利用烟草秸秆制备活性炭吸附剂

吴东蓉，张亚洲

(贵州理工学院食品药品制造工程学院，贵州 贵阳 550003)

0 引言

烟草秸秆因含有大量的木质纤维与木材接近，利用烟草秸秆制备活性炭是一种既经济又环保的具有广阔前景的发展方向。

活性炭的比表面积大，普通活性炭的比表面积为500～1 500 m2/g，而超级活性炭比表面积则更惊人，为3 500～5 000 m2/g。活性炭主要由碳元素、氢元素和氧元素组成，其中碳元素含量最高，约达90%～95%；氢元素和氧元素则不是独立存在的，而是一种有机官能团，大部分是以化学键的形式与碳原子结合。在这种组合的形式下，氢含量约为4%～5%，氧含量约为1%～2%。酚羟基、羧基、混型羧基还有醚和酯是活性炭中最常见的官能团。制备材料、活化的时间和温度、活化剂的种类和用量以及加热方式等等均会影响活性炭的性质。活性炭的吸附能力与其物理结构和化学性能有关，因此使用不同制备方式制备出来的活性炭，物理结构和化学性能差别很大，由此其吸附性能也会有很大的差距。若是对活性炭的微孔要求较高，则可以采用碱制法；若是对介孔和离子交换能力要求高，那么磷酸法制备就是最佳的选择。

1 活性炭的吸附原理

活性炭特殊的吸附原理是能够除热的最重要前提，因其自身物理特点而导致表面积相对较大，活性炭本身有着十分丰富的毛孔，毛孔的数量及大小决定了活性炭的强吸附力及稳定的吸附效果。

2 活性炭的作用

从表面层次上看活性炭的结构较其他复杂物质来说很简单，可是这一小小的物质在各领域中却发挥了其重要作用。

2.1 活性炭技术在化学制药中的应用

在我国制药领域，活性炭的使用不可或缺，在净化产药废水的过程中，活性炭做出了巨大的贡献，制药用水的纯度与药品的质量效果息息相关，药水纯度的高低会直接影响用药的效果。为了能再实验过程中将药水的提取最大限度的符合国家标准，一定要在事实基础上实现科学用法，合理的使用活性炭对其进行净化处理。这样才能够最大化的保证活性炭的生物活性，此外在实际应用过程中能够降低有机物对药品的影响，这样能够更好的实现物品的消毒工作[1]。为我国药业打下了坚实的基础。活性炭在应用化学领域后，我国的药物质量得到了质的提升，更好的确保了药物的生产质量，维持了相应的药物效果。无论是去除水中的微量元素还是吸附反应异味，活性炭都做出了巨大的应用，活性炭已经成为人们日常生活中必不可少的一种物质，也是现阶段各个实验室、各大领域的应用物质。短时间内最大化的将微量元素从有机物中吸附出来这样物质就能够被有效的吸附干净，彻底净化，活性炭还能够将微生物进行富集操作，统一排除到药品之外。

2.2 活性炭对水中重金属离子吸收的应用

进入工业时代，冶金、合金、纺织印染、电镀和电解特别是颜料制造等行业迅猛发展，带来经济效益，但是，这些行业每年都会产生大量的工业废水，废水中重金属的含量非常高，给人们的生活带来了巨大的危害。处理工业废水的问题刻不容缓，而吸附性极强活性炭是最好的吸附材料，能降低工业废水中的重金属含量。重金属铬在电镀行业中广泛应用，六价铬在工业废水中的存在形态随着废水的pH值的变化而不同。研究表明对于阴离子存在的重金属活性炭的吸附效果并不理想，尽管活性炭比2表面积高、微孔结构发达、物理吸附性极强等优势[2]。若吸附质中存在阴离子，就需要借助活性炭巨大的表面比在表面上负载正价金属，比如铁等对表面进行修饰，通过反应产生化学键，对Cr进行吸附，达到吸附去除Cr的目的。为使电镀废水达到国家的排放标准，还能用改性后的活性炭进行吸附，效果极好。活性炭在去除正价重金属离子方面，优势非常明显。陈艳芳等人通过实验考察了通过活性炭纤维的吸附对去除水中的镉、镍、铜等正价重金属的效果。实验结果显示，不仅活性炭对废水中这三种这种金属离子的吸附性能好，而且吸附剂的再生力强，可循环使用，效果非常好，推广使用的价值非常大。

