微波—磷酸法稻草秸秆活性炭的制备

赵际沣 王树永

摘 要：通过微波辐照提供能量，磷酸作为活化剂来制备稻草秸秆活性炭。结果表明，最高稻草秸秆活性炭的碘值是875.4mg/g，对应工艺条件为微波辐照功率264W，微波辐照时间2min，磷酸浓度为40%，固液比1：5，该条件下的产率为40.3%。方差分析显示各因素对碘值的影响均未达到显著水平；而磷酸浓度对产率的影响则达到了显著水平。

关键词：稻草秸秆；活性炭；微波法；磷酸

中图分类号：TQ914.3文献标识码：A文章编号：2095-7394（2015）04-0040-05

0 引言

稻草秸秆是农作物秸秆的重要组成部分，其主要成分是植物纤维素。纤维素、半纤维素、和木质素构成了植物纤维的基本组成。稻草中所含的纤维素和半纤维素的质量分数约有70%，是优良的活性炭制备前驱体，用稻草秸秆制备的活性炭，具有较高的吸附能力。[1]

化学活化法是一种常见的活性炭制备方法，可以实现一步法完成活性炭的制备并可改善活性炭的孔结构。常用的化学活化剂有氯化锌、磷酸、氢氧化钾和碳酸钾等。[2]采用磷酸活化具有活化温度低、形成的活性炭孔结构较宽和环境污染较小[3-4]等优点而备受关注。关于磷酸活化椰子壳[5]、棉杆[6]、高粱[7]制备活性炭均有相关报道。

微波辐照加热与传统热源比具有可实现原料内部加热、热效率高、可控性好、污染较小等特点。近年来国内外有诸多学者采用该技术作为热源研究活性炭的制备。[8-14]

本文原料稻草秸秆在微波辐照加热下通过H3PO4化学活化制得活性炭，正交法用于优化工艺参数。

1 实验

1.1 实验原料及仪器

原料自然风干的稻草秸秆取自于河北某地。

磷酸、氢氧化钠、盐酸、碘、碘化钾、硫代硫酸钠、可溶性淀粉均为分析纯。

格兰仕微波炉（P70D20TJ-D3）、pH计、恒温振荡器（ZD-85型）、电热干燥箱、恒温加热器、AL204电子天平、200目筛。

1.2 活性炭制备步骤

①预处理：将烘干的稻草秸秆首先浸泡于2%（Wt）的NaOH溶液中48 h（去稻草中的灰分、可溶于水的杂质及其表面的蜡质），浸渍好的样品用蒸馏水清洗至中性后干燥。

②制备：将①中样品与磷酸按照一定的浸渍比混合，然后105℃下烘干2小时，送入微波炉中以一定的功率和时间进行微波处理，微波处理后的样品经酸在洗、水洗后经干燥、过筛得活性炭产品。

固液比=稻草秸秆质量（浸渍样品质量）-（稻草秸秆质量）

1.3 正交实验方案设计

采用四因素三水平正交表L9（34）进行正交工艺参数优化，活性炭的碘值和产率作为评价目标，因素水平见1.4 性能测试

活性炭碘值的测定采用《GB/T12496.8-99》规定的碘量法[15]。

活性炭产率按重量法计，即以活性炭产品的重量与原料的重量比来计算。

产率=活性碳产品的质量稻草秸秆的质量×100%

活性炭表面形态用S–3400NⅡ型（日本Hitachi公司）扫描电子显微镜（SEM）测定。

2 结果与讨论

由表2中可知，对碘吸附值影响从大到小依此是：C>B>D>A。最佳工艺为：C1B2D2A2，相应的最优制备条件是：辐照时间2min，活化剂浓度40%，辐照功率264W，固液比1∶5。此组合下做2组验证实验，活性炭碘值分别为886.1 mg/g和864.7mg/g，平均碘值为875.4mg/g，平均产率为40.3%。对产率的影响从大到小依此是：B>A>C>D。最佳工艺为B2A2C3D2，相应的最优制备条件为：活化剂浓度40%，固液比1∶5，辐照时间4min，辐照功率264W。此组合下做2组验证实验，活性炭产率分别为38.1%和40.7%，平均产率为39.4%，平均碘值为807.6 mg/g。

对正交试验所得结果进行方差分析，具体分析结果见表3和表4。

表3和4表明，各因素对活性炭碘值的影响均未达到显著水平；对产率的影响，B（磷酸浓度）因素达到显著水平。

2.2 稻草秸秆活性炭的微观结构

原料稻草秸秆、预处理后的稻草秸秆和最优工艺条件（C1B2D2A2）下制得的活性炭的扫描电镜图见图1。从图1可以看出原料稻草秸秆表面结构紧实、较为平滑、有沉积物质附着；经NaOH溶液预处理后的秸秆表面呈现清晰的鳞片结构，这为后续微波辐照造孔创造了条件；稻草秸秆活性炭孔结构明显，甚至形成了较为均一、有序的孔结构，预示着活性炭有较好的吸附性能。

图1 稻草秸秆及稻草秸秆活性炭电镜扫描 a 稻草秸秆 （×2000） b 预处理后的稻草秸秆（×3000） c 稻草秸秆活性炭（×2000）

3 结论

（1）微波辐照加热，磷酸活化制备稻草秸秆活性炭，各因素对碘值影响依次为辐照时间最大，活化剂浓度次之，微波功率再次之，固液比最小；相应的最优制备条件是：微波辐照时间为2min，活化剂磷酸浓度为40%，微波功率264W，固液比为1∶5，该条件下活性炭的碘值可达875.4mg/g，产率为40.3%。

（2）各因素对活性炭产率的影响依次为活化剂浓度最大，固液比次之，辐照时间再次之，微波功率最小；相应的最优制备条件是：活化剂浓度为40%，固液比为1∶5，微波辐照时间为4min，微波功率为264W，该条件下活性炭的产率可达39.4%，平均碘值为807.6 mg/g。

（3）活化劑浓度、辐照时间、微波功率、固液比对稻草秸秆活性炭碘值影响均未达到显著水平；活化剂磷酸浓度对产率的影响则达到了显著水平。

参考文献：

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[15]木质活性炭试验方法碘吸附值的测定[S]GB/T 12496.8-1999，中华人民共和国国家标准.

Preparation of Activated Carbon from Straw Stalk by Microwave Heating

ZHAO Ji-Feng，WANG Shu-Yong

（Zhangjiakou Environmental Monitoring Station，Zhangjiakou 075000，China）

Abstract：Microwave irradiation was used as a heat source in the preparation of activated carbon from straw stalk by H3PO4 chemical activation.By optimizing reaction conditions of microwave radiation time of 2min，H3PO4 solution concentration of 40%，microwave power of 264W and solid-to-liquid ratio of 1∶5，the maximum odine number of 875.4 mg/g achieved.Furthermore，analysis of variance indicated that none of the factors was significant on iodine value and the yields was influenced significantly by the H3PO4 solution concentration.

Key words：straw stalk；activated carbon；microwave；H3PO4

責任编辑 祁秀春