張承龍，白建峰，孫可偉

(1. 上海第二工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，上海201209；2. 昆明理工大學(xué)固體廢棄物資源化國家工程中心，昆明 650033)

甘蔗渣制備板狀成型活性炭的研究

張承龍1，白建峰1，孫可偉2

(1. 上海第二工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，上海201209；2. 昆明理工大學(xué)固體廢棄物資源化國家工程中心，昆明 650033)

以磷酸活化法所制得的甘蔗渣粉狀活性炭為原料，研究不同粘接劑種類、粘接劑添加量對板狀成型活性炭性能的影響。結(jié)果表明：板狀成型活性炭的體積吸附量及質(zhì)量吸附量隨著粘結(jié)劑添加量的增加而減小；滲透速率隨著羧甲基纖維素添加量的增加而減小，隨著聚乙烯醇素添加量的增加先是呈略微下降而后增加；以羧甲基纖維素為粘接劑制得的板狀成型活性炭的性能較好，當(dāng)羧甲基纖維素的添加量為10 %時，其體積碘吸附量為418.82 mg/cm3。

甘蔗渣；粉狀活性炭；板狀成型活性炭

2011年9月 JOURNAL OF SHANGHAI SECOND POLYTECHNIC UNIVERSITY Sept. 2011

0 引言

甘蔗渣為一類典型的植物纖維性廢棄物，利用甘蔗渣制備活性炭材料，為高附加值地利用這種廢棄物提供了途徑[1]。活性炭材料本身是一種環(huán)境生態(tài)材料，廢棄后會自然降解，不會對環(huán)境造成任何危害。在制備過程中，大量的碳得以殘留，這對于避免溫室效應(yīng)和環(huán)境保護(hù)無疑是有益的。

雖然粉狀活性炭因粒度細(xì)、外表面積大而具有吸附速度快的特點，但其同時存在再生困難、使用不方便的缺點，如在填充松散的粉末顆粒狀活性炭的吸附過濾器時，由于氣流或水流的沖擊作用易造成局部的“短路”或“阻塞”現(xiàn)象，影響吸附效果；而成型活性炭可以根據(jù)使用需要加工成不同形狀，并且再生簡便，同時成型后可以提高活性炭的密度，增加體積吸附量。

本文對利用甘蔗渣粉狀活性炭制備板狀成型活性炭進(jìn)行了初步試驗研究，將粉狀活性炭與粘接劑（羧甲基纖維素和聚乙烯醇）混合后在一定壓力下壓制成活性炭塊，經(jīng)熱處理后制成板狀成型活性炭。

1 試驗原料及方法

1.1 試驗原料

試驗所用甘蔗渣取自云南開遠(yuǎn)糖廠，其成份99 %以上為蔗渣。粉狀活性炭選用磷酸活化法最佳工藝條件（磷酸濃度，活化溫度400 ℃，活化時間60 min）的甘蔗渣粉狀活性炭為原料。

試驗選用羧甲基纖維素和聚乙烯醇為粘接劑，所用羧甲基纖維素為化學(xué)純，聚乙烯醇型號為PVA17-99；其余試劑均為分析純。

1.2 試驗步驟

為考察不同粘接劑及添加量對板狀成型活性炭性能的影響，具體試驗步驟如下：

①稱取適量干燥后的粉狀活性炭，粉碎后加入所需比例的粘接劑（10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %），混合均勻；

②將混合好的粉狀活性炭裝模，在一定壓力下模壓成型，厚度為0.4 ～ 0.7 cm；

③將成型后的活性炭塊放入管式電阻爐中，在氮氣保護(hù)下，進(jìn)行熱處理。為防止試樣因升溫過快而產(chǎn)生裂紋，升溫速率采用5 ℃/min，保溫時間為1 h；根據(jù)試驗研究結(jié)果，熱處理的溫度在以羧甲基纖維素為

④隨爐冷卻后稱重，進(jìn)行產(chǎn)品的吸附性能測試。

1.3 性能測試方法

為了通過滲透速率及碘吸附值兩項指標(biāo)測定板狀成型活性炭的性能，本試驗設(shè)計了一個簡易測試方案，使碘溶液通過活性炭塊滲透，以便碘溶液與活性炭充分接觸，實現(xiàn)測試其吸附能力的目的。為使活性炭塊與吸附管壁緊密接觸，本試驗選用彈性較好的乳膠管作為吸附管，且在使用前將吸附管在碘溶液中浸泡后擦干，以消除乳膠管對碘吸附的本底影響，測試方案如圖1。

一般來說，滲透速率的計算式為J= (Q/A)·t·△P[2]，但考慮到活性炭塊的厚度不一，所以本試驗將厚度因素考慮進(jìn)去，滲透速率按下式計算：

式中：

J——滲透速率，mL·cm-2·cm-1·s-1·Pa-1；

Q——液體透過量，mL；

A——活性炭塊試樣面積，cm2；

d——活性炭塊厚度，cm；

t——透過時間，s；

△P——試樣兩側(cè)壓力差，在此則為從碘標(biāo)準(zhǔn)液到試樣間的液柱的壓強。

圖1 板狀成型活性炭滲透及吸附性能測試方案Fig.1 Equipment for testing infiltration and adsorption performance of formed activated carbon