2.3 活性炭在烟气脱硫中的应用

目前全球硫污染问题非常严峻，已成为防治大气污染的重要课题，而大气中硫污染的罪魁祸首当属煤和石油的使用。大气硫污染带来的最直接的后果就是酸雨，我国煤矿资源丰富，是产煤大国也是用煤大国，据统计数据，我国70%的能源来自自然煤，很明显着手解决煤污染问题刻不容缓。据相关部门统计，酸雨在我国已经很常见了，有个别城市酸雨的pH值甚至达到4，对人体的危害性极大，对土壤也会造成极大的伤害；绝大部分的大中城市的土地都受到了酸雨的侵害，此外数据还表明，我国至少有三分之一以上的国土在遭受酸雨的侵害。防治酸雨恢复土壤的pH值刻不容缓，防治酸雨需从源头抓起，减少使用含硫能源；针对目前大气中的硫污染，仅靠预防手段难以解决，还需进行烟气脱硫治理。烟气脱硫的原理也是采用活性炭吸附的方式，由此可见防治大气污染，离不开活性炭[2]。

2.4 活性炭对水中有机物吸附的应用

活性炭除了对水中重金属的吸附性能好以外，对水中有机污染物如除草剂、杀虫剂、农药等人工合成的有机化合物和酚类化合物、苯类化合物石油及其产品等等也有很好的吸附性[3]。此外，不同于其他生物和化学处理方法，用活性炭来吸附水中的有机污染物不会产生其他剧毒性副产品，吸附过后，水体即恢复到良好的状态。

3 活性炭的制备

活性炭不仅仅是它的作用领域十分广泛，而且它的制备方法也非常多，以下是它的几种常见的制备方法。

3.1 木屑制备高孔隙成型活性炭

称取10 g的废木屑，按木屑和H3PO4质量比1∶1加入H3PO4，混合均匀，在85 ℃条件下恒温浸渍2～3 h，然后再在85 ℃下干燥2～3 h，干燥完毕后颜色由淡黄色变为深褐色，再将其放置干燥皿中冷却至室温[4]。称取一定量浸渍完毕的废木屑，使用压片机在20 MPa条件下压制成型，保持1 min左右，然后在400～700 ℃下于管式炉内进行活化，活化时间为1～3 h，反应结束后快速脱离高温区一直在N2保护下进行冷却，再对活化完毕的成型活性炭进行洗涤，洗涤至最后测试的水的pH值接近中性为止，再干燥8～10 h，即为制得的成型活性炭。

3.2 稻壳基制备活性炭

准确称取5.00 g稻壳粉，与一定浓度的活化剂混合，搅拌均匀，在室温下浸渍一定时间，保证活化剂进入原料内部。浸渍结束后，50 ℃干燥10 h，将物料置于坩埚中，设置好马弗炉的温度，将物料在马弗炉中炭化活化一段时间。活化完成后，取出，待自然冷却至室温后，用1%稀盐酸洗涤3次，再用热水洗至pH值为中性后，将活性炭在100 ℃下干燥，粉碎至200目，即得到成品活性炭[5]。

3.3 脱油沥青基活性炭的制备

KOH与脱油沥青(DOA)质量比为5∶1的比例，将一定量KOH与DOA混合均匀后装入镍坩埚后于石英管式加热炉内，在N2气氛保护下以4 ℃/ min的升温速度升至400 ℃，恒温碳化1 h，继续升温至600～800 ℃活化1 h，活化产物自然冷却后取出，用稀盐酸中和后充分水洗至中性，于105 ℃干燥箱内干燥12 h后即可得到实验所需的脱油沥青基活性炭样品[6]。

3.4 利用烟草秸秆制备活性炭

烟草秸秆因含有大量的木质纤维与木材接近，利用烟草秸秆制备活性炭是一种既经济又环保的具有广阔前景的发展方向。目前为止国内已有多篇文章对此进行了报道，一般采用传统的加热工艺和微波辐射工艺利用烟秆制备活性炭。传统加热工艺就是先将烟草秸秆浸泡然后逐步进行预热、干燥、炭化、活化(以CO2、H2O、ZnCl2、KOH等作为为活化剂)、去色、干燥、粉碎处理等过程[7]。与传统的工艺相比较，微波辐射工艺效率较高，操作方便，主要是利用活性碳有效吸收微波能量使温度在数分钟内上升从而简化传统工艺中四个较为复杂的步骤，仅用微波辐射一步取代。两种工艺都能很好的达到国家标准级产品。虽然微波工艺目前处于实验室阶段，但具有操作简便、耗时少、污染小且得到的活性炭具有更好的比表面积等优点，因此微波工艺具的发展前景较大。

