生物基竹炭材料的制备及其性能研究

李海云，王永垒，方红霞

(黄山学院 化学化工学院，安徽 黄山 245041)

我国竹类资源丰富，竹材产量和竹林面积均居世界前列。每年可砍伐竹子几千万吨，相当于1 000多万立方米木材的量，因而竹林有中国“第二森林”之美称［1-2］。然而，在竹材的加工过程中，不可避免会产生大量的竹屑、竹粉、竹刨花等边角料。目前处理这些边角料的方法主要有以下几种［3-6］，作为燃料烧掉，或用来作为培养食用菌或苗木的材料，或作为填料用于复合材料的加工，但是大部分竹材边角料还没有得到真正的利用，如何将这些竹粉等变成高附加值的材料是亟待解决的问题。

竹炭是竹材碳化后的产物，碳化后的产物颗粒表面有许多微孔，因而其内比表面积大，在吸附、催化等领域有重要的应用［7-10］。为了进一步优化开发这些竹材剩余物资源，本论文从水热碳化出发，研究了180 目竹粉进行水热碳化的最佳工艺条件，并借助红外光谱、热重分析、扫描电镜等手段对其进行表征。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

浓硫酸，分析纯;竹粉，工业品。

Nicolet 380 傅里叶变换红外光谱仪;TGA 4000热重分析仪;S-3400 扫描电子显微镜。

1.2 实验方法

称取180 目竹粉5.00 g，按照固液比为1∶15，取新配制好的硫酸溶液加入至250 mL 三颈烧瓶中，启动搅拌，在一定的温度下充分碳化反应。待反应结束后，采用真空抽滤将基碳材料分离出来，用蒸馏水冲洗滤液至中性，取出产物，在120 ℃真空干燥箱中干燥12 h，即可得到产品。

1.3 竹炭收率

在实验开始时添加的竹粉量记录为m0，待实验结束后，将在真空烘箱中充分干燥后的产品称重，记录为m，竹炭收率计算公式如下:

y=m/m0×100%

2 结果与讨论

2.1 硫酸浓度对竹炭收率的影响

分别研究了55%，65%，75%，85%，95%的硫酸溶液对竹炭收率的影响，结果见图1。其它反应条件为:碳化温度90 ℃，碳化时间6 h。

图1 硫酸浓度对竹炭收率的影响Fig.1 Effect of the concentration of sulfuric acid on the yield of bamboo carbon

由图1 可知，硫酸浓度对竹炭的形成有较大的影响。随着硫酸浓度的增加，竹炭收率先增加而后轻微下降。当硫酸浓度在55% ～65%，竹炭收率增加较快;而后随着硫酸浓度的增加，竹炭收率增加变慢，当硫酸浓度达到85%时，碳化效果最好，竹炭收率最高。继续增大硫酸浓度，竹炭收率轻微下降，这表明当硫酸浓度过高时会表现出极强的氧化性，导致副产物的生成。因此，最佳的硫酸浓度为85%。

2.2 碳化温度对竹炭收率的影响

不同的碳化温度对竹炭收率的影响见图2。其它反应条件为:硫酸浓度85%，碳化时间6 h。

图2 碳化温度对竹炭收率的影响Fig.2 Effect of the carbonization temperature on the yield of bamboo carbon

由图2 可知，随着碳化温度的增加，竹炭收率也逐渐增加。然而，当碳化温度达到90 ℃以后，继续增加碳化温度至95 ℃，竹炭的收率几乎无明显变化。这就说明低温不利于竹炭材料的形成，适宜的高温可以增加硫酸碳化的效率。因而，适宜的碳化温度为90 ℃。

2.3 碳化时间对竹炭收率的影响

不同的碳化时间对竹炭收率的影响见图3。其它反应条件为:硫酸浓度85%，碳化温度90 ℃。

图3 碳化时间对竹炭收率的影响Fig.3 Effect of the carbonization time on the yield of bamboo carbon

由图3 可知，随着碳化时间的增加，竹炭收率也逐渐增加。当碳化时间为6 h 时，竹炭的收率达到了62%，此后继续增加碳化时间，竹炭收率变化不大，因此，最佳的碳化时间为6 h。

2.4 红外光谱分析

图4 是优化条件下(硫酸浓度85%，碳化温度90 ℃，碳化时间6 h)产品的红外光谱图。

图4 竹炭产品的红外光谱Fig.4 IR spectroscopy of the bamboo carbon

由图4 可知，在3 420 cm－1处出现的宽峰为碳化过程中形成的羟基多聚体吸收峰;在2 920 cm－1处为烷基吸收峰，说明存在着脂肪族分子;1 710 cm－1和1 620 cm－1处的吸收峰分别为 C O和 C C 的伸缩振动吸收峰，1 384 cm－1处对应羧基的吸收峰，1 130 cm－1是特征的醚基(C—O—C)伸缩振动吸收峰。这说明在硫酸溶液的作用下，竹粉发生脱水碳化，形成多聚体竹炭材料。

2.5 热重分析

由图5 可知，竹炭产品在200 ℃前几乎不失重，在236 ℃时，产品的失重量约5%，可能是由于样品未能干燥完全引起的;从289 ℃到850 ℃为产品的快速失重阶段，在500 ℃时，产品的失重量约50%，这说明得到的竹炭产品热稳定性好，可以满足碳材的基本需要。

图5 竹炭产品的热重图Fig.5 TG of the bamboo carbon

2.6 竹炭形貌分析

为了从微观方面观察竹炭的形貌特征，本实验采用日本日立公司S3400 型扫描电镜对所得竹炭产品的形貌进行表征，结果见图6。

图6 竹炭SEM 扫描图Fig.6 The SEM of the bamboo carbon

由图6 可知，竹炭材料的表面呈现多孔状，且各种孔径均比较发达。总体上看，多孔结构比较均匀，同时，孔的分布也较为整齐。故而，该竹炭材料将有较强的吸附能力，在催化剂载体及吸附等领域有较为广泛的应用。

3 结论

以180 目竹粉为原料，运用水热碳化的方法，在浓硫酸的作用下竹粉发生一系列的碳化反应得到竹炭，并对其碳化反应条件进行优化，在最佳的工艺条件(硫酸浓度85%，碳化温度90 ℃，碳化时间6 h)下，竹炭收率可达62%。通过红外光谱、热重(TG)分析和扫描电镜对所得的竹炭产品进行表征，结果表明所得的竹炭材料耐热性较好，表面的多孔分布均匀，是一种有较高应用价值的生物基炭材料。

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