废纺织品制备生物炭的方法及其性质分析

谢伟雪

（兰州资源环境职业技术学院，甘肃兰州 730021）

1 引言

作为一个纺织生产和消费大国，我国每年对纺织原料的需求巨大。随着人们生活水平的提高，棉麻纺织品的使用周期越来越短，纺织品生产过程产生的边角废料及人民生活中淘汰的废旧纺织品数量剧增，带来了巨大的环境压力。我国每年产生的与纤维有关的废弃物不仅造成了惊人的浪费，对环境的污染也越来越严重，所带来的直接和间接经济损失也越来越大。我国目前还没有建立废旧衣物分类处理制度，大量的废旧纺织品被当作垃圾掩埋、焚烧，合成纤维、人造纤维留在地表面可长达数年之久。在这个过程中，会产生有害气体和难降解物质，既造成了资源浪费，又污染了环境。

生物炭是在缺氧或无氧环境下，由生物质裂解形成的一种富碳物质。热解炭化是一个复杂的化学反应过程，在炭化过程中，原料中的纤维素、木质素等物质发生了热解，产生一些小分子含碳有机物和无机物等物质。目前关于利用木质废弃物如秸秆等含有的丰富纤维素、半纤维素和木质素等成分来制备生物炭的研究较多［1］，但对于废衣物制备生物质炭的研究很少。本文以废纺织品为对象，首先分析生活垃圾中废纺织品预处理过程中处理剂和粉碎的粒径对制备生物炭的影响，然后对废纺织品制备出的生物炭从炭化温度、生物炭产率、生物炭含量、生物炭碘吸附量和生物炭电镜分析等方面进行分析研究。

2 试剂与仪器

实验所用的废纺织品来自废品回收站，生物炭吸附性能指示剂为碘溶液，所用化学试剂都为分析纯。

主要仪器：粉碎机、电热鼓风干燥箱、真空管式炉、MIN QUAN MQD-B3R振荡器、DL-5-B离心机、NA-300型空氮一体机、水浴锅、Phenom Pro SEM电镜等。

3 结果与分析

3.1 废纺织品的预处理方法

纺织品可以为棉毛纺织品或麻纺织品，将废纺织品原样放入烧杯中，放入水浴中加热至80℃，加入含有硝酸盐和磷酸盐的混合液中浸渍并不断搅拌，恒温30 min后挤出水分，于60℃下热风干燥，得到预处理物［2］。将预处理的样品和无处理的样品分别在热解温度为350℃和400℃条件下进行热解炭化制备生物炭并分析，分析结果见图1。

图1 处理剂对生物炭产率的影响

由图1可以看出，在同一炭化温度（350℃或400℃）下，有处理剂废纺织品制备出的生物炭产率高于无处理剂组的生物炭产率。其中，炭化温度为350℃时，有处理剂废纺织品制备出的生物炭产率为49%，比无处理剂组的生物炭产率高15%；炭化温度为400℃时，有处理剂废纺织品制备出的生物炭产率为44%，比无处理剂组的生物炭产率高20%。这可能是采用含有磷酸盐和硝酸盐的处理剂对纺织品进行预处理的结果，磷酸盐含有磷元素，硝酸盐含有氮元素，二者均可作为无机阻燃剂，能够降低炭化的温度，提高纤维状生物炭的产率。

3.2 废纺织品粒径粉碎的方法

将处理后的废纺织品进行烘干，处理物的含水率小于10%。经实验发现，若含水率太高，会增加热解过程的传质速度和热解温度。将烘干后的处理物粉碎为粒径小于等于20目的粉状物，若粉状物的粒径大于20目，在相同条件下炭化不完全，终产物的颜色呈灰色而不是黑色。而且随着粒径的增大，炭化温度也随之增加，需要较高的炭化温度，不经济［3］。

3.3 废纺织品制备生物炭的分析

3.3.1 实验设计

将粉状物在惰性气体氮气的保护下以5～8℃/min的升温速率升温至280～480℃，炭化0.5～2.0 h，得到生物炭性质与炭化反应温度的对应关系，见表1。

表1 生物炭性质与炭化反应温度的对应关系

3.3.2 实验分析

3.3.2.1 炭化温度分析

由表1可以看出，炭化温度范围为280～480℃时，生物炭的产率为31%～68%。炭化温度越高，纤维状生物炭的产率越低，因为温度越高，产生的液体和气体越多，相应产生的固体就越少［4］。炭化温度越低，纤维状生物炭的产率越高，然而，炭化温度越低，炭化就越不完全，使得终产物中含有部分未炭化原料，其颜色呈灰色而不是黑色。

3.3.2.2 生物炭含碳量分析

由表1可以看出，炭化温度范围为280～480℃时，生物炭的含碳量为55%～78%。碳含量越高越有利于碳储存，具有较高含碳量的生物炭不仅可以减少肥料的用量，还可以减少温室气体的排放，对实现碳减排将非常有意义。

3.3.2.3 生物炭碘吸附值分析

生物炭的吸附能力采用碘吸附值为指标，碘吸附值是根据GB/T 12496.8—1999《木质活性炭试验方法 碘吸附值的测定》进行测定的［5］，因为生物炭和活性炭的性质非常相似，因此可采用木质国标。

由表1可以看出，炭化温度范围为280～480℃时，生物炭碘吸附值为3 800～4 500mg/g。碘吸附值很高，说明该生物炭中孔和微孔很发达，对小分子物质吸附能力很强。

3.3.2.4 生物炭电镜分析

将废纺织品处理样粉末和制备出的生物炭粉末，放在载物片上，装入样品后，喷吹1 min进行粉末分散，装入Phenom Pro SEM电镜分析仪下进行观察。样品取不同位置观察［6-7］，结果见图2。

图2 废纺织品处理样及生物炭SEM图

由图2可以看出，废纺织品经炭化后，制备出的生物炭表面结构松散，出现了很多吸附孔，吸附能力增强，这与其碘吸附值的分析结果相符合。

3.3.2.5 生物炭制备过程气体的回用

废纺织品制备生物炭过程中，采用低升温速率，会产生少量的气体。为了增加原料的传热系数、提高氮气的温度和气体的回用，将出口处的气体通过气泵使其回流到进口处，并随着氮气再次流经反应体系，实现炭化过程产生气体的循环流动和回用，减少气体排放量，保护大气环境。

4 结论

（1）用含有硝酸盐和磷酸盐的混合液处理剂对废纺织品进行预处理后，能够降低炭化的温度，提高纤维状生物炭的产率。

（2）废纺织品制备生物炭的粒径小于等于20目、含水率小于10%时，将会提高热解炭化的效果和产率。

（3）炭化温度范围为280～480℃时，生物炭的产率为31%～68%，生物炭的含碳量为55%～78%，生物炭碘吸附值为3 800～4 500mg/g。生物炭产率较高，碳含量较好，碘吸附值很高。生物炭表面结构松散，吸附能力增强，说明该生物炭品质良好，吸附作用强。同时生物炭制备过程中产生的气体实现循环流动和回用，减少了气体排放量，保护大气环境。

（4）废纺织品制备的生物炭可用于土壤修复、大气污染和水污染吸附污染物等领域。