史晟，張素英

(1.太原理工大學(xué) 輕紡工程學(xué)院，山西 晉中 030600；2.太原理工大學(xué) 現(xiàn)代科技學(xué)院，山西 太原 030024)

活性炭由于其優(yōu)異的多孔結(jié)構(gòu)以及巨大比表面積，在吸附、催化劑、催化劑載體、電容器和電極等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。制備活性炭的原料非常廣泛，包括生板栗殼、核桃果皮、核桃殼、扁桃殼、花生殼、小麥秸稈、杉木屑、煙桿、棗核、稻殼、甘蔗渣、棉花秸稈、造紙污泥等[2-5]。近年來，隨著研究人員的不懈努力，活性炭的制備技術(shù)不斷提高，制備成本逐漸降低。其中，以生物質(zhì)廢料為原材料制備活性炭最為突出，不僅成本大大降低，而且所制備活性炭的吸附性能較優(yōu)異[6-7]。

制備活性炭的方法，根據(jù)活化劑不同可分為化學(xué)活化法、物理活化法和化學(xué)物理聯(lián)合活化法[8]三種。化學(xué)活化法所用到的活化劑主要有氯化鋅、氫氧化鉀、磷酸以及碳酸鉀；物理活化法的活化劑主要是水蒸氣和二氧化碳；化學(xué)物理聯(lián)合活化法所用活化劑既有化學(xué)活化劑也有物理活化劑[9-11]。在制備活性炭的過程中，預(yù)處理(物理和化學(xué))對制得的多孔性活性炭材料的結(jié)構(gòu)和性能影響很大[12-13]。

本文采用預(yù)處理-凝膠化-碳化的工藝制備活性炭，具體探討球磨處理對棉纖維結(jié)構(gòu)的影響，通過掃描電鏡、紅外光譜以及XRD測試手段表征球磨預(yù)處理對棉纖維結(jié)構(gòu)的影響；然后以不同粒度的棉粉末制備棉凝膠，利用凝膠的特殊結(jié)構(gòu)達(dá)到造孔目的，最終炭化制備活性炭產(chǎn)物，研究了粒度對所制產(chǎn)物的吸附性能的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

棉織物；氫氧化鈉、尿素、碘、鹽酸均為分析純。

智能型-T系列高溫管式爐；HH-2J電動攪拌水浴鍋；DHG-9075A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；FA1004N電子天平；Spectrum GX-IR-1730紅外光譜儀；TD-3000X X射線衍射儀；JSM.6700F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡。

1.2 實驗方法

將棉織物剪小，撕成纖維狀，球磨預(yù)處理，得到不同粒度的棉粉末，分別記為L1、L2、L3、L4(L1=0.15～0.3 mm，L2=0.075～0.15 mm，L3=0.038 5～0.075 mm和L4<0.038 5 mm)。

分別稱一定量的不同粒度的棉粉末，加入到氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%、尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的氫氧化鈉/尿素溶液中，配制棉粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的混合料，用轉(zhuǎn)速600 r/min的電動攪拌機攪拌30 min，形成均一溶液。溶液用保鮮膜密閉，放入-5 ℃的冰箱中冷凍12 h。取出，用電動攪拌機劇烈攪拌解凍，直至形成透明無氣泡且黏度大的膠體為止。凝膠用蒸餾水浸泡2 d，期間更換3次蒸餾水，確保凝膠中的溶質(zhì)全部被置換掉，保證凝膠的純度。凝膠放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中在50 ℃下干燥5 h。放入高溫管式爐中碳化，氮氣氣氛，升溫速率為10 ℃/min，在400 ℃保溫1 h，在900 ℃保溫2 h。以15 ℃/min的降溫速率，降溫至200 ℃，自然冷卻至常溫。將炭化活化，用蒸餾水清洗干凈，烘干，即為活性炭。

1.3 分析方法

采用紅外光譜儀對棉粉末和所得的產(chǎn)物的官能團進(jìn)行研究。

采用X射線衍射儀(40 kV，30 mA，CuKα，λ=1.540 6)分析棉粉末和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)。

用場發(fā)射掃描電子顯微鏡表征棉粉末和產(chǎn)物的微觀形貌。

對實驗所得產(chǎn)物進(jìn)行碘吸附值測試，碘吸附值采用GB/T 12496.8—1999《木質(zhì)活性炭試驗方法碘吸附值的測定》進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 球磨預(yù)處理棉纖維粉末的形貌結(jié)構(gòu)

