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木质原料热解及活性炭结构的研究
作者:管理员    发布于:2016-11-11 10:46:23    文字:【】【】【

  木质原料热解及活性炭结构的研究戴伟娣,陶渊博,张燕萍,蒋剑春(中国林业科学研究院林产化学工业研究所,江苏南京210042)椰壳也是由半纤维素、纤维素和木质素构成,椰壳中的半纤维素的分解温度在200~260°C,纤维素的分解温度在260~295°C,木质素的分解温度在295~ 320°G本研究还探讨了椰壳炭的孔结构参数,炭化温度425~720°C,其微孔容积为0.124~0.222mL/g并用扫描电子显微镜观察了椰壳炭的表面形貌,椰壳在热分解时,细胞壁分解形成了微米级的大孔,并保留了椰壳的纤维状结构。采用离子发射光谱,分析了椰壳炭的微量元素组成,主要有铝、钡、铁、镁、钙、硅等。

  由于活性炭具有的孔隙结构和表面基团及足够的化学稳定性,耐酸、耐碱、耐热和较好的机械强度,使其成为一种优质吸附剂,广泛应用于国民经济各个领域如医药、食品、石油化工、印染、汽车制造业、国防工业以及环境保护,如废水、废气、饮用水处理,甚至于航天事业。

  制活性炭的基本原料主要有煤质和木质两大类。其它如石油焦、废轮胎等含炭物质也可用于制活基金项目:中国林业科学研究院科学技术发展基金资助项目(无编号)性炭。木质活性炭的主要原料为木炭,按生产方法和原料不同可分为物理法和化学法2种,化学法用木屑可生产粉状炭,用果壳、果核可生产不定型颗粒活性炭。在果壳中又以椰壳为上等原料,其次为榄核、杏核等。

  印度、巴基斯坦、菲律宾、斯里兰卡、泰国、越南等国以及我国海南岛盛产椰子,椰子的汁用于生产饮料,椰肉广泛用于制造食品,椰壳除小部分用于制作工艺品外,大部分用于制造活性炭,所以椰壳是用之不竭的活性炭原料。椰壳是一种优质活性炭原料,椰壳活性炭具有出色的吸附性能;孔径孔容分布由AS―703孔径分布仪测定,以甲醇为吸附质,修正开尔文方程计算孔径-孔容分布;不同温度下的椰壳炭化料的表面形态,由日本产X―650扫描电镜分析;椰壳炭的微量元素用等离子发射光谱进行分析。

  2结果和讨论2.1椰壳热分解的机理木质原料一般由半纤维素、纤维素和木质素构成。木材热分解一般认为激烈的分解温度如下