碘吸附值可采用如下方法進(jìn)行測試：每隔5 min將濾液倒入另外一量筒測定體積后，移取5 mL濾液，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T12496.8-1999，測定活性炭的碘吸附值，直到濾液的濃度達(dá)到碘標(biāo)準(zhǔn)液濃度的95 %以上為止。將測得的碘吸附值進(jìn)行累加就得到成型活性炭的碘吸附量值。成型活性炭的質(zhì)量碘吸附量按下式計算：

式中

Am——試樣的碘質(zhì)量吸附量，mg/g；

m ——試樣質(zhì)量，g；

Ai——第i次的碘吸附量，mg。

成型活性炭的體積碘吸附量按下式計算：

式中

v ——活性炭試樣體積，cm3；

Av——試樣的碘體積吸附量，mg/cm3。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 熱處理溫度

采用示差掃描量熱儀測試羧甲基纖維素和聚乙烯醇（PVA17-99）的熱失重曲線，結(jié)果見圖2和圖3。從圖中可看出在310 ℃時羧甲基纖維素已基本分解完全，剩余殘留物約為52 %左右，主要是殘渣炭[3]，所以在對以羧甲基纖維素為粘接劑的成型活性炭進(jìn)行熱處理時，處理溫度選擇310 ℃；330 ℃時聚乙烯醇已基本分解完全，剩余殘留物僅為32 %左右，主要為共軛雙鍵的聚合物[4]，所以在對以聚乙烯醇為粘接劑的成型活性炭進(jìn)行熱處理時，處理溫度選擇330 ℃。從310 ℃熱分解后的羧甲基纖維素的掃描電鏡圖（圖4）可看出，其熱分解后體積膨脹較小，具有較發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙較?。粡腜VA在330 ℃受熱后剩余炭的掃描電鏡圖（圖5）可看出，PVA體積膨脹較大，剩炭薄而易碎，孔隙少而大。

圖2 羧甲基纖維素的TG/DSC曲線Fig.2 TG/DSC of carboxymethylcellulose

圖3 聚乙烯醇的TG/DSC曲線Fig.3 TG/DSC of polyvinyl alcohol

圖4 羧甲基纖維素SEM圖(310℃熱解后)Fig.4 SEM of carboxymethylcellulose (thermolysis residue at 310℃)

圖5 聚乙烯醇SEM圖(330℃熱解后) Fig.5 SEM of polyvinyl alcohol (thermolysis residue at 330℃)

2.2 粘接劑的添加量對板狀成型活性炭性能的影響

以羧甲基纖維素為粘接劑所制得的板狀成型活性炭的吸附性能及滲透性能見圖6和圖7。

圖6 粘接劑對成型活性炭吸附性能的影響曲線Fig.6 Effect of the types and ratios of binder on the adsorption performance of formed activated carbon

板狀成型活性炭的體積吸附量及質(zhì)量吸附量隨著羧甲基纖維素添加量的增加而減小。這主要是由于在成型過程中羧甲基纖維素滲入活性炭的孔隙中，造成活性炭的比表面積及孔容下降，并且隨著羧甲基纖維素添加量的增加，這種作用也隨之增加，所以其吸附性能呈下降趨勢。但由于成型后其堆積密度增加，所以其體積吸附量比粉狀活性炭大[5]。而板狀成型活性炭的滲透速率隨著羧甲基纖維素添加量的增加而減小，這主要可能是由于成型過程中隨著羧甲基纖維素的增多，羧甲基纖維素在310 ℃條件下仍有較多殘留物（約為52 %），導(dǎo)致堵孔嚴(yán)重。

圖6和圖7同時表示出了以聚乙烯醇為粘接劑所制得的板狀成型活性炭的吸附性能及滲透性能。板狀成型活性炭的體積吸附量及質(zhì)量吸附量隨著聚乙烯醇添加量的增加而減小。這主要是由于在成型過程中聚乙烯醇滲入活性炭的孔隙中，造成活性炭的比表面積及孔容下降，并且隨著聚乙烯醇添加量的增加，這種作用也隨之增加，所以其吸附性能呈下降趨勢。但由于成型后其堆積密度增加，所以其體積吸附量在聚乙烯醇加量較少時比粉狀活性炭大。板狀成型活性炭的滲透速率隨著聚乙烯醇添加量的增加先是呈略微下降而后增加，這主要可能是開始由于成型過程中隨聚乙烯醇的增加，其對活性炭的堵孔作用造成滲透速率的略微下降，但隨聚乙烯醇的進(jìn)一步增加，雖然其會造成活性炭孔隙結(jié)構(gòu)的堵塞，但由于聚乙烯醇的熱分解程度較高（330 ℃條件下殘留量僅為32 %左右），當(dāng)板狀成型活性炭中聚乙烯醇含量較大時，其分解后留下的大孔隙通道增加較多，故滲透速率增加。