综上，利用烟草秸秆来制备活性炭是一种既经济又环保的方法，下面将阐述如何利用烟草秸秆来制备活性炭。

3.4.1 实验方案

选取一定量的废弃烟草秸秆，洗净、干燥、粉碎后，在氮气气流的保护下，于450 ℃下炭化50 min，自然冷却后研磨至20目以下颗粒，然后与活化剂氢氧化钠按照1：2的碱炭比(活化剂与烟草秸秆炭化料的质量比)混合，研磨后放入管式电阻炉中。随后在氮气的保护下，以10 ℃/ min的速度升温至700 ℃，该温度为活性化温度，活化1 h后冷却至室温取出，浸入0.2 mol/L盐酸中，搅拌30 min后过滤经热蒸馏水水洗至中性，于100 ℃干燥至恒质量后，200目下分筛，得到烟草秸秆基活性炭。

3.4.2 仪器及药品

仪器：烘箱、粉碎机、研钵、管式电阻炉、PH计、玻璃棒、漏斗、分析天平、烧杯。

药品：烟草秸秆、20 mol/L氢氧化钠、0.1 mol/L盐酸、蒸馏水。

3.4.3 实验步骤

(1)选取适量的废弃烟草秸秆，洗净，并放入烘箱中烘干。

(2)将烘干后的烟草秸秆取出，置粉碎机中打成粉末，烟草秸秆要没过刀片位置，以便打出较细的粉末。

(3)取适量打好的粉末置于管式电阻炉中，设计升温曲线，以10 ℃/min升温至450 ℃，并接通氮气气路阀，以便提供氮气气流保护，此过程为炭化，持续50 min。

(4)将炭化后的物质取出冷却至室温，随后放入研钵中研磨至20目以下颗粒，然后按照1：2的碱炭比加入氢氧化钠与其混合并研磨。

(5)将研磨好的粉末再次置于管式电阻炉内，设计温度曲线，以10 ℃/min升温至700 ℃，并接通氮气气路，提供氮气气流保护，此过程为活化，持续1 h。

(6)将活化后的物质取出冷却至室温，浸入0.2 mol/L盐酸中搅拌30 min。

(7)用漏斗将其过滤，用热蒸馏水水洗滤渣，用pH计检测其显中性为止。

(8)将水洗后的物质置于100 ℃烘箱中干燥，称量，反复干燥与称量过程，直至恒重。

(9)最后在200目下分筛，即得烟草秸秆基活性炭。

3.4.4 实验方案优点及关键点

实验方案优点：以方案中的炭化温度、碱炭比、活化剂的选择和活化温度为条件，所制得的活性炭吸附能力较其他条件下所制得的活性炭强，该条件所制得的活性炭其亚甲基蓝和碘吸附值分别能达到16.2 mL/0.1 g和1 140.13 mg/g。

实验方案关键点：活化剂的选择：活化剂如若选择的不合适，所制得的活性炭很有可能达不到预期的吸附效果。

活化时间：活化时间过长或过短都会造成产品碘吸附性能的降低，这是由于活化时间过短，氢氧化钠活化反应进行得不够充分，形成的孔隙结构较少，活化时间过长，炭结构的过度侵蚀会导致孔道间发生坍塌，形成中孔或是进一步塌陷形成通道，孔结构的破坏将对产品的吸附性能产生不利影响；

活化温度：在一定的温度范围内，活化温度越高，炭料的分解越充分，产生大量的孔结构，但是随着活化温度的升高，也会造成产品炭孔结构的过度侵蚀，引起孔与孔之间的塌陷，进而形成大的孔洞，从而影响产品的吸附性能。

4 结语

我国是烟草生产大国，每年的烟草生产量约为全球42%。在国内的经济系统中，烟草所产生的财税值在全国的经济总价值中占有重要的分量。烟草秸秆是烟草生产中最大的副产品，年产量约为450万吨，在以往的处理方法中大部分采取丢弃和直接燃烧，既不经济也造成了不同程度的环境污染。烟草秸秆中有机物含量约为90%-95%，矿物质氮、磷、钾、含量约为5%-10%同时还有一些微量元素，与其它农作物秸秆相比具有其独特的优势。同时烟草秸秆又含有大量的木质素，纤维素和尼古丁，普通的菌株难以分解，不能就地还田，因此近些年来，烟草秸秆的综合利用不仅具有很好的发展前景同时也伴随着巨大的困难与挑战，也是农业可持续发展的一项重要任务。