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竹炭比表面积影响因素的分析研究

日期:2020-03-18 11:44浏览次数:10

       摘要:选用不同种类、年龄的竹材制备竹炭,考察了炭化温度和炭化时间,以及竹材种类、年龄对竹炭的得率、比表面积等指标的影响。结果表明:竹炭得率受炭化温度和时间的影响显著,竹种之间略有差异,而与竹龄无紧密关系;竹炭比表面积主要受炭化温度和炭化时间的影响 ,在炭化温度800 ℃、炭化时间2~3h下,制得竹炭的比表面积最大。
       竹炭是以竹材为原料,经高温无氧(或缺氧) 条件下炭化处理而获得的固体产物,具有孔结构发达、比表面积大、吸附能力强、导电性能好等特点,广泛用于燃料、空气净化、环保除臭、果蔬保鲜、卫生保健、土壤改良、环境调湿等领域,也用作抗辐射与电磁屏蔽、阻燃复合及工业用半导体等材料。
       竹炭良好的吸附特性源于其发达的孔隙结构,因此,评价竹炭的吸附性解,必须要了解竹炭的比表面 积及孔径分布等情况。笔者研究和测定了不同种类、 年龄的竹材,在不同炭化温度和炭化时间条件下,所制得竹炭的比表面积,为竹炭成孔机理研究,以及制备高比表面积的竹炭,提供理论依据。
1 试验材料与方法
1.1 材料
       ① 毛竹,竹龄为2、4和6年;②雷竹,竹龄为1、2 和3年,均采于浙江富阳;③ 大木竹;④ 绿竹;试材均放置至气干 ,含水率为8%~12%。
1.2 仪器
       GSL 1600X管式电炉,气流式干燥箱,电子天平 ,数显千分表 (DIGICO10),比表面积及孔隙分析仪(氮气吸附原理)。
1.3 方法
1.3.1 竹炭制备
       参照GB/T 1578021995《竹材物理力学性质试验方法》,将试材加工成弦向和纵向均为10mm的竹块 ,然后置于气流干燥箱中,在(103±2)℃条件下烘至绝干;再放入管式电炉中,在惰性气体保护下,以3℃/min 的速度从 室温升温至285℃;保温30min后,再以8℃/min 加热到最终炭化温度,恒定一段时间后,降至室温。
1.3.2 试验设计
       采用单因素试验法,考察炭化温度、 炭化时间、竹种和竹龄的影响。各试验的样本数均为10。
       1)炭化温度的影响:选取500~1500℃范围内的 7个水平,以4个竹种的2年生试材为研究对象,炭化时间固定为2h。
       2) 炭化时间的影响:炭化时间定为015、110、 210、310和510h共5个水平;试材选用6年生毛竹,3年生大木竹、绿竹和雷竹;炭化温度根据单因素影响试验结果而确定。
       3) 竹种的影响:选用目前开发利用较少的竹种, 如大木竹、绿竹和雷竹,与毛竹作对比试验,竹龄均为2年。根据各自单因素试验结果,确定炭化温度和炭化时间。
       4) 竹龄的影响:选用了1~3年竹材,根据单因 素试验结果,确定炭化温度和炭化时间。
1.3.3 测试方法
       1) 按竹炭质量占试材绝干质量的百分数计算竹炭得率,取其算术平均值。
       2) 将块状竹炭磨成200目竹炭粉,参照GB/T 1958722004《气体吸附BET法测定固态物质比表面积》及ASTM D4641294《 Standard practice for calculation of pore size distribution of catalysts from nitrogen desorption isot herms》测量竹炭比表面积及孔径分布;根据BET[324] (Brunauer Emmet Teller) 和 BJH[526] (Barret Joyner Halenda) 方法,绘制比表面积和孔径分布曲线。
