第３Ｏ卷第４期 西南林学院学报 Ｖ０１．３Ｏ Ｎｏ．４ ２０１０年８月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＵＴＨＷＥＳＴ Ｆ０ＲＥＳＴＲＹ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ Ａｕｇ．２０１０ 微波化学活化法制备活性炭的研究 谭非，李建雄，林秀兰，黄彪 （福建农林大学材料工程学院，福建福州３５０００２） 摘要：以马尾松木屑为原料，碳酸钾为活化剂，对微波法制备活性炭进行研究。以亚甲基蓝吸附值 及活性炭得率为指标，考察活化剂浸渍时间、浸渍比、微波辐照时间及微波功率对制备活性炭的影 响，并对制备的活性炭吸附等温线及比表面积进行表征。 关键词：松木屑；活性炭；微波加热；碳酸钾；吸附 中图分类号：￥７８５；ＴＱ４２４．１９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—７１７９（２０１０）０４—００６８—０４ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｃａｒｂｏｎ ｗｉｔｈ … Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ－ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ‘ １一’ ‘１ Ａｃｔｉｖａｔｉ一 ‘ ｏｎ ＴＡＮ Ｆｅｉ，ＬＩ ｊｉａｎ—ｘｉｏｎｇ，ＬＩＮ Ｘｉｕ—ｌａｎ，ＨＵＡＮＧ Ｂｉａｏ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｆｕｊｉａｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ａｎｄ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ Ｆｕｊｉａｎ ３５０００２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｆｒｏｍ ｓａｗｄｕｓｔ ｏｆ Ｐｉｎｕｓ ｍａｓｓｏｎｉａｎａ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｗｉｔｈ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ． ａｓｓｉｓｔｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｃａｒｂｏｎａｔｅ ａｓ ａｃｔｉｖａｔｏｒ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｉｍｐｒｅｇｎａｔｉｎｇ ｔｉｍｅ，ｒａｔｉｏ ｏｆ ｐｏｔａｓ－ ｓｉｕｍ ｃａｒｂｏｎａｔｅ ｔｏ ｐｉｎｅ ｓａｗｄｕｓｔ，ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｐｏｗｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒ— ｂｏｎｓ ｗｅｒｅ ｅｘｐｌｏｒｅｄ，ａｎｄ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｉｓｏｔｈｅｒｍ ａｎｄ ｓｐｅｃｉａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａ ｏｆ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｗｅｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ－ ｉｚｅｄ ｂｙ ｔａｋｉｎｇ ａｂｓｏｒｐｔｉｖｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｍｅｔｈｙｌｅｎｅ ｂｌｕｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ ａｓ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｉｎｅ ｓａｗｄｕｓｔ；ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ；ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｈｅａｔｉｎｇ；ｐｏｔａｓｓｉｕｍ ｃａｒｂｏｎａｔｅ；ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ 马尾松（Ｐｉｎｕｓ ｍａｓｓｏｎｉａｎａ Ｌａｍｂ）是重要的用 性炭，研究的相对较少。