农业废弃物棉秆活性炭的制备及其孔隙结构表征

李风娟 安 静 兰海鹏 张红美 周 岭

(塔里木大学机械电气化工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)



农业废弃物棉秆活性炭的制备及其孔隙结构表征

李风娟 安 静 兰海鹏 张红美 周 岭*

(塔里木大学机械电气化工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)

以新疆棉花秸秆为原料，Zncl2/Alcl3为活化剂制备棉秆活性炭，采用正交试验分析得到棉秆活性炭的最佳制备工艺条件为：Zncl2与Alcl3比例9:1、Zncl2/Alcl3与棉秆比例3:2、浸渍时间16 h、活化温度650 ℃、保温时间90 min，在此条件下制备的活性炭的收率为23. 06%，碘吸附值为708. 32 mg/g，BET比表面积518 m2/g，平均孔径2. 96 nm，孔容0. 384 cm3/g；为观察棉秆活性炭的孔径结构，采用SEM对棉秆活性炭的进行了表征，结果表明棉秆活性炭具有形状、大小不一的发达的孔隙结构。

棉杆； 活性炭； Zncl2/Alcl3； 收率； 碘吸附值

活性炭是一种黑色多孔碳基固体物质，具有十分发达的内部孔隙结构和巨大的比表面积，被广泛应用于工业、农业、国防、医疗卫生、环境保护等领域[1，2]。随着高比表面积甚至超高比表面积活性炭的出现，活性炭的应用领域更加广泛，活性炭已经不仅仅被当作吸附剂来使用，高比表面活性炭还被用来作为气体燃料的存储材料及超级电容器等[3]。活性炭的原料来源非常广泛，几乎所有含碳物质都可以用来制备活性炭[4]，但受到能源危机与环境问题的影响，开发利用清洁的农林废弃物等生物质资源为原料已成为了活性炭制备的热点[5]。

新疆作为我国棉花生产的主要基地，每年产生大量的棉秆，2014年新疆棉花种植面积达3 800多万亩，棉花秸秆产量约2 000万吨，然而2/3的棉花秸秆被焚烧或粉碎还田，未得到合理的利用，造成了资源浪费和环境污染[6]。因此寻找一条资源化利用农业废弃物棉秆的途径，不仅可以避免燃烧秸秆造成的环境污染，达到保护环境的目的，而且又可提高棉田经济效益和农民的经济收入，对于农业可持续性发展、实现资源再生具有重要的意义。

本文以新疆棉花秸秆为原料，Zncl2/Alcl3为活化剂制备了棉秆活性炭，采用正交试验研究了Zncl2/Alcl3活化制备棉秆活性炭的最佳工艺条件，并对制备的棉秆活性炭的结构进行了表征，为棉秆活性炭的制备提供一定的理论支持。

1 试验

1.1 原料及试剂

原料：试验棉秆取自新疆塔里木大学试验农场，风干后破碎至1 cm左右备用，NREL法测定其化学成分分析见表1[7]。

试剂：氯化锌、氯化铝、碘、碘化钾、硫代硫酸钠、可溶性淀粉、重铬酸钾等均为分析纯，天津市致远化学试剂有限公司生产。

表1 棉秆的化学成分分析(%)

1.2 仪器与设备

称量仪器采用上海良平仪器仪表有限公司FA1004分析电子天平，精确度为0. 000 1 g；马弗炉采用的是江苏江分电分析仪器有限公司JF-2000型智能马弗炉，最高加热温度为1 250 ℃；棉秆及活性炭的表面形貌分析采用的是采用日本株式会社JSM-5800型扫描电子显微镜(SEM)，加速电压：15 KV，制样时取一定量的棉秆粉末或活性炭粉末放在导电胶上，并做喷金处理。

1.3 活性炭的制备

称取一定量的 Zncl2与Alcl3混合后，按固液比1:8(质量比)加入去离子水，使其全部溶解，在溶液中加入破碎好的棉秆20 g浸渍一定时间，把浸渍过的棉秆放入陶瓷坩埚，密封后移入马弗炉中加热至一定温度，并保温一段时间后随炉冷却至室温。加热后的产物用稀盐酸浸泡30 min后，去离子水冲洗直至滤液成中性，滤渣放入烘箱中105 ℃干燥24小时，研磨后得到棉秆活性炭。计算活性炭的收率，并按照《GB/T12496.8-1999 木质活性炭试验方法：碘吸附值的测定》进行活性炭碘吸附值的测定。

1.4 正交试验设计

利用(L16(45))正交实验表对Zncl2/Alcl3活化制备棉杆活性炭过程中，各影响因素对棉杆活性炭的收率和碘吸附值的影响进行研究。正交试验因素水平表见表2。

表2 正交试验因素水平表(L16(45))

