思南稻壳制备活性炭的初步研究

谢子楠，沈家国，张亚萍

(铜仁学院 材料与化学工程学院，贵州 铜仁 554300)

贵州大部分地区以稻谷为经济作物，稻谷的种植是农村家庭生活经济的主要来源，但对稻壳的利用率却极低。仅仅作为饲料来讲稻壳中蛋白质的含量很低，家禽汲取的营养有限，由此对大量的稻壳的处理大都是焚烧和堆积，由于稻壳坚硬的外壳很难被大自然降解而且焚烧对环境的污染造成极大的影响［1-2］。此问题的常年累积已经形成了一种资源浪费和环境污染。经测定，思南县稻壳中纤维素和木质素的含量高达49% ～64%，为制备活性炭提供较充足碳源。

活性炭常在生活中用作吸附剂，由于发达的孔隙结构和巨大的比表面积而具有较优的吸附力［3］。目前国内外活性炭的制备技术和产量已经有了一定的水平，制备原料大多数却以木材、果壳、煤等为主［4-6］。木材和煤的严重利用直接造成了资源的枯竭;木材资源虽然可以再生，但其生长周期却很长并且受环境保护和生态制约，不可大量伐木作原料。以稻壳原料制备活性炭国内外也展开了一些研究［7-10］，主要有物理法和化学法。物理法需要较高的温度和附加条件活化。化学法则是国内外制备活性炭的常用方法，它是将化学试剂加入到原料中进行活化制备活性炭，此工艺流程简单，易操作。在温度的选择和控制上，化学法要优于物理法。化学法利用活化剂对稻壳进行活化后其性能更佳。因此在一定条件下，选择合适的活化剂，可以提高活性炭的产率和吸附性能。

本文以铜仁思南稻壳为原料，采用化学法制备活性炭，测定其碘吸附值，并研究其对模拟当地锰业废水中锰离子的吸附效果，以期对其在工农业污水中重金属离子的吸附、除杂及其他相关领域的应用提供研究基础。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

贵州省思南县稻壳;氢氧化钾、氢氧化钠、碘、重铬酸钾、硫代硫酸钠、浓盐酸、浓硫酸、浓磷酸、3，5-二硝基水杨酸、碳酸锰、硫酸亚铁铵、N-苯基邻氨基苯甲酸均为分析纯。

BO-250T 型多功能粉碎机;ECFK-9-14 高温电炉;AL-204 精密电子天平;759S 型紫外可见光光度计;SW-D(Ⅲ)循环水式真空泵。

1.2 稻壳活性炭的制备

稻壳洗净、去杂(一些表面杂质如石粒)、烘干、粉碎过100 目筛。称取一定量的稻壳粉置于瓷坩埚中于100 ～120 ℃干燥后，放入高温电炉中350 ℃密闭碳化。粉碎，过100 目筛。稻壳灰与氢氧化钾溶液按比例混匀，于水浴中蒸干水分，于高温电炉中700 ℃活化。把活化产物浸泡24 h，水洗至中性(即pH=7)在恒温110 ℃下干燥4 h。粉碎过200 目筛，制得稻壳活性炭。

2 结果与讨论

2.1 碳化温度对稻壳制备活性炭的影响

以KOH 为活化剂，浓度25%，活化温度700 ℃，m(碳)∶m(KOH)=1 ∶4 的条件下，研究碳化温度对活性炭碘吸附值的影响，结果见图1。

图1 碳化温度对活性炭吸附碘的影响Fig.1 The influence of carbonization temperature on the adsorption of iodine

由图1 可知，碘吸附值随碳化温度的升高而增大，在350 ℃时达到峰值，后随碳化温度的再次升高碘吸附值则开始减小，变化较为显著。因此，确定碳化温度为350 ℃。

2.2 活化温度对稻壳制备活性炭的影响

KOH 活化剂浓度25%，碳化温度350 ℃，碳碱质量比1 ∶4 的条件下，研究活化温度对稻壳活性炭的影响，结果见图2。

由图2 可知，700 ℃时碘吸附值达到最大值，然后温度升高碘吸附值反而降低。说明适宜的温度有利于微孔的形成，但温度过高会使微孔烧蚀，形成较大的孔隙，稻壳活性炭的比表面积缩小，影响活性炭对碘的吸附。因此，适宜的活化温度为700 ℃。

图2 活化温度对活性炭吸附碘的影响Fig.2 The influence of activation temperature on the adsorption of iodine

2.3 活化剂对稻壳制备活性炭的影响

在350 ℃的碳化温度，700 ℃的活化温度，碳碱质量比为1 ∶4 的条件下，研究活化剂浓度对碘吸附的影响，结果见图3。

图3 活化剂浓度对活性炭吸附碘的影响Fig.3 The influence of activator concentration on the adsorption of iodine

由图3 可知，活化剂浓度对碘吸附值的影响较小，对碘的吸附值先随稻壳活化剂的浓度增大而升高，在活化剂浓度25%以后，吸附效果基本稳定。因此，确定活化剂浓度为25%。

2.4 碳碱质量比的影响

在活化剂浓度25%，碳化温度350 ℃，活化温度700 ℃的条件下，研究碳碱质量比对碘吸附值的影响，结果见图4。

图4 碳碱质量比对活性炭吸附碘的影响Fig.4 The influence of carbon alkali ratio on the adsorption of iodine

由图4 可知，碘吸附值先随稻壳活性碳与氢氧化钾的比例的升高而增大，在碳碱质量比1 ∶4 时达到峰值后则明显开始减小。可能是由于过量活化剂导致稻壳活性炭孔隙变大，比表面积缩小。因此，取碳碱质量比1 ∶4。

2.5 正交实验

为了进一步确定各工艺条件对活化效果的影响大小，在单因素实验的基础上，选择碳化温度、活化温度、活化剂浓度、碳碱比进行L9(34)正交实验，结果见表1。

表1 正交实验结果Table 1 The results of orthogonal experiment

由表1 可知，4 个因素对稻壳制备活性炭的影响顺序为C ＞D ＞B ＞A，即活化温度 ＞碳碱质量比＞ 碳化温度 ＞ 活化剂浓度，最优组合为A2B2C2D2，即活化剂浓度25%，碳化温度350 ℃，活化温度700 ℃，碳碱质量比1 ∶4。

2.6 稻壳活性炭对锰业废水中Mn2+的吸附效果

根据工业锰业废水中Mn2+含量配制模拟锰业废水(碳酸锰溶液，Mn2+的质量浓度为0.519 6 mg/mL)，用稻壳活性炭进行吸附，结果见表2。

表2 稻壳活性炭对模拟锰业废水中Mn2+的吸附效果Table 2 The adsorption result of Mn2+ in manganese industry waste water though rice husk carbon

由表2 可知，用上述工艺条件制备的稻壳活性炭对模拟锰业废水中Mn2+的吸附值为86%，有较理想的效果，可进一步深入研究。

3 结论

以思南稻壳为原料，氢氧化钾为活化剂，制备稻壳活性炭。结果表明，各因素对稻壳活性炭吸附碘值的影响大小顺序依次为活化温度 ＞碳碱质量比＞碳化温度 ＞活化剂浓度，最佳制备工艺条件为活化温度700 ℃，碳碱质量比1 ∶4，碳化温度350 ℃，活化剂浓度25%。在此条件下，稻壳制备的活性炭对碘的吸附最大值为952.48 mg/g。对模拟锰业废水中的Mn2+的吸附率为86%。本实验可对当地稻壳的应用指明一个方向，也为锰业废水及其他工业废水的治理提供一种经济适用的方法。

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