本文以马尾松木屑为原 材树种，其经济价值高，广泛应用于造纸业、建筑 料，碳酸钾为活化剂，探寻微波制备活性炭的影响 业以及枕木、胶合板等的生产，由此产生的马尾松 因素。 废弃物数量巨大，利用这些弃物作为原料制备活 性炭，不仅可以提高木材的利用率，而且可以创造 １试验材料与方法 更高的经济效益。微波加热具有加热均匀、热效 １．１试验仪器及试剂 率高、清洁无污染、启动和停止迅速以及改善材料 主要试验仪器有：比表面积及孔隙测定仪（ＳＳＡ 性能等优点，已广泛应用于材料、环保、化工、农 一４３００，北京彼奥德电子技术有限公司生产），微波 业、石油、冶金、家庭和国防等领域，近年来得到广 炉（Ｇ ８０２３ ＣＳＬ—Ｋ３，南京奥润微波公司生产）。主 泛研究＿ｌ一 。化学法制备活性炭，常用的活化剂 要试剂有：碳酸钾（分析纯），盐酸（分析纯），亚甲基 为磷酸及氯化锌，用氢氧化钾等为活化剂则主要 蓝（分析纯），磷酸氢二钠（分析纯），磷酸二氢钾（分 制备高比表面活性炭。而利用来源丰富，价格相 析纯），均由国药集团化学试剂有限公司提供。 对低廉的碳酸钾作为活化剂并结合微波法制备活 试验原料为马尾松废弃物，在洗涤、自然风干后 收稿日期：２０１０—０３—０４ 基金项目：国家自然科学基金项目（３０７７１６８２）资助；福建省科技厅星火计划项目（３１８２）资助；福建青年创新基金（２００６Ｆ３０１０）资助；福建 农林大学校基金（０６Ａ０２）资助。 第１作者：谭非（１９７１一），男，博士，讲师。研究方向：生物质的开发及利用。Ｅ．ｍａｉｌ：１００１ｉｆ＠１６３．ＣＯｌｇｌ。 第４期 谭非等：微波化学活化法制备活性炭的研究 破碎，并过６０目筛得到松木屑。 １．２试验装置 微波加热化学法制备活性炭试验装置见图１。 １．氮气瓶；２．缓冲罐；３．保温材料；４．托盘； ５．三通管；６．石英试管；７．微波炉。 图１微波加热化学法制备活性炭试验装置 １．３试验方法及流程 微波加热化学活化法制备活性炭的工艺流程见 图２。将经过破碎过筛的废弃物松木屑用一定浓度 的碳酸钾在３ｏ℃下浸渍一定时间，在不同的功率、 时间、浸渍比下用微波加热进行活化。除去未炭化 木屑，活化后的产品采用盐酸溶液酸洗，蒸馏水反复 漂洗后，使物料的ｐＨ为６．５～７．０，烘干２ ｈ，最后粉 碎得到活性炭样品。对不同条件下制备的活性炭样 品进行亚甲基蓝吸附性能测定及炭得率测定。 图２微波加热化学活化法制备活性炭工艺流程 １．４活性炭性能测定与表征 亚甲基蓝吸附值参照国家标准ＧＢ／Ｔ １２４９６．１０—１９９９进行测定。采用ＳＳＡ一４３００型比 表面积及孔隙测定仪测定活性炭比表面积，以高纯 氮为吸附介质，在７７ Ｋ、相对压力值为１Ｏ～一１下进 行氮吸附量测定。所测得的吸附等温线利用ＢＥＴ 法计算活性炭的总比表面积，由ＢＪＨ法求得试样的 孔容积。 ２结果与分析 ２．１浸渍比对活性炭性能的影响 设定微波功率为３００ Ｗ、微波作用时间为５ ｍｉｎ、浸渍时间为２４ ｈ，不同浸渍比下马尾松木屑制 备活性炭的得率及活性炭亚甲基蓝吸附值见图３。 由图３可知，随着浸渍比的不断加大，活性炭的 亚甲基蓝吸附值及得率逐渐增加。在到达峰值后， 随着浸渍比的进一步增加，活性炭的得率和亚甲基 蓝吸附值均下降。其原因可能是，浸渍比较低时，木 屑中碳酸钾浓度较低，成炭能力较弱，因此，活性炭 得率及吸附性能较低；随着浸渍比的增大，成炭能力 增加，活性炭得率增加；松木屑中的钾离子浓度增 加，增加了原料的导电性和微波吸收能力，将微晶边 缘的Ｃ原子氧化烧失而形成孔，形成的孑Ｌ隙增加， 进而得率及吸附性能增大 ｌ 。随着碳酸钾浓度的 进一步增大，原料吸收的热量大大增加，在相同作用 时间下，孔隙活化扩大并且炭烧蚀现象严重，因此得 率大大降低，同时破坏了活性炭的孔隙结构，使吸附 效果降低。 ？ 薹 蓦 浸渍比 ＋亚甲基蓝吸附值＋炭得率 图３浸渍比对炭得率和亚甲基蓝吸附值的影响 ２．２浸渍时间对活性炭性能的影响 当浸渍比为１．５、微波功率为３００ Ｗ、微波辐照 时间为５ ｍｉｎ时，不同浸渍时间下马尾松木屑制备 活性炭的得率及活性炭亚甲基蓝吸附值见图４。 ； ？ 吕 一 道 菩 醐 旺 ．＿｜｜＿亚甲基蓝吸附值＋炭得率 图４浸渍时间对炭得率和亚甲基蓝吸附值的影响 由图４可知，随着浸渍时间的增加，活性炭的得 率和亚甲基蓝吸附值呈现先增加后减小的趋势。浸 ７０ 西南林学院学报 第３０卷 渍时间为２４ ｈ左右时，活性炭的得率达到最大值。 