorption value and radiation time

在微波輻射時(shí)間7 min時(shí)，活性炭碘吸附值達(dá)到峰值1 007 mg/g，之后活性炭的碘吸附值隨輻射時(shí)間的增大呈下降趨勢(shì)。這是由于更長(zhǎng)時(shí)間的微波輻射使活性炭生成更多的微小孔隙。而當(dāng)輻射時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，一方面磷酸的吸波效果可能使得已經(jīng)生成的活性炭溫度過(guò)高，致使部分微孔和中孔的融合，進(jìn)而降低產(chǎn)物的吸附性能；另一方面活性炭也可能遭到大面積燒蝕，內(nèi)部的孔結(jié)被大量破壞，導(dǎo)致吸附能力的下降[19]。

2.2 不同微波輻射功率對(duì)松木屑活性炭產(chǎn)率和碘吸附值的影響

以松木屑為原料，在磷酸/原料(質(zhì)量比)為 1∶1、磷酸濃度為35%、輻射時(shí)間8 min、真空度為 -0.08 MPa 時(shí)，分別在不同微波輻射功率下制備活性炭?；钚蕴慨a(chǎn)率和碘吸附值與微波輻射功率的關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 活性炭產(chǎn)率和碘吸附值與輻射功率的關(guān)系Fig.4 The relationship between yield of activated carbonand iodine adsorption value and radiated power

由圖4可知，當(dāng)微波輻射功率為70 W時(shí)，活性炭產(chǎn)率為20.15%，碘吸附值為650 mg/g。隨著輻射功率的增加，活性炭產(chǎn)物的產(chǎn)率和碘吸附值均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。微波輻射功率為490 W時(shí)，活性炭產(chǎn)物的產(chǎn)率達(dá)到峰值50.26%。而后當(dāng)輻射功率進(jìn)一步上升時(shí)，產(chǎn)物產(chǎn)率有輕微的下降。這是由于微波輻射的功率會(huì)直接影響松木屑原料活化時(shí)的溫度，高功率的微波輻射使原料更有效地活化反應(yīng)，所得活性炭產(chǎn)物中幾乎沒(méi)有松木屑渣，故而活性炭產(chǎn)率最高。

微波功率達(dá)到630 W時(shí)，活性炭產(chǎn)物的碘吸附值達(dá)到峰值958 mg/g。較高的微波輻射功率致使原料能在更高溫度下活化反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生更為豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其吸附能力。由圖可知，產(chǎn)物的碘吸附值隨著微波輻射功率的增大而增大，由于本實(shí)驗(yàn)受微波設(shè)備條件限制，最高輻射功率為630 W，無(wú)法繼續(xù)探究更高輻射功率下產(chǎn)物的吸附性能。而楊麗君等[20]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)微波功率繼續(xù)增大時(shí)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物孔隙結(jié)構(gòu)不發(fā)達(dá)，繼而會(huì)降低其吸附性能。同樣，Hayashi[21]也認(rèn)為當(dāng)輻射功率繼續(xù)增大導(dǎo)致活化溫度上升時(shí)，會(huì)使炭結(jié)構(gòu)裂解，孔徑減少，比表面積和孔徑體積減小，最終減弱活性炭吸附能力。

2.3 不同真空度對(duì)松木屑活性炭產(chǎn)率和碘吸附值的影響

以松木屑為原料，在磷酸/原料(質(zhì)量比)為 1∶1、磷酸濃度為35%、輻射時(shí)間8 min、輻射功率為630 W時(shí)，分別在不同真空度下制備活性炭?；钚蕴慨a(chǎn)率和碘吸附值與真空度的關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖5 活性炭產(chǎn)率和碘吸附值與真空度的關(guān)系Fig.5 The relationship between yield of activated carbonand iodine adsorption value and vacuum degree

由圖5可知，當(dāng)真空度為-0.065 MPa時(shí)，活性炭產(chǎn)率為37.65%，碘吸附值為708 mg/g。隨著真空度增加，即體系壓力的減少，活性炭產(chǎn)率與碘吸附值均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)真空度達(dá)到 -0.08 MPa 時(shí)，產(chǎn)物的產(chǎn)率達(dá)到峰值，為49.25%。在真空度較低時(shí)，體系內(nèi)有較多的氧氣，高溫狀態(tài)下部分松木屑可能會(huì)燃燒，進(jìn)而使產(chǎn)物中的灰分增多，導(dǎo)致產(chǎn)率不高。故體系內(nèi)的真空度不斷上升時(shí)，松木屑的燃燒情況會(huì)減少，活性炭產(chǎn)率上升。而當(dāng)體系內(nèi)真空度過(guò)高(即體系壓力過(guò)低時(shí))，活性炭產(chǎn)率可能會(huì)由于裂解氣的大量揮發(fā)而出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)[17]。

活性炭產(chǎn)物的碘吸附在真空度為-0.08 MPa時(shí)達(dá)到峰值，之后隨著真空度的增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。一方面體系在低真空狀態(tài)時(shí)，裝置內(nèi)氧氣含量偏高，松木屑可能被氧化，活性炭?jī)?nèi)部孔結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致吸附能力不佳[22]；另一方面，在低真空情況下活化反應(yīng)生成的有機(jī)氣體難以被抽離，可能會(huì)造成含碳物在微孔及表面的沉積，進(jìn)一步破壞微孔，最終也會(huì)降低產(chǎn)物吸附能力[17]。而當(dāng)體系內(nèi)真空度過(guò)高時(shí)，裂解氣體有可能會(huì)快速揮發(fā)，活性炭的微孔結(jié)構(gòu)易遭到破壞，進(jìn)一步降低松木屑活性炭的吸附能力[17]。同時(shí)，在高真空情況下微波加熱還可能會(huì)產(chǎn)生輝光放電現(xiàn)象，造成局部過(guò)熱燒結(jié)，不利于活性炭的孔隙形成，影響其吸附能力[23]。