2 试验结果与讨论
2.1 炭化温度的影响
       不同炭化温度制得竹炭的比表面积和得率列于表1。由表1可知,在 800℃下制得的竹炭的比表面积最大;随着炭化温度的升高,炭得率降低,其中毛竹的降幅最快。竹炭的制备过程是竹材中半纤维素、纤维素和木质素逐渐热解的过程,不同竹种的成分含量不同,可能是导致炭得率差异的原因。
不同炭化温度下的比表面积和炭得率
       图1为不同炭化温度下毛竹孔径分布曲线。600℃时,竹炭中大孔(>50nm) 占较大比例,无微孔(<2nm) ;800 ℃时,微孔体积最大,随着炭化温度继续 升高 ,微孔体积减小,中孔(>2nm且<50nm) 和大孔体积上升。由于微孔对比表面积的贡献最大,因此,800℃下竹炭的比表面积最大。
不同炭化温度下毛竹孔径体积分布
       竹材炭化热解过程主要分为:失水干燥、预热解、 快速热解和残余物缓慢分解等4个阶段,炭化温度在400℃以上时,主要是木质素的热解。结合图1可见,炭化温度在600℃时,木质素分解过程降低了中微孔的数量;但随着温度的升高,木质素热解渐充分,竹炭石墨化作用也引起了孔壁变薄。因此,在800℃时,竹炭的比表面积达到峰值。随着温度继续升高,木质素进一步热解,导致大量中孔和大孔的形成,故竹炭的比表面积又呈减少趋势。
2.2 炭化时间的影响
       固定炭化温度为800℃,考察炭化时间对竹炭比表面积和得率的影响,结果列于表2。表2表明,炭化时间210~310h 时,竹炭比表面积最大;4 种竹材的最大比表面积相当;炭得率随炭化时间的变化不大。
竹炭不同炭化时间下的比表面积和炭得率
       结合毛竹孔径分布曲线(图 2) 可见 ,随着炭化时间的延长 ,竹炭的中微孔比例呈先增后减的趋势,因此,竹炭的比表面积亦先增后降。
不同炭化时间下毛竹孔径体积分布
       同一竹种的炭得率随炭化时间的变化不大,是由 于800℃的炭化温度条件下,竹材的主要化学成分已热解完毕,随炭化时间的延长,仅是木质素逐步炭化完全的过程。绿竹炭得率值偏低,其余竹种炭得率相差不大,其差异亦可能在于竹种的主要化学成分含量不同。
       对表1~2数据的方差分析结果表明,炭化温度 和炭化时间对竹炭的得率均有显著性影响。以毛竹为例 ,取α=0101水准时,F温度=250110> F0101(663)=3110,F时间=40132>F0101(445)=3177。其中炭化温度的影响更显著。
2.3 竹种、竹龄的影响
       固定炭化温度800℃、炭化时间2h ,考察竹材种 类和年龄的影响,结果见表3。
       由表3可见,对同一竹种,随着竹龄增长,绿竹炭的比表面积有下降趋势,其他竹种则无明显的规律;竹种间相差不大,特别是2年生毛竹、大木竹和绿竹与3年生雷竹的比表面积相近。
竹炭的不同竹龄的比表面积和炭得率
       总体而言 ,竹种对竹炭的比表面积影响不大,竹龄虽对其有一定的影响,但规律不明显。同一竹种的炭得率随竹龄变化不大,而竹种之间稍有差异。
3 结论
       1) 炭化温度和炭化时间对竹炭得率均有显著性 影响,同一竹种的炭得率随竹龄变化不大,而竹种之间稍有差异。
       2) 竹炭的比表面积主要受炭化温度和炭化时间 的影响,其次是竹龄,与竹种的关系不明显。在本试验条件下,为获得最大比表面积竹炭,最佳炭化温度为800℃,炭化时间为2~3h。

来源:竹炭比表面积影响因素的分析. 程海涛 , 傅金和 , 王戈 , 余雁 , 田根林. 国际竹藤网络中心