磷酸法颗粒活性炭对无水乙醇的吸附性能

陈 志，姚小元，张春桂，吴惠萍，李 霞，林冠烽，3，柯金炼

(1.福建农林大学金山学院，福建 福州 350002； 2.福建金闽再造烟叶发展有限公司，福建 罗源 350600； 3.福建省生态产业绿色技术重点实验室(武夷学院)，福建 武夷山 354300； 4.福建省林业科学研究院，福建 福州 350012)

磷酸法颗粒活性炭对无水乙醇的吸附性能

陈 志1，姚小元2，张春桂1，吴惠萍1，李 霞1，林冠烽1，3，柯金炼4

(1.福建农林大学金山学院，福建 福州 350002； 2.福建金闽再造烟叶发展有限公司，福建 罗源 350600； 3.福建省生态产业绿色技术重点实验室(武夷学院)，福建 武夷山 354300； 4.福建省林业科学研究院，福建 福州 350012)

采用磷酸活化法制备木质颗粒活性炭，并探讨其对无水乙醇的吸附性能。结果表明，随着捏合温度、捏合时间、浸渍比、活化温度和保温时间的增加，活性炭的乙醇吸附率呈先升后降的趋势。在较佳生产工艺：捏合温度130 ℃，捏合时间60 min，浸渍比1.25，活化温度450 ℃和保温时间1.0 h下，颗粒活性炭的乙醇吸附率为63.38%。

磷酸活化法；颗粒活性炭；无水乙醇；吸附性能

在现代工业化生产过程中，有些行业如：印刷行业和涂装行业，需要使用乙醇、苯、甲苯和丙酮等有机化合物为溶剂。因有机溶剂具有易挥发的特性，在使用过程中如果未经妥善处理，直接排放，将散发于工作环境和大气中，不仅造成资源浪费，而且危害操作工人的健康及人们的生活环境[1-2]。活性炭等炭质吸附材料作为一种环境友好型吸附剂，广泛应用于气相吸附、液相吸附和催化剂载体等领域[3-4]。在乙醇等有机溶剂的吸附方面，国内外研究者进行了大量研究。Bouzid等[5]采用统计物理学的方法对活性炭吸附乙醇的过程进行研究。Frazzica等[6]研究了基于活性炭/乙醇工质对的吸附式制冷机的设计、实现与测试。Brancato等[7]研究了活性炭对乙醇的动态吸附过程，并应用于吸附热交换机。曾乐等[1]通过动态吸附法研究活性炭纤维对乙醚、乙醇及其混合气体的吸附性能。迟广俊等[2]采用K2SO4溶液浸渍，并通过二次热处理对活性炭纤维进行改性，用于吸附乙醇。本文探讨磷酸法颗粒活性炭的生产过程中浸渍比、捏合温度、捏合时间、活化温度和活化时间等对活性炭吸附乙醇性能的影响，以期为磷酸法颗粒活性炭的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1原料、试剂与仪器

杉木屑来源于三明沙县，取粒径0.38～0.15 mm为试验原料。磷酸、乙醇等化学药品均为分析纯。高温炉产于德国纳博热公司，型号Nabertherm L9/11/SKM，具有自动程序升温的功能；捏合挤条机产于南京恩索集团有限公司。

1.2颗粒活性炭的制备方法

实验方法参考文献[8-9]，将杉木屑与磷酸溶液按浸渍比(Xp，磷酸与杉木屑质量的比值)1.0、1.25、1.50混合。混合均匀后，把混合物置于捏合挤条机中，在120～140 ℃下捏合热处理60～80 min。在捏合热处理过程中，木质原料产生塑化，形成具有一定粘弹性的原料，即为捏合物料。捏合结束后，取出捏合物料于油压成型挤条设备挤出成型，形成直径为4 mm的柱状物，并将柱状物在140 ℃下处理2 h进行硬化；然后于高温炉中350～550 ℃下保温0.5～2.0 h进行活化处理。冷却至室温，取出用蒸馏水洗涤至pH值5～6，烘干，即为颗粒活性炭产品。

