花生壳粉末活性炭成型工艺研究*

俞力家，李强，王天贵

（1.河南工业大学化学化工学院，河南郑州450001；2.山西大同大学化学与化工学院，山西大同037009）

花生壳粉末活性炭成型工艺研究*

俞力家1，李强2，王天贵1

（1.河南工业大学化学化工学院，河南郑州450001；2.山西大同大学化学与化工学院，山西大同037009）

本文研究了花生壳粉末活性炭的成型条件。分别采用淀粉、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠水溶液作为粘合剂，将粉末状花生壳活性炭粘结加压成型，制成直径5mm、高7mm的圆柱体。考察了粘合剂用量、处理温度、处理时间等因素对成型后活性炭吸附性能及机械强度的影响，并用碘的吸附值、柱状活性炭的密度及是否容易碎裂进行了表征。实验结果表明，羧甲基纤维素钠粘合剂所制得的活性炭性吸附能最好，碘附值可达900 mg·g-1，聚乙烯醇粘合剂所制得的活性炭机械强度最好，碘附值在750 mg·g-1左右，淀粉粘合剂所制得的活性炭吸附能与聚乙烯醇相近，但机械强度较差，容易碎裂。处理温度和时间影响不大，以200～300℃下密闭处理60min左右为宜。聚乙烯醇适宜用量为粉末炭的10%，而羧甲基纤维素钠用量要大于粉末活性炭的5%。

花生壳；活性炭；成型

花生是我国主要的经济作物之一，年总产量达1500万t左右[1]，约占世界花生总产量的40%，总产量和出口量均居世界首位[2]。花生壳约占花生总质量的三分之一，主要成分是木质素、半纤维素和纤维素，三者约占花生壳质量的75%～80%。有很多研究工作涉及花生壳利用，其中花生壳制活性炭最具实用价值[3-5]。虽然花生壳制备活性炭的工艺早在二十世纪90年代中期就有报道，但直到今天，国内依然极少有相关的工业化报道。各种原因可能很多，但缺乏实用技术可能是主要原因之一。由于经活化、炭化生产出的活性炭均为粉末状，使用、运输极不方便，难以商品化，无法推广应用。如果将粉末活性炭成型，则会有利于花生壳活性炭的工业化、商品化[6-10]。常用的成型剂分为两类，即有机类和无机类。成型工艺也有两种：（1）是先成型再炭化；（2）则是先炭化再成型。无论是成型剂还是成型工艺，都各有利弊[11-14]。本文研究了淀粉、聚乙烯醇（PVA）、羧甲基纤维素钠（CMC）对粉末花生壳活性炭成型后吸附性能及机械强度的影响，同时考察了成型工艺条件的影响。

1 实验部分

1.1 粘合剂的配制

称取30g淀粉置于烧杯中，加入200mL水，在不断搅拌下加热糊化，冷却至室温即得淀粉粘合剂（淀粉含量13%），封装备用。

PVA粘合剂和CMC粘合剂的配制方法类似淀粉粘合剂，前者也是30g加入200mL水（PVA含量13%），而后者是7.5g加入200mL水（CMC含量3.6%）。

1.2 粉末花生壳活性炭的制备方法

将粉碎后的花生壳和35%的ZnCl2溶液按固液比2∶1混合均匀，在室温下放置12h，再将其移至坩埚中，加盖上置于马弗炉中，在550℃下碳化2.5h，取出冷却，以（1＋9）HCl和热水洗涤，再用蒸馏水洗涤至pH值为5～7，110～120℃下烘干、研磨，即得到粉末状活性炭。

1.3 柱状活性炭的制备方法

称取一定量的粉末活性炭置于烧杯中，加入适量粘合剂，充分搅匀后，倒入模具中，在50～60MPa的压力下将混合物压制成片状，再用柱状模型将片状活性炭制成柱状，将成型好的柱状活性炭放入马弗炉中，在一定温度下密闭处理一定时间，取出冷却后即成柱状活性炭成品（图1），具体流程见图2。

图1 从左至右分别以PVC、CMC、淀粉为粘合剂制备的柱状活性炭（φ5×7）Fig.1Columnar activated carbon prepared by PVC/CMC and starch as adhesion agent(φ5×7)

图2 柱状活性炭制备工艺流程图Fig.2Flow chart for preparation of columnar activated carbon

1.4 活性炭吸附性能的评价

采用碘吸附值（GB/T12496.8-1999）评价所制活性炭的吸附性能，用质量/体积计算其密度值。通过观察活性炭下落碰撞地面碎裂情况定性评价其机械强度。

2 结果与讨论

2.1 活性炭与粘合剂配比的影响

取8g粉末活性炭，分别以不同的质量比与前述3种粘合剂混合，搅拌均匀，在200℃下密闭处理60min，考察活性炭与粘合剂配比对柱状活性炭性能的影响，实验结果见图3。

