1 材料与方法
1.1 原料与仪器
酸析木质素,某造纸厂提供。101-1型电热恒温鼓风干燥箱,上海市实验仪器厂生产;SX2-4-10型高温箱式电炉,上海浦东设备厂生产;HZQ-C型空气浴电动震荡器,哈尔滨市东明医疗仪器厂生产。其他基准试剂皆为分析纯。
1.2 试验方法
1.2.1 原料预处理。
将酸析木质素碾细,清除其中杂质,水洗至中性,滴加1mol/L的AgNO3溶液无沉淀后,烘干、过200目筛以备用。
1.2.2 木质活性炭的制备。
称取5 g过200目筛的酸析木质素,加入浓度40%的氯化锌溶液,按浸渍比1∶3,放在120℃陈放12 h后,开盖送至马弗炉中升温至200℃,然后按速率10℃/min升温至设定温度600℃,活化70 min。产品经酸洗、水洗后在120℃下干燥3 h后,研磨粉碎过200目筛,装瓶以待检测。
1.2.3 木质活性炭性能的测定。
灰分含量按照GB/T12496.3-1999进行;水分含量按照GB/T 12496.4-1999进行;碘吸附值按照GB/T 12496.8-1999进行;亚甲基蓝吸附值按GB/T12496.10-1999进行;A法焦糖脱色率按照GB/T12496.9-1999进行。
2 结果与分析
2.1 陈放阶段各影响因素
以得率和碘吸附值为考察指标,在固定活化时间50 min、活化温度500℃和升温速率10℃/min的情况下,选择氯化锌浓度、浸渍比、陈放时间、陈放温度4个因素,选取4个水平,进行L16(45)正交试验,考察各因素的主次影响。由表1显示,以得率为考察对象,从极差R可以看出:各影响因素的主次顺序为D>C>B>A,即陈放温度>陈放时间>浸渍比>氯化锌浓度,说明陈放温度对得率影响最大,陈放时间、浸渍比居中,氯化锌浓度最小。原因可能是:温度过高,原料过度炭化,炭量降低;温度过低,原料炭化不完全,不能以炭微晶的形式沉积,在高温下以气态小分子形式被损失掉了。就得率而言,得率越高越好,由表1可知,最佳工艺条件为D4C3B4A2,即陈放温度120℃、陈放时间8 h、浸渍比1∶3,氯化锌浓度50%。
按D4C3B4A2进行验证试验,结果得率为65.838%、碘吸附值为660.9mg/g。以碘吸附值为考察对象,从极差R′可以看出:各影响因素的主次顺序为C>D>B>A,即陈放时间>陈放温度>浸渍比>氯化锌浓度,说明陈放时间对碘吸附值的影响最大,陈放温度、浸渍比居中,氯化锌浓度最小。原因可能是:时间过长,原料过度炭化,不利于活化阶段微孔的形成;时间过短,原料炭化不完全,活化阶段需要更多的热量和时间进一步炭化,也不利于孔隙的形成。就碘吸附值而言,碘吸附值越高,活性炭的吸附性能越好,由表1可知,最佳工艺条件为C4D4B4A3,即陈放时间12 h,陈放温度120℃,浸渍比1∶3,氯化锌浓度40%。按C4D4B4A3进行验证试验,结果得率为69.22%、碘吸附值为677.13mg/g。综合考虑以上情况,陈放阶段选用的最佳制备条件为:陈放时间12 h,陈放温度120℃,浸渍比1∶3,氯化锌浓度40%。在上述最佳工艺条件下进行2次平行试验,制得了得率为69.0%、碘值为655.88mg/g的活性炭。
表1 陈化阶段正交试验结果与分析
2.2 活化阶段各影响因素正交试验
在上述陈放阶段最佳工艺条件下,仍以得率和碘吸附值作为考察指标,选择活化时间、活化温度和升温速率3个因素,选取3个水平,进行L9(34)正交试验,考察各因素的主次影响。表2显示,以得率为考察对象,从极差R可以看出,各影响因素的主次顺序为B>C>A,即活化温度>升温速率>活化时间。说明活化温度对得率影响最大,温度过高,大量的C以CO2和H2O的形式脱去,使得得率下降;若温度过低,则活化不完全,失去的小分子少,C很多被保留下来,所以得率会很高。就得率而言,得率越高越好,由表2可知,最佳工艺条件为B1C2A,即活化温度400℃、升温速率10℃/min、活化时间50min;按B1C2A1进行验证试验,结果得率为64.346%、碘值为726.58mg/g。
以碘吸附值为考察对象,从极差R′可以看出,各影响因素的主次顺序为B>A>C,即活化温度>活化时间>升温速率。说明活化温度对碘吸附值影响最大。原因可能是温度是活化过程中孔隙生成的主要因素,随着温度的升高,炭化和活化的反应速率加快,生成大量的微孔;但温度过高会使孔隙变大,碘吸附能力反而下降。就碘吸附值而言,碘吸附值越高,活性炭的吸附性能越好,由表2可知,最佳工艺条件为B3A2C1,即活化温度600℃、活化时间70 min、升温速率20℃/min。按B3A2C1进行验证试验,结果得率为66.32%、碘吸附值为744.38mg/g。综合考虑以上情况,选用的最佳制备工艺条件为:活化温度600℃、活化时间70 min、升温速率10℃/min。在上述最佳工艺条件下进行2次平行试验,制得了得率为48.84%、碘值为807.8mg/g的活性炭。
表2 活化阶段正交试验结果与分析
2.3 木质活性炭相关指标测定试验
选取陈放和活化阶段的最佳工艺条件,即陈放时间12 h、陈放温度120℃、浸渍比1∶3、氯化锌溶液浓度40%,活化温度600℃、活化时间70min、升温速率10℃/min,在此条件下制备活性炭,并对相关指标进行测定,结果得率46.39%、灰分5.29%、碘值839.68mg/g、亚甲基蓝值5.5ml/0.1g和A法焦糖脱色率120%。该试验结果表明,以酸析木质素为原料,采用氯化锌作为活化剂制备活性炭是可行的。
3 结论
(1)陈放阶段的最优试验条件为:陈放时间12 h、陈放温度120℃、浸渍比1∶3、氯化锌浓度40%。其中陈放温度是此阶段最重要的影响因素,以下依次为陈放时间、浸渍比、氯化锌浓度。
(2)活化阶段的最优试验条件为:活化温度600℃、活化时间70 min、升温速率10℃/min。活化温度对试验指标的影响最大,活化时间和升温速率次之。
(3)在上述最优试验条件的基础上,测得木质活性炭相关指标为:得率46.39%、碘吸附值839.68 mg/g、亚甲基蓝吸附值5.5ml/0.1g、A法焦糖脱色率120%、水分4.81%、灰分5.29%。
(4)用ZnCl2活化法制备棉浆木质素活性炭方法简单、节约资源、减少了环境污染,而且对于液相杂质有很好的吸附作用,具有广泛的应用前景。
环保之家为您提供最全面的环保,环保用品,净化,空气净化,环保净化品牌的装修知识点和各种环保净化的导购与在线购买服务,拥有最便宜的环保净化价格和最优质的售后服务,每天都有秒杀的抢购活动哦！敬请登陆环保之家：http://huanbao.jc68.com/