1.3性能测试

乙醇吸附采用增重法进行测定：称取活性炭2 g装于称量瓶中，然后将装有颗粒活性炭样品的称量瓶置于放有无水乙醇的干燥器中，静止吸附24 h后，测得活性炭样品质量的增量，与样品质量之比即为乙醇吸附值。

2 结果与分析

2.1捏合温度的影响

采用浸渍比1.25浸渍物料，并在120～140 ℃下捏合60 min，制备捏合物料；然后在450 ℃下保温1 h，制备自成型颗粒状活性炭，结果见图1。由图1可知，活性炭的乙醇吸附性能随着捏合温度的升高，呈先升后降的趋势，捏合温度为130 ℃时，达到最大，为63.38 %。其中120～130 ℃时，有较大幅度的上升。

2.2捏合时间的影响

采用浸渍比1.25浸渍物料，并在130 ℃下捏合50～80 min，制备捏合物料；然后在450 ℃下保温1 h，制备自成型颗粒状活性炭，结果见图2。由图2可知，活性炭的乙醇吸附性能随着捏合时间的延长，呈先升后降的趋势，捏合时间为60 min时达到最大。其中，捏合时间60～70 min阶段，乙醇吸附性能有较大幅度的降低，从51.44%降为39.24%。这是由于随着捏合时间的延长，磷酸在木质原料中有较充分的渗透，故吸附性能有所提升。而捏合时间太长，磷酸将对木质原料的表面产生破坏，不利于吸附性能的提高。

2.3浸渍比的影响

采用浸渍比1.0～1.5浸渍物料，并在130 ℃下捏合60 min，制备捏合物料；然后在450 ℃下保温1 h，制备自成型颗粒状活性炭，结果见图3。由图3可知，活性炭的乙醇吸附性能随着浸渍比的上升，呈先升后降的趋势，在浸渍比为1.25时达到最大。在浸渍比1.0～1.25阶段，乙醇吸附性能有较大提高。这与磷酸活化法的作用机制有关，活性炭的孔隙主要含磷化合物洗脱之后暴露出来。浸渍比较大时，含磷化合物占据的空隙较多，故孔隙结构较发达，吸附性能较高。然而，浸渍比太高，磷酸将于木质原料产生反应，反而破坏了其孔隙结构，不利于吸附性能的提升。

2.4活化温度的影响

采用浸渍比1.25浸渍物料，并在130 ℃下捏合50～80 min，制备捏合物料；然后在350～550 ℃下保温1 h，制备自成型颗粒状活性炭，结果见图4。由图4可知，活性炭的乙醇吸附性能随着活化温度的升高，呈先升后降的趋势，活化温度为400 ℃时，达到最大，为70.84%。在450～500 ℃阶段，降低幅度较大，从63.38%降为39.32%。这是由于较低活化温度时，活化反应进行得不充分，不利于孔隙结构的发达；而活化温度太高，将引起相邻微孔结构的坍塌，形成大孔和中孔，不利于吸附能力的提高。然而400 ℃时，颗粒活性炭的强度较低。结合强度和吸附性能的影响，活化温度以450 ℃为宜。

图1 捏合温度的影响

图2 捏合时间的影响

图3 浸渍比的影响

图4 活化温度的影响

图5 保温时间的影响

2.5保温时间的影响

采用浸渍比1.25浸渍物料，并在130 ℃下捏合60 min，制备捏合物料；然后在450 ℃下保温0.5～2 h，制备自成型颗粒状活性炭，结果见图5。由图5可知，活性炭的乙醇吸附性能随着保温时间的延长，呈先升后降的趋势，保温时间为1.0 h时达到最大。其中，在0.5～1.0 h范围大幅上升，1.5～2.0 h阶段变化不大。

3 结论

采用磷酸活化法制备木质自成型颗粒活性炭，并研究其乙醇的吸附性能。结果表明，随着捏合温度、捏合时间、浸渍比、活化温度和保温时间的增加，活性炭对乙醇的吸附性能呈先升后降的趋势。在较佳生产工艺：捏合温度130 ℃，捏合时间60 min，浸渍比1.25，活化温度450 ℃和保温时间1.0 h下，颗粒活性炭的乙醇吸附率为63.38%。

[1]曾乐，王春雷，刘兆燕，等.活性炭纤维吸附模拟废气中的乙醇和乙醚[J].化工环保，2014，34(3)：206-209.