图3 不同质量比对碘吸附量的影响Fig.3Effect of different quality to adsorbance of iodine

由图3可以看出，就吸附性能而言，CMC作为成型剂最好，其所得活性炭碘吸附值远高于PVA和淀粉。CMC和淀粉成型剂存在最佳用量，大约是1∶1。而PVA用量越大，活性炭吸附性能越差，呈单调下降之势。但是，以PVA粘合剂所得样品机械强度最好，CMC次之，淀粉最差。

2.2 后处理温度的影响

取8g粉末活性炭，按1∶1加入不同的粘合剂，固定处理时间60min，考察后处理温度对活性炭吸附性能的影响，实验结果见图4。

图4 处理温度对碘吸附量的影响Fig.4Effect of temperature to adsorbance of iodine

由图4可以看出，处理温度对样品的吸附性能影响不大，CMC成型活性炭碘吸附量最大，在850～900 mg·g-1之间，以200～250℃为宜。PVA和淀粉成型活性炭碘吸附量相近，在750～800 mg·g-1之间。从成本角度考虑，温度不宜过高，以保证成型剂完全炭化为准。

2.3 后处理时间的影响

以1∶1的质量比将粉末活性炭与粘合剂混合制样，在200℃下处理不同时间，考察煅烧时间对所得样品吸附性能的影响，实验结果见图5。

图5 后处理时间对碘吸附量的影响Fig.5Effect of afterprocessing time to adsorbance of iodine

由图5可以看出，后处理时间对柱状活性炭的吸附性能影响也不大，处理时间60min已经足够。处理时间过长，不仅会造成活性炭质量损失，对其吸附性能也不利。

2.4 工艺条件优化

经过前面粘合剂用量、处理时间、处理温度的研究，已经基本上了解了其影响规律。为了更好的比较3种成型剂在不同成型条件下所得活性炭的吸附性能和机械强度，并同时了解各种因素的交互作用情况，采用正交实验进一步优化实验，正交实验因素水平及实验安排见表1、2。

表1 因素水平表Tab.1Table of level of factor

表2 L9（34）实验方案及结果Tab.2L9(34)experimental program and results

由表2的实验结果及极差分析可以看出，各因素的影响程度依次为粘合剂种类、粘合剂加入量、后处理温度、后处理时间。单就碘吸附值来看，CMC效果最好，其优化条件为：粉末活性炭与CMC粘合剂的质量比为1∶1.25，后处理时间60min，后处理温度300℃。但是，若兼顾到机械强度，第9号实验结果最好，不仅有好的吸附性能，也不易碎裂。

实验方差分析结果见表3，只有成型剂种类具有统计学上的显著性，这与前面的单因素实验结果一样。

表3 吸附碘方差分析表Tab.3Analysis of variance for adsorbance of iodine

3 结论

通过比较淀粉、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠3种粘合剂对花生壳粉末活性炭成型性能的影响，制成了性能较好的柱状活性炭。用聚乙烯醇作为粘合剂制得的活性炭机械强度好，但吸附性能稍差，碘吸附值在750 mg·g-1左右。用羧甲基纤维素钠作为粘合剂制得的活性炭吸附性能好，但机械强度稍差，碘吸附值在850～900 mg·g-1左右。用淀粉作为粘合剂制得的活性炭机械强度差，吸附性能与聚乙烯醇相近。后处理温度和时间对成型活性炭的吸附性能影响较小，以200～300℃和60min左右为宜。若用羧甲基纤维素钠为成型剂，用量要大于粉末炭的5%，若用聚乙烯醇为成型剂，用量约为粉末炭的10%。

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Study on the shaping conditions of activated carbon powder from peanut shells*

YU Li-jia1,LI Qiang2,WANG Tian-gui1
（1.School of Chemistry and Chemical Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China;2.School of Chemistry and Chemical Engineering,Datong University of Shanxi,Datong 037009,China）

The preparation conditions of a cylindrical activated carbon（AC）from the powder of peanut shell activated carbon were studied.Three kinds of binders,the aqueous solutions of polyvinyl alcohol（PVA）,sodium carboxymethylcellulose（CMC）and starch were used to make cylindrical activated carbons of φ5×7 mm.The effects of the amount of the binders,calcination temperature and time on the absorption capacity and the toughness were investigated.The experimental results showed that the shaped AC from CMC binder has the highest Indium absorption capacity,e.g.900 mg·g-1,but a little poor toughness;those from PVA binder were toughest but a little lower Indium absorption capacity,about 750 mg·g-1;those from starch binder were fragile and their absorption ability were similar to those from PVA.Calcination temperature and time affect the performances of the shaped AC unsubstantially and 200～300℃,60 min were preferred.For a good quality of shaped AC,the dosage of PVA may equal to 10 percent of that of the powder AC and the amount of CMC should overpass 5 percent of the powder AC mass.

peanut shell；activated carbon；shaping

book=2010,ebook=226

X705

A

1002-1124（2010）11-0012-04

2010-09-02

河南省教育厅自然科学研究计划项目（2009B530002）

俞力家，男，硕士研究生。

导师简介：王天贵（1962-），男，博士，教授，研究方向：清洁生产。