若浸渍时间过短，碳酸钾渗透到木屑中的量不够多， 钾离子浓度过低，吸收微波的能力不高，因而成炭效 果不佳。随着浸泡时间的增加，碳酸钾更多的渗透 到木屑中，钾离子在木屑中的浓度随着浸泡时间的 增加而增加，导致吸收微波的能力增加，成孔作用明 显，活性炭的吸附性能及得率均升高；浸渍时间的进 一步延长，导致活性炭烧蚀严重，因此，得率及吸附 值均下降。 ２．３微波功率对活性炭性能的影响 当微波辐照时间为５ ｒａｉｎ、浸渍比为１．５、浸渍 时间为２４ ｈ，不同微波功率时的活性炭得率及亚甲 基蓝吸附值见图５。 ： ３８ ３６ 一 。 ３４ ● ３２ 吕 一 ３０ ｝四 ２８孬 普 ２６ ２４ ＝回５｛ ２２ ２０ １８ １６ ——亚甲基蓝吸附值＋炭得率 图５微波功率对炭得率和亚甲基蓝吸附值的影响 由图５可知，随着微波功率的加大，活性炭的得 率一直下降，而亚甲基蓝的吸附值呈现先增大后减 小的趋势。在试验中发现，活性炭和碳酸钾对微波 均有较强的吸收能力，表现为分别对活性炭和碳酸 钾微波辐照，温度均明显提高。因此，认为低辐照功 率下，活性炭所获得的微波能量较低，温度较低，活 化不充分，烧蚀率小，生成的孑Ｌ隙不够丰富，吸附性 能不强；而辐照功率过高，很快升高到较高的温度， 活化反应剧烈使边缘处的ｃ原子部分烧失，孔径变 大，吸附性能下降。 ２．４微波辐照时间对活性炭性能的影响 当微波功率为３００ Ｗ，采用浸渍比为１．５及碳酸钾 浸渍２４ ｈ，微波化学法制备松木屑活性炭中，微波辐照 时间对活性炭得率及亚甲基蓝吸附值的影响见图６。 由图６可知，活性炭得率在同一条件下随着微 波辐照时间的延长而逐渐降低，亚甲基蓝吸附值随 时间的增加先迅速升高后降低，在微波辐照时间４ ｍｉｎ时达到最大。而后由于时问的延长炭烧蚀越来 越严重，而活性炭也因为活化时间增加，微孔进一步 变化成中孔和大孔，吸附效果因此下降。 ４４ ： ４２ 一 ４０ ０ ３８ ● 宣 ３６ 一 ３４ ３２ 菩 ３０ ２８ ２６ 巳 ２４ ２２ ２０ １８ —・亚甲基蓝吸附值— 炭得率 图６微波辐照时间对炭得率和亚甲基蓝吸附值的影响 ２．５最佳工艺的确定 在以上试验基础上，以浸渍比、浸渍时间、微波 功率、辐照时间为因素进行正交试验，通过优化实 验¨ ，确定制备活性炭的最佳工艺为：微波功率 ６００ Ｗ，微波辐照时间６ ｍｉｎ，碳酸钾浸渍时间２４ ｈ， 浸渍比２．０，亚甲基蓝吸附值为１９０ ｍＬ／ｇ，碘吸附值 为１ １１５．１９ ｍｇ／ｇ，炭得率２９．５％，超过国家标准 ＧＢ／Ｔ １２４９６．１０—１９９９的要求。 ２．６ Ｎ：吸附等温线分析 优化条件下活性炭的吸附等温线见图７。 相对压力／（ｐ‘ｐｏ ） 图７ Ｎ：吸附等温线 吸附等温线中吸附曲线并非呈水平状，而是有 一定斜率，说明活性炭中孔较为发达，拖尾现象说明 样品中存在一定数量的大孔。亚甲基蓝吸附值的大 小通常表示中孔的多少，样品亚甲基蓝测定值较高， 也印证了该法制备的活性炭具有较发达的中孔。 第４期 谭非等：微波化学活化法制备活性炭的研究 ７ｌ ３结论 ［４］ Ｈｓｕ Ｌ Ｙ．Ｔｅｎｇ Ｈ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｒｅａ— ｇｅｎｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎｓ ｆｒｏｍ ｂｉｔｕｍｉ— 以松木屑为原料、碳酸钾为活化剂，采用微波化 学法制备活性炭，并对其影响因素及活性炭性能进 行研究，结果表明微波辐照法比传统方法制备活性 炭工艺简单、耗时短。在最佳工艺（微波功率６００ Ｗ、微波辐照时间６ ｍｉｎ、碳酸钾浸渍比２．０、浸渍时 ［５］ ｎｏｕｓ ｃｏａｌ『Ｊ］．Ｆｕｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ，２０００，６４（２）：１５５ —．１６６． Ｅｖａｂｓ Ｍ Ｊ Ｂ．Ｈａｌｌｉｏｐ Ｅ．ＭａｃＤｏｎａｌｄ Ｊ Ａ Ｆ．Ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃ— ｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ—ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ［Ｊ］．Ｃａｒｂｏｎ，１９９９， ３７（２）：２６９—２７４． ［６］ 庄凯，梁逵，李兵红，等．微波活化制备双电层电容器 间２４ ｈ）条件下，制得活性炭的亚甲基蓝吸附值为 用活性炭的研究［Ｊ］．电子元件与材料，２００６，２５（６）： １９０ ｍＬ／ｇ，炭得率２９．