[2]迟广俊，焦婷婷，范君，等.改性活性炭纤维对含乙醇有机废气的吸附性能研究[J].环境科学与技术，2010，33(12)：160-163.

[3]蒋剑春，孙康.活性炭制备技术及应用研究综述[J].林产化学与工业，2017，37(1)：1-14.

[4]林冠烽，蒋剑春，吴开金，等.磷酸法自成型木质颗粒活性炭孔隙结构分析及其甲烷吸附性能[J].林产化学与工业，2016，36(5)：101-106.

[5]Bouzid M，Sellaoui L，Khalfaoui M，et al.Adsorption of ethanol onto activated carbon：Modeling and consequent interpretations based on statistical physics treatment[J].Physica A，2016(444)：853-869.

[6]Frazzica A，Palomba V，Dawoud B，et al.Design，realization and testing of an adsorption refrigerator based on activated carbon/ethanol working pair[J].Applied Energy，2016(174)：15-24.

[7]BrancatoV，GordeevaL，Sapienza A，et al.Dynamics study of ethanol adsorption on microporous activated carbon for adsorptive cooling applications[J].Applied Thermal Engineering，2016(105)：28-38.

[8]林冠烽.磷酸法自成型木质颗粒活性炭的制备过程与机理研究[D].北京：中国林业科学研究院，2013：1-43.

[9]林冠烽，蒋剑春，吴开金，等.磷酸活化法制备纤维素基颗粒活性炭[J].林产化学与工业，2014，34(1)：101-106.

StudyonAdsorptionofDehydrationEthanolbyGranularActivatedCarbonPreparedbyPhosphoricAcidActivation

CHENZhi1，YAOXiaoyun2，ZHANGChungui1，WUHuiping1，LIXia1，LINGuanfeng1，3，KEJinlian4

(1.JinshanCollegeofFujianAgricultureandForestryUniverstiy，Fuzhou350002，Fujian，China；2.FujianJinminReconstitutedTobaccoDevelopmentCo.，Ltd.，Luoyuan350600，Fujian，China；3.FujianProvincialKeyLaboratoryofEco-IndustrialGreenTechnology(WuyiUniversity)，Wuyishan354300，Fujian，China； 4.FujianAcademyofForestry，Fuzhou350012，Fujian，China)

The granular activated carbons (GAC) were prepared by phosphoric acid activation，and the adsorption property of dehydration ethanol were analyzed.The results showed that with the raise of kneading temperature，kneading time，impregnation ratio，activation temperature and activation time the ethanol adsorption value of granular activated carbons showed a trend of first increased and then decreased.In optimal conditions for kneading temperature 130 ℃，kneading time 60 min，impregnation ratio 1.25，activation temperature 450 ℃ and activation time 1.0 h，the ethanol adsorption value of granular activated carbons was 63.38%.

phosphoric acid activation；granular activated carbon；dehydration ethanol；adsorption

10.13428/j.cnki.fjlk.2017.03.011

2017-03-20；

： 2017-04-13

大学生创新创业训练计划项目(201614046001)；福建省中青年教师教育科研项目(JAT160684)；中央财政林业科技推广示范项目(磷酸法自粘结木质颗粒活性炭生产技术示范，闽[2016]TG11号)；福建省生态产业绿色技术重点实验室开放课题基金资助项目

陈志(1994—)，男，福建莆田人，福建农林大学金山学院本科生，从事化学工程与工艺方面研究。E-mail：657214341@qq.com。

林冠烽(1983—)，男，福建泉州人，福建农林大学金山学院副教授，从事林产化学与工业的研究。E-mail：guanfeng002@sina.com。

TQ424.1

： A

： 1002-7351(2017)03-0054-04