2.4 真空微波制備的松木屑活性炭的微觀形貌和孔隙分析

松木屑原料在不同放大倍數(shù)下的SEM圖見(jiàn)圖6。

圖6 不同放大倍數(shù)下松木屑原料的SEM結(jié)果Fig.6 SEM results of pine sawdust materials atdifferent magnification

由圖6可知，松木屑原料結(jié)構(gòu)無(wú)明顯的規(guī)律，孔洞少，吸附能力弱。

在磷酸/原料(質(zhì)量比)為1∶1、磷酸濃度為35%、輻射時(shí)間為8 min、輻射功率為490 W、常壓條件下制備的活性炭，不同放大倍數(shù)下的SEM照片見(jiàn)圖7。

圖7 不同放大倍數(shù)下活性炭的SEM結(jié)果Fig.7 SEM results of activated carbon atdifferent magnification

由圖7可知，微波輻射下制備的活性炭表面光滑，其中有部分位置孔洞不多，究其原因可能是微波功率未達(dá)到最高值，原料在制備過(guò)程中無(wú)法達(dá)到最佳溫度的活化反應(yīng)，進(jìn)而影響部分位置孔洞的形成[19]。同時(shí)，常壓下體系中存在許多氧氣，這也可能會(huì)導(dǎo)致部分原料在反應(yīng)時(shí)出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，破壞已經(jīng)形成的孔洞[22]。

最佳的活性炭制備條件是磷酸/原料(質(zhì)量比)為 1∶1、磷酸濃度為35%、輻射時(shí)間為8 min、輻射功率為630 W、真空度為-0.08 MPa。其制備的活性炭在不同放大倍數(shù)下的SEM圖見(jiàn)圖8。

圖8 不同放大倍數(shù)下最佳條件制備的活性炭的SEM結(jié)果Fig.8 SEM results of activated carbon were preparedunder different magnification conditions

由圖8可知，最佳制備條件下制備的活性炭有更加豐富和發(fā)達(dá)的蜂窩狀孔隙結(jié)構(gòu)，其比表面積也更大。這可能是由于高功率的微波輻射使松木屑原料可以在最佳溫度下充分活化反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生豐富的孔隙結(jié)構(gòu)[21]。而在真空條件下產(chǎn)物被氧化的概率將大大降低，可以保護(hù)已經(jīng)生成的活性炭，使其孔隙結(jié)構(gòu)不會(huì)被破壞[22]。

2.5 真空微波制備的松木屑活性炭的FTIR分析

松木屑原料、微波輻射制備的活性炭和真空微波輻射制備的活性炭的紅外光譜圖見(jiàn)圖9。

圖9 紅外傅里葉光譜Fig.9 Infrared fourier spectrum

由圖9可知，松木屑原料在3 800～600 cm-1區(qū)域有多個(gè)吸收峰，其中3 667，3 415 cm-1處為 O—H 伸縮振動(dòng)峰或羥基氫[24]，1 619 cm-1處為羰基的伸縮振動(dòng)峰[25]，1 434 cm-1處為 —CH2吸收峰[26]，880～680 cm-1處為C—H彎曲振動(dòng)峰[27]，由此可見(jiàn)松木屑原料含有大量的纖維素和半纖維素。

3 結(jié)論

以松木屑為原料、磷酸為活化劑，通過(guò)真空與微波聯(lián)合制備活性炭，發(fā)現(xiàn)微波輻射時(shí)間、輻射功率和真空度對(duì)活性炭產(chǎn)物產(chǎn)率和吸附性能的影響如下：

(1)增加微波輻射時(shí)間和輻射功率可以有效提升活性炭的產(chǎn)率和吸附能力。當(dāng)輻射時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，活性炭灰分增多，會(huì)影響其產(chǎn)率和吸附能力。同時(shí)高真空度下的原料炭化效果良好，當(dāng)真空度達(dá)到 -0.08 MPa 時(shí)，繼續(xù)增大真空度對(duì)改善活性炭產(chǎn)率和提升吸附能力影響不大。實(shí)驗(yàn)中當(dāng)微波輻射時(shí)間為8 min，輻射功率為630 W，真空度為-0.08 MPa的條件下，所制得的活性炭產(chǎn)率(49.25%)和吸附性能(碘吸附值為958.33 mg/g)最佳。

(2)微波輻射加熱及真空集成裝置可有效制備出孔隙結(jié)構(gòu)豐富的活性炭。高真空條件可防止孔隙在高溫情況下受到侵蝕的同時(shí)，能有效去除活性炭表面含氧官能團(tuán)，并能明顯改善活性炭結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)。

(3)本實(shí)驗(yàn)受實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件影響未能進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，并未探尋得最恰當(dāng)?shù)闹苽錀l件。未來(lái)可進(jìn)行進(jìn)一步的探究實(shí)驗(yàn)，尋找其最佳條件及分析其主要影響活性炭產(chǎn)率及吸附性能的因素。