2 结果与分析

2.1 正交试验结果

按照(L16(45))正交试验表，所做的正交实验结果见表3，并对正交试验结果中活性炭收率和碘吸附值进行极差分析，可得A3B3C2D3E3的工艺条件下制备的活性炭的收率和碘吸附值都最高，但该组合不在正交试验设计的16组试验中，需进一步进行试验验证。

按1.3所述活性炭的制备方法，选择A3B3C2D3E3的工艺条件组合，即Zncl2与Alcl3比例9:1、Zncl2/Alcl3与棉秆比例3:2、浸渍时间16 h、活化温度650 ℃、保温时间90 min。

表3 正交试验结果

在此条件下制备的活性炭的收率为23. 06%，碘吸附值为708. 32 mg/g。采用NOVA 4200e全自动比表面和孔隙度分析仪测定该条件下制备的棉秆活性炭的BET比表面积518 m2/g，平均孔径2. 96 nm，孔容0. 384 cm3/g，因此该试验条件即为Zncl2/Alcl3活化制备棉秆活性炭的最佳工艺条件。

2.2 棉秆活性炭的孔隙结构分析

对棉秆及棉秆活性炭的表观形貌进行表征，所得SEM照片如图1～3所示。在800倍的放大倍数下，由图1棉秆的SEM照片和图2棉秆活性炭的SEM照片可以看出，棉秆活性炭的表面具有清晰的孔道结构，且从图3棉秆活性炭放大3 000倍的SEM照片可以看出，在棉秆活性炭表面分布有形状、大小不一的发达的孔隙结构，这是活性炭具有较强吸附能力的结构基础。

3 结论

(1) 以新疆棉花秸秆为原料，Zncl2/Alcl3为活化剂制备棉秆活性炭，最优工艺条件为：Zncl2与Alcl3比例9:1、Zncl2/Alcl3与棉秆比例3:2、浸渍时间16 h、活化温度650 ℃、保温时间90min，在此条件下制备的活性炭的收率为23. 06%，碘吸附值为708. 32 mg/g，BET比表面积518 m2/g，平均孔径2. 96 nm，孔容0. 384 cm3/g。

(2) Zncl2/Alcl3活化制备的棉秆活性炭表面分布有形状、大小不一的发达的孔道结构，这有利于活性炭孔隙结构的形成，可以增强其吸附能力。

[1] 郑其庚.活性炭研究[M].上海:华东理工大学出版社,2002：23-25.

[2] Tsai W T, Chang C Y, Lee S L.Preparation and characterization of activated carbons from corn cob. Carbon[J],1997,35(8):1198-1200.

[3] 宋海申.超级电容器用活性炭电极材料制备及性能研究[D].湖南:中南大学,2007.

[4] 周琴,邱会华,沈健等.减压条件下Zncl2活化油茶果壳活性炭的制备工艺[J].精细化工,2015,32(5):500-504.

[5] 何咏涛.利用农林废弃物联产生物油和生物炭[D].浙江:浙江工业大学,2012.

[6] 邓辉,查志华,张根林等.Zncl2活化棉杆制备活性炭及孔结构表征[J].石河子大学学报(自然科学版)，2009,27(6):760-763.

[7] 周岭,王明峰,蒋恩臣，等.基于多重扫描法对棉秆热解动力学的研究[J].塔里木大学学报,2015,27(1):81-85.

Preparation of Activated Carbon from Cotton Stalk and Characterization on it's Structure

Li Fengjuan An Jing Lan Haipeng Zhang Hongmei Zhou Ling*

(College of Mechanic and Electrical Engineering，Tarim University, Alar, Xinjiang 843300)

Activated carbon was prepared from cotton stalk as raw material, and Zncl2/Alcl3as activator. The optimum process condition is obtained by orthogonal test analysis，which is the ratio of Zncl2and Alcl3is 9:1, impregnation time is 16 h, the ratio of Zncl2/ Alcl3and cotton stalk is 3:2, activation temperature is 650 ℃, holding time is 90 min. Under this process condition, the yield of activated carbon is 23. 06%, and the iodine adsorption value is 708. 32 mg/g, BET specific surface area is 518 m2/g, average pore size is 2. 96 nm, microporous volume is 0. 384 cm3/g. And to observe the pore structure of the activated carbon, SEM was used to show that there are developed holes with different size and shape on the surface of the activated carbon.

cotton stalk; activated carbon; Zncl2/ Alcl3; yield; iodine adsorption properties

1009-0568(2016)04-0095-04

2015-12-8

塔里木大学校长基金项目(TDZKSS201410)；国家自然科学基金地区科学基金项目(51566016)。

李风娟(1984-)，女，硕士，讲师，研究方向为材料学。 E-mail：fengjuan_1984@163.com

*为通讯作者 E-mail：zhoul-007@163.com

TK6

A

10.3969/j.issn.1009-0568.2016.04.015