圖7 粘接劑對成型活性炭滲透性能的影響曲線Fig.7 Effect of the types and ratios of binder on the infiltration performance of formed activated carbon

以羧甲基纖維素為粘接劑的板狀成型活性炭的質(zhì)量吸附量及體積吸附量都要比以聚乙烯醇為粘接劑的板狀成型活性炭大。以羧甲基纖維素為粘接劑的板狀成型活性炭的滲透性能開始時比以聚乙烯醇為粘接劑的板狀成型活性炭的滲透性能好，但隨添加量的增加，以聚乙烯醇為粘接劑的板狀成型活性炭的滲透性能迅速增強。這可能是由于羧甲基纖維素?zé)岱纸夂髿堅靠紫遁^為發(fā)達(dá)，堵孔作用相對較小，而聚乙烯醇熱分解后的殘留物主要為共軛雙鍵的聚合物，孔隙較少，對活性炭的堵孔作用較大，導(dǎo)致板狀成型活性炭的吸附性能及滲透性能較低，但由于聚乙烯醇的熱分解程度較大，隨著添加量的進(jìn)一步增加，聚乙烯醇分解后使活性炭粒間的大孔隙增加，因此板狀成型活性炭的滲透性能增強較快。

3 結(jié)語

(1) 板狀成型活性炭的體積吸附量及質(zhì)量吸附量隨著羧甲基纖維素添加量的增加而減小，但由于成型后其堆積密度增加，所以其體積吸附量比粉狀活性炭大；滲透速率隨著羧甲基纖維素添加量的增加而減小。板狀成型活性炭的體積吸附量及質(zhì)量吸附量隨著聚乙烯醇添加量的增加而減?。粷B透速率隨著聚乙烯醇素添加量的增加先是略微下降而后增加。

(2) 以羧甲基纖維素為粘接劑的板狀成型活性炭的質(zhì)量吸附量及體積吸附量都要比以聚乙烯醇為粘接劑的大；以羧甲基纖維素為粘接劑的板狀成型活性炭的滲透性能開始時比以聚乙烯醇為粘接劑的好，但隨添加量的增加，以聚乙烯醇為粘接劑的板狀成型活性炭的滲透性能迅速增強。

[1] 趙玲, 嚴(yán)興, 尹平河, 等. 甘蔗渣制取活性炭的強度和穩(wěn)定性研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2009, 28(6): 1298-1301.

[2] AIBE T. Development of activated carbon honeycombs[J]. Catalysts and Catalysis, 1999, 41(4): 242-247.

[3] 黎秉環(huán), 王恩浦, 劉躍平, 等. 超高取代度羧甲基纖維素的熱分析[J]. 高分子材料科學(xué)與工程, 1999, 15(6): 151-154.

[4] 陸耘, 傅英毅, 岳中仁, 等. 聚乙烯醇基中空活性炭纖維的制備—碳化過程的研究[J]. 合成纖維工業(yè), 1999, 22(5): 9-11.

[5] 宋燕, 凌立成, 李開喜. 成型活性炭對甲烷吸附性能研究[J]. 新型炭材料, 2000, 15(4): 13–16.

Study on Preparation of Formed Activated Carbon from Bagasse

ZHANG Cheng-long1, BAI Jian-feng1, SUN Ke-wei2
(1. School of Urban Development and Environmental Engineering, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China; 2. National Engineering Research Center of Solid Waste Resource Recovery, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650033, P. R. China)

Formed activated carbon block was prepared using powdered activated carbon prepared from bagasse with phosphoric acid activation. The influence of various preparation parameters such as the type binders and the amount of the binders was investigated. The test results showed that the iodine value of quantity adsorption and volume adsorption of formed activated carbon block decreased as ratio of binder increased, the penetration rate of formed activated carbon block decreased with increasing ratio of binder when using carboxymethylcellulose as binder, and the penetration rate first decreased a little, then increased with increasing ratio of binder when using polyvinyl alcohol as binder. The adsorption behavior of formed activated carbon block binded by carboxymethylcellulose was better; the iodine value of quantity adsorption and volume adsorption was 418.8211 mg/cm3on 10% of carboxymethylcellulose.

sugarcane bagasse; powdered activated carbon; formed activated carbon block

TQ424.1

A

2011-01-12;

2011-05-28

張承龍（1975－），男，江蘇昆山人，副教授，博士，研究方向為固體廢物處理與資源化，電子郵箱clzhang@eed.sspu.cn。

上海市教育委員會重點學(xué)科建設(shè)基金項目（No.J51803）粘接劑時選用310 ℃，以聚乙烯醇為粘接劑時選用330 ℃；

1001-4543(2011)03-0230-06