５％，吸附性能较大程度超过 １８—２０． 了国家标准，经过吸附等温线及亚甲基蓝吸附值的 ［７］ 吴炳智，秦学功，李永生．微波辐射甘蔗渣制造活性炭 相互印证，认为该活性炭微孔较多，同时中孔发达。 的试验研究［Ｊ］．浙江化工，２００６，３７（４）：３—５． 试验中发现，浸渍木屑中水及其含量，对于改善活性 ［８］ 蒋卉，蒋文举．微波法制玉米秸秆活性炭工艺条件及性 炭品质及得率均有重要影响，对于其中的机理及影 能研究［Ｊ］．林产化学与工业，２００５，２５（４）：９１—９３． 响值得进一步研究。 ［９］ 蒋文举，江霞，朱晓帆，等．微波处理对活性炭孔隙结 构的影响［Ｊ］．林产化学与工业，２００４，２４（１）：２１—２４． ［参考文献］ ［１０］ 谢志刚，刘成伦．微波辐射法制备活性炭的应用研究 进展［Ｊ］．化学研究与应用，２００６，１８（４）：３５０—３５１． 张利波．烟杆基活性炭的制备及吸附处理重金属废 ［１］ 樊希安，彭金辉，秦文峰，等．微波辐射处理竹废料制备活 水的研究［Ｄ］．昆明：昆明理工大学，２００７：５６． 性炭研究［Ｊ］．林产化学与工业，２００３，２３（３）：５６—６０． ［１２］ 谭非，王彬元，林金春，等．微波加热化学活化法制备 ［２］ 林秀兰．微波辐射在木质纤维原料热化学加工中的应 活性炭的优化工艺研究［Ｊ］．生物质化学工程，２０１０， 用［Ｊ］．化工学报，１９９９，５０（３）：４２１—４２７． ４４（１）：１—４． ［３］ 丁之恩，周学辉，石苏华，等．微波一催化剂法制取山 核桃壳活性炭的研究［Ｊ］．经济林研究，２００３，２１（４）： ４７—５０ （责任编辑赵粉侠曹龙） ◆●●◆●◆●●◆●●●●●●◆◆●●●◆◆●●●◆◆●●◆●◆●●●◆●◆◆●●◆●◆◆◆ （上接第６７页） ｔｉｅｓ ｆｏｒ Ｖｉｓｕａｌｌｙ Ｇｒａｄｅｄ Ｌｕｍｂｅｒ［Ｓ］．ＵＳＡ：ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａ－ ［参考文献］ ｔｉｏｎａｌ，２００６． ［７］ 任海青，郭伟，殷亚方．北美规格材机械分等概述［Ｊ］． 张壁光．木材科学与技术研究进展［Ｍ］．北京：中国环 世界林业研究，２００６，１９（３）：６６—７０． 境科学出版社．２００４：４６—７５． ［８］ Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ Ｃ．Ｂｒｕｎｄｉｎ Ｊ，Ｇｒｕｂｅｒ Ｒ Ａ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ 王立海，杨学春，徐凯宏．木材无损检测技术的研究现 Ｍａｃｈｉｎｅ Ｓｔｒｅｓｓ Ｇｒａｄｉｎｇ ａｎｄ Ｔｈｒｅｅ Ｖｉｓｕａｌ Ｇｒａｄｉｎｇ Ｓｙｓ— 状与进展［Ｊ］．森林工程，２００１，１７（６）：１～３． ｔｅｍｓ『Ｍ １／／Ｓｗｅｄｉｓｈ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎ— 梁善庆，蔡智勇，王喜平，等．北美木材无损检测技术 ｓｔｉｔｕｔｅ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｓｔｒｅｓｓ ｇｒａｄｉｎｇ ｏｆ Ｓｗｅｄｉｓｈ 的研究与应用［Ｊ］．木材工业，２００８，２２（３）：５—８． ａｎｄ Ｇｅｒｍａｎ ｔｉｍｂｅｒ．Ｓｗｅｄｅｎ：Ｓｗｅｄｉｓｈ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｓｔｉｎｇ 中国建筑西南设计研究院．ＧＢ ５０００５－－２００３（２００５）木 ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１ ９９２：２３． 结构设计规范［ｓ］．北京：中国标准出版社，２００５． ［９］ 王朝晖，任海青，骆秀琴，等．落叶松规格材机械应力 日本农林水产省．ＪＡＳ １１５２构造用集成材 规格［ｓ］． 分等方法的研究［Ｊ］．木材工业，２００９，２３（３）：１—４． 日本：日本农林标准，２００３． ＡＳＴＭ．ＡＳＴＭ Ｄ ２４５—２００６ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ Ｅｓｔａｂ— （责任编辑赵粉侠曹龙） ｌｉｓｂｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｇｒａｄｅｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ａｌｌｏｗａｂｌｅ Ｐｒｏｐｅ￣
