竹炭的应用研究

竹炭的应用研究邓先伦、蒋剑春、应浩、常侠、施荫锐(中国林业科学研究院林产化学工业研究所江苏南京210042)摘要:本文对竹炭的精炼，竹炭蒸汽活化法制造活性炭进行了规律性研究，对碱法制造活性炭炭作了初步控索(磷酸法制备活性炭另文论述)，得出了一些有价值的数据，并有待进一步研究和开发，现将初步结果予以发表、以供参考。关键词:竹、炭、电组、活性炭竹材的热解，包括快速热解，缓慢热解及热解后气、液、固三相产率，液相产品的化学组成已在竹材热解研究论文—竹材的快速热解(I)、竹材的缓慢热解(II)中论述。竹材热解固相产物竹炭，在20世纪90年代日本已进行了大量研究，包括炭化工艺和设备，竹炭的分类，竹炭的利用，竹炭活化特性等。由于竹材植物生长快，繁殖能力强，容易更新，且以竹材为原料生产的竹炭品质高、灰分少、细密多孔、比表面积大，吸附力强，不仅用于空气净化……，而且也用于抗辐射，电磁波屏蔽素材及某些高新技术领域。竹炭一般分为三类:低温炭——炭化温度400℃，中温炭——炭化温度600℃一700℃、高温炭——炭化温度1000℃。日本学者对竹炭作了测定，炭化温度在750℃以上的竹炭电阻率为0.1Ω/cm、对频率4GHz的电磁波衰减30dB，对35GHz电磁波衰减60dB以上，表现出良好的电磁波屏蔽性能。竹炭用于制备活性炭，国内也有不少厂家和科研单位进行研究，尤以磷酸法制备活性炭的工作较多，也有微波活化制备活性炭。本文就竹炭的精炼，竹炭蒸汽活化法制活性炭，碱法制造活性炭的实验数据进行了论述和探索。1竹炭的精炼I.1精炼装置，如图1I、石英加热管2、竹炭3、电炉4、热电偶5、数显控温仪6、氮气瓶图11.2将竹材在炭化温度为450℃—500℃并用氮气保护下自制的竹炭，从650℃—900℃各个温度下分别保温3h，冷却后，测定其电阻率，电阻率的变化如表1、图2。表1不同温度精炼所得竹炭的电阻率精炼温度℃650730760790820850900920电阻率Ω/cm5600025.04.72.01.20.90.50.312竹炭的水蒸气活化制备活性炭本实验水蒸气活化采用通用的实验室小型活化炉，活化温度850℃，其结果如表2、图3、图4、图5、图6。亚甲基蓝吸附值，碘吸附值均按GB/T12496-1999分析，微孔容积，比表面积是以甲醇为吸附质，按修正开尔文方程计算。表2活性炭性能基本数据得率%2934394657.268烧失率%7166615442.832亚甲基蓝吸附值ml/0.1g14.513.510.57.53.50碘吸附值mg/g117911621144983954613微孔容积ml/g0.4640.4340.3690.2990.2470.212比表面积m2/g8848326915613382023氢氧化钾(KOH)为活化剂制备活性炭3.1将氢氧化钾与竹炭粉(自制竹炭粉碎0.7μm以下)按一定比例拌匀，在800℃下，活化0.5h，然后用盐酸中和，再用水洗涤至中性。碘吸附值：12=1169mg/g亚甲基蓝吸附值：MB=17ml/0.1g4结果和讨论1)竹炭的电阻率是随着竹炭的精炼温度上升电阻率下降，从图2、表1可以看出精炼温度750℃以后电阻率迅速下降。直到920℃下降到0.31Ω/cm，电阻要达到0.1Ω/cm,精炼温度必须在1000℃以上，竹炭的这一性能。在电子工业上有待进一步研究和开发。2)竹炭的水蒸气活化法制取活性炭与一般木材、果壳、煤等其它原料制取活性炭的规律基本一致。随着烧失率的增加，碘吸附值、亚甲基蓝吸附值、微孔容积、比表面积增加。烧失率在30%左右，碘吸附值达到600mg/g，基本无亚甲基蓝吸附值，烧失率在40%以后，亚甲基蓝吸附值开始呈现出来，即微孔开始扩大。直到烧失率为70%左右，亚甲基蓝吸附值达到14.5mL/0.1g。从烧失率50%到70%，此时碘吸附值增加减慢，而亚甲基蓝吸附值上升较快。由此看出在这一过程中，一部分微孔不断烧蚀，形成过渡孔(中孔)同时也产生新的微孔。从孔径——孔容分布表3也可以看出这一结果：表3烧失率为50%、70%孔径——孔容分布从50%烧失率上升到70%烧失率，2.4nm的孔容由9.2μ1/g增加到32.6μ1/g。约为3.5倍。而亚甲基蓝吸附值由5mL/0.1g增加到14.5mL/0.1g为3倍左右，两者倍数基本相近。亚甲基蓝分子直径一般认为是1.17nm，活性炭孔直径内的单分子层吸附，孔径至少在2.24nm。这与实验测定孔径——孔容分布也基本吻合。3)水蒸气活化法与氢氧化钾活化法比较氢氧化钾活化法与水蒸气活化法比较，在同样碘吸附值下，亚甲基蓝吸附值显得较高，若要制备亚甲基蓝吸附值较高的活性炭，采用氢氧化钾活化法较好。微孔中孔孔径nm2.02.42.83.23.64.45.26.06.48.410.014.018.022.0烧失率50%孔容μ1/g2729.212.410.712.87.84.23.74.11.83.21.40.6烧失率70%42032.616.210.09.110.43.48.07.54.18.84.72.4