費(fèi)騰?王龍宇?楊一中

摘 要：采用高溫炭化的方法制備竹炭的研究，討論了炭化溫度、保溫時(shí)間和升溫速率對(duì)竹炭吸附性能的影響，并對(duì)其進(jìn)行表征，以期為竹炭的制備和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：高溫炭化;竹炭;吸附

1.竹材與竹炭

竹材作為一種多孔介質(zhì)材料，熱解后形成的竹炭具有特殊的孔隙結(jié)構(gòu)，且有一定的比表面積，廣泛用于調(diào)濕、有害氣體的去除以及水體中有機(jī)污染物和重金屬的去除。近年，隨著竹材加工工業(yè)的發(fā)展，加工產(chǎn)生的竹刨花、竹屑等剩余物，如果將其用于制備竹炭、竹活性炭等環(huán)境友好型吸附材料，可為竹炭、竹活性炭的制備提供良好的原料來(lái)源。

科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，竹炭結(jié)構(gòu)是含石墨微晶的無(wú)定型碳結(jié)構(gòu)，基本保持竹材的微觀形態(tài)，導(dǎo)管內(nèi)壁存在類似層狀石墨結(jié)構(gòu);竹炭、竹活性炭對(duì)Pb的吸附，主要由其表面的–OH，C-H和C=O官能團(tuán)起作用;竹炭對(duì)水溶液中的硝酸鹽的吸附性能優(yōu)于市售活性炭。

2.竹炭制備的材料

以南平毛竹為原料（3年生），粉碎、過(guò)篩，取粒徑0.2～1mm，自然風(fēng)干后備用。

3.竹炭制備的試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)步驟

用日本KDFS.70型程序升溫爐對(duì)竹屑進(jìn)行炭化，以3～15℃/min的升溫速度到4個(gè)不同的溫度（500～1000℃）并保溫2～10h。

3.2 試驗(yàn)檢測(cè)方法

依據(jù)GB/T12496.8-1999和12496.10-1999，測(cè)定竹炭的亞甲基藍(lán)吸附值、碘吸附值。采用美國(guó)ASAP2010型全自動(dòng)比表面積分析儀對(duì)竹炭的比表面積進(jìn)行測(cè)定。

4.試驗(yàn)結(jié)果討論

4.1 溫度的影響

為了解炭化的溫度對(duì)竹炭性能的影響，研究以5℃/min的升溫速率到500～1000℃，保溫4h制備竹炭，結(jié)果表明，隨著炭化溫度的升高，竹炭的得率呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，從500℃的32.78%降低到1000℃的8.31%，原因是隨著溫度的升高，竹屑熱分解反應(yīng)進(jìn)行得激烈，燒失增大，得率降低。亞甲基藍(lán)吸附值和碘吸附值呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，在500～700℃時(shí)變化不大，700～900℃時(shí)，有了較大的增加，分別從700℃的38.5mg/g和681.2mg/g上升到900℃的235mg/g和873.9mg/g，而當(dāng)溫度繼續(xù)上升到1000℃時(shí)，又有所下降。這是由于溫度高時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行的比較激烈，能在較短的時(shí)間內(nèi)，生成發(fā)達(dá)的微孔，但溫度過(guò)高時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行的太快，反而會(huì)使微孔進(jìn)一步燒失成中孔或大孔。

4.2 保溫時(shí)間的影響

為了解保溫時(shí)間對(duì)竹炭性能的影響，研究以5℃/min的升溫速率到900℃，保溫2～10h制備竹炭，結(jié)果表明，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，竹炭的得率呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，從2h的17.92%下降到1000℃的2.06%，這是由于隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，熱分解反應(yīng)進(jìn)行得越充分，燒失增大，得率降低。亞甲基藍(lán)吸附值和碘吸附值呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，其中2～4h有較大的增加，分別從2h的175mg/g和725.1mg/g增加到4h的235mg/g和873.9mg/g，4～6h階段，也有較大的增長(zhǎng)趨勢(shì)，6h時(shí)分別達(dá)到280mg/g和947.3mg/g，6～10h階段，變化較小，基本達(dá)到平衡。這是由于保溫時(shí)間太短，活化反應(yīng)進(jìn)行得不夠充分，氧氣只在物料的表層發(fā)生反應(yīng)，沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)入里層進(jìn)行反應(yīng)，所以吸附性能比較差。保溫時(shí)間太長(zhǎng)，活化反應(yīng)進(jìn)行得比較充分，在孔隙結(jié)構(gòu)生成的同時(shí)，也有大量的孔隙結(jié)構(gòu)被燒失，故吸附性能變化不大。

4.3 升溫速率的影響

為了解升溫速率對(duì)竹炭性能的影響，研究以3～15℃/min的升溫速率到900℃，保溫4h制備竹炭，結(jié)果表明，隨著升溫速率的提高，得率、亞甲基藍(lán)吸附值和碘吸附值均呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，得率在10℃/min達(dá)到最大，為15.65%，而亞甲基藍(lán)吸附值和碘吸附值在升溫速率為5℃/min達(dá)到最大，分別為235mg/g和873.9mg/g。

這是由于升溫速率的提高可使木質(zhì)原料的熱分解加快，氣體釋放的速率加快，燒失增多，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較多合適的游離基，而且氣體析出速率增加，促進(jìn)了炭素前驅(qū)體石墨化程度的提高，不利于竹炭孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)達(dá)。得率、亞甲基藍(lán)吸附值和碘吸附值隨升溫速率的升高，變化不大，總體保持平衡，說(shuō)明升溫速率對(duì)其影響不大。

4.4 ?N2吸附等溫線的分析

吸附等溫線常用來(lái)表示吸附系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，還可以用來(lái)計(jì)算吸附劑的比表面積、孔隙體積和孔徑分布等。由圖可以看出，（1）不同保溫時(shí)間的N吸附等溫線的形狀相似，氮?dú)馕樟康脑黾硬粌H在低相對(duì)壓力下，而且在整個(gè)壓力范圍內(nèi)也是明顯的。說(shuō)明該竹炭具有較發(fā)達(dá)的中孔和微孔;（2）隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，竹炭對(duì)氮?dú)獾奈侥芰σ搽S之升高;（3）6h和8h的吸附等溫線比較接近，說(shuō)明這兩種條件下制得的竹炭孔隙結(jié)構(gòu)差不多，時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)其孔隙結(jié)構(gòu)影響不大。

6.結(jié)語(yǔ)

隨著溫度、保溫時(shí)間的增大，竹炭的亞甲基藍(lán)吸附值和碘吸附值呈現(xiàn)逐步增長(zhǎng)的趨勢(shì)。高溫炭化法可以制得微孔、中孔、大孔較發(fā)達(dá)的竹炭。

參考文獻(xiàn)：

[1]張齊生.重視竹材化學(xué)利用，開(kāi)發(fā)竹炭應(yīng)用技術(shù)[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，25（1）：1-4.

[2]戴嘉璐，郭興忠，楊輝，等.竹炭微結(jié)構(gòu)的研究[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，25（5）：743-745.