樣品進(jìn)行噴金處理，圖1為棉粉末和棉纖維掃描電鏡圖。

圖1 不同粒度棉粉末與棉纖維SEM圖

由圖1可知，棉纖維表面光滑，形狀為扁平狀，結(jié)構(gòu)較為致密。4種不同粒徑的棉粉末的形貌均為類圓片狀，表面不平整，結(jié)構(gòu)不致密，較疏松，不同粒徑間棉粉末顆粒形狀基本相同，看不出明顯的區(qū)別。相比于棉纖維，棉粉末比表面積大大增加，在溶解過程中增加與溶劑的接觸面積，使溶解效率提高，同時，棉粉末表面更加粗糙、疏松，試劑溶液更易浸入棉中[14]?？傊?，球磨處理之后所得的棉粉末更容易溶解。本文以上述4種粒徑棉粉末分別制備棉凝膠塊，進(jìn)一步炭化，制備活性炭。

2.2 球磨預(yù)處理對棉纖維物化結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 紅外光譜 棉纖維與棉粉末的紅外光譜圖見圖2。

圖2 不同粒度棉粉末與棉纖維的紅外光譜圖

2.2.2 X射線衍射 由圖3可知，棉纖維分別在2θ=15，25，37.5°處有衍射峰，而棉粉末僅在2θ=22°有微弱的衍射峰。衍射峰數(shù)量變少，峰強變?nèi)?，說明球磨處理不僅破壞棉纖維的非結(jié)晶結(jié)構(gòu)，而且結(jié)晶結(jié)構(gòu)也被破壞。不同粒徑的棉粉末具有相同的衍射峰，都在2θ=22°左右有明顯的寬峰，證明不同粒徑下的棉粉末具有相同的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，粒徑小的棉粉末的衍射峰更加尖銳，說明粒徑小的棉粉末相對結(jié)晶度更高[16-17]。棉纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，棉粉末結(jié)晶度相對較低，在溶解棉粉末過程中，試劑更容易浸到纖維素大分子之間，縮短溶解時間，提高溶解效率。

圖3 不同粒度棉粉末與棉纖維的XRD圖譜

2.3 活性炭形貌

圖4為不同粒徑棉粉末所制備的活性炭產(chǎn)物的掃描電鏡圖片，圖a、b、c和d分別為棉粉末粒徑L1、L2、L3和L4所制活性炭產(chǎn)物。

圖4 不同粒度棉粉末制得活性炭產(chǎn)物SEM圖

觀察可知，4種不同粒徑下的碳化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)中都有孔洞存在，并且隨著原材料粒徑的變小，其對應(yīng)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中的孔洞變多，尺寸也在變小，棉粉末粒徑為L1的碳化產(chǎn)物的電鏡圖譜中，可看到最多的小孔洞。棉粉末粒徑對所制備活性炭產(chǎn)物有影響，隨著產(chǎn)物粒徑的變小，所制活性炭的產(chǎn)物孔洞越小。

2.4 產(chǎn)物的吸附性能

4種粒徑產(chǎn)物的碘吸附值見圖5。

圖5 不同粒徑棉粉末碳化產(chǎn)物碘吸附量

由圖5可知，隨著粒徑增大，碘吸附值呈下降趨勢。棉粉末粒徑0.075～0.15 mm時，所制備的活性炭產(chǎn)物的碘吸附值最高，為1 144 mg/g，4種不同粒徑所制備的活性炭產(chǎn)物的碘吸附值都滿足國家一級標(biāo)準(zhǔn)。原因可能是，隨著棉粉末粒徑變小，溶液越容易溶解棉，在相同的時間里，粒徑小的棉粉末溶解效果更好，會形成更加均一的凝膠塊，導(dǎo)致所制活性炭產(chǎn)物的孔洞更加均一，吸附性能越好[18-19]。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)球磨處理的棉粉末，表面官能團種類減少，結(jié)晶度較低，結(jié)構(gòu)較疏松，更加容易被溶解。

(2)由不同粒徑棉粉末制備的活性炭，吸附性能良好。粒徑0.075～0.15 mm制備的活性炭，碘吸附值最高為1 144 mg/g，滿足國家一級品標(biāo)準(zhǔn)要求。