氢氧化钠活化杉木屑制备活性炭的研究

连东红

(武夷山市林业总公司，福建 武夷山 353000)

木质活性炭的生产原料品种较多，主要为木材、竹子、果壳等[1]农林废弃物。我国作为林业大国之一，拥有较多品种和数量的木材，可为制备各类活性炭提供不同的原材料，为我国木质活性炭的生产和发展打下坚实的基础和有力的保障[2]。采用这些价格低廉、可再生的原材料来制备活性炭，结合适当的工艺参数，不仅能制得良好的活性炭，还能节省资金，起到保护环境的效果。

为了制备性能较佳的活性炭产品，国内外研究者采用氢氧化钠活化法制备活性炭。YingZhang等[3]采用氢氧化钠为活化剂，制备稻壳基活性炭，并用于吸附硝酸根离子；Konno等[4]研究了氢氧化钠碱活化法制备生物质基活性炭及其在双电层电容器中的应用；叶厉等[5]提出以稻壳炭化料为原料，采用NaOH化学活化法制备活性炭；黄镇等[6]采用KOH/NaOH作为椰壳活性炭的活化扩孔剂，并对活性炭的孔隙结构的变化规律进行分析；孔德国等[7]以棉花杆生物炭为原料，采用氢氧化钠活化法制备活性炭，并对活性炭的持水能力进行研究。综上所述，氢氧化钠活化法制备活性炭的原料主要为炭化料，而直接采用木质材料为原料的研究较少。本文以氢氧化钠作为活化扩孔剂，采用杉木屑为原料制备活性炭，对制备过程中的活化时间、氢氧化钠浓度和活化温度等工艺参数的影响进行讨论，可望为木质原料的综合利用提供途径，并为活性炭的氢氧化钠法生产提供基础数据。

1 实验

1.1 原料与试剂

杉木屑来源于福建省南平市，取粒径0.38～0.15 mm的杉木屑为原料。碘、亚甲基蓝、氢氧化钠等化学药品购于国药集团化学试剂有限公司，均为分析纯。

1.2 活性炭的制备

将0～10%的氢氧化钠溶液与杉木屑按液比3∶1混合。混合均匀后，在烘箱105 ℃下烘干，并在800、850、900、950 ℃下进行活化处理0.5、1.0、1.5 h。活化结束后冷却至室温，取出活化料，进行酸洗、水洗直到洗涤液呈中性，并于105 ℃下烘干，然后将烘干样粉碎至0.15 mm，即可得到木质活性炭。

1.3 活性炭性能测试

根据GB/T 12496.10—1999木质活性炭试验方法亚甲基蓝吸附值的测定法[8]和GB12496.8—2015木质活性炭试验方法碘吸附值的测定法[9]测定亚甲基蓝吸附值和碘吸附值。

2 结果与分析

2.1 木质活性炭的得率分析

木质活性炭在不同活化时间、氢氧化钠浓度和活化温度下的得率变化趋势见图1。木质活性炭的得率随活化温度的增高呈不断下降的趋势。在800～850 ℃阶段，木质活性炭的得率降低较大，从15.50%下降至9.88%；在850～950 ℃阶段，木质活性炭的得率降低较小。木质活性炭的得率随氢氧化钠浓度的增大不断下降，氢氧化钠质量分数在2.5%～10%阶段，得率降低较小，与未使用氢氧化钠溶液(即质量分数0 %)活化相比，得率降低幅度较大。木质活性炭的得率随活化时间的延长不断下降。这是由于随着活化温度、氢氧化钠浓度和活化时间的增加，活性炭的活化反应进行得较彻底，氢氧化钠对木质材料的刻蚀量增加，炭化料的骨架结构也受到破坏，因此，木质活性炭的得率随活化温度、氢氧化钠浓度和活化时间的增加不断下降。

图1 不同工艺对木质活性炭得率的影响

2.2 活化温度对活性炭性能的影响

将2.5%的氢氧化钠与木屑混合，在800～950 ℃下活化1 h，制备木质活性炭，活化温度对木质活性炭吸附性能的影响见图2。由图2可知，木质活性炭的吸附能力随着活化温度的升高呈先升后降的趋势，850 ℃时，碘吸附值、亚甲基蓝吸附值最大，分别为693.1、75 mg·g-1。产生这种现象的原因是：较高的活化温度有利于提高氢氧化钠的刻蚀作用，从而使制得的木质活性炭具有发达微孔和中孔等类型的孔隙结构[10]。然而，过高的活化温度，将导致活化的能量提高，活化作用提升，加剧了相邻孔隙间孔壁的坍塌，从而导致微孔和中孔等类型的孔隙扩大，故碘吸附值和亚甲基蓝吸附值呈下降现象。

2.3 氢氧化钠浓度对活性炭性能的影响

将0～10%的氢氧化钠与木屑混合，在850 ℃下活化1 h，制备木质活性炭，氢氧化钠浓度对活性炭吸附性能的影响见图3。由图3可知，木质活性炭的碘吸附值、亚甲基蓝吸附值随着氢氧化钠浓度的增加呈先升后降的趋势，在氢氧化钠质量分数为5.0%时达到最大值，分别为753.2、102 mg·g-1。氢氧化钠质量分数在0～5.0%范围内，木质活性炭的吸附性能有较大提升。其原因是：随着氢氧化钠浓度的提高，碳原子的消耗量在活化进程中增加，促进了木质活性炭微孔和中孔等类型的孔隙结构的发达。然而，随着氢氧化钠浓度的进一步提高，吸附值反而降低，这是由于随着氢氧化钠浓度的增加，提高了其扩孔效应，引起了微孔和中孔等类型的孔壁塌陷。

2.4 活化时间对活性炭性能的影响

将2.5%的氢氧化钠与木屑混合，在850 ℃下活化0.5～1.5 h，制备木质活性炭，活化时间对活性炭吸附性能的影响见图4。木质活性炭的吸附性能随着活化时间的延长先升后降，在1.0 h时达到最大，碘吸附值、亚甲基蓝吸附值分别为693.1、75 mg·g-1。其原因是：原料中碳原子的消耗随着活化时间的延长增加，有利于促进木质活性炭的孔隙结构的增加。然而，活化时间的增长，微孔和中孔等类型的孔壁不断坍塌，产生扩孔反应，使得其吸附能力降低。

图4 不同活化时间对吸附性能的影响

3 结论

随着活化时间、氢氧化钠浓度和活化温度的增加，木质活性炭的得率不断下降；木质活性炭的吸附值呈先上升后下降的趋势。在较优的工艺条件：活化温度850 ℃、氢氧化钠浓度为2.5%、活化时间1.0 h下，木质活性炭的碘吸附值为693.1 mg·g-1、亚甲基蓝吸附值为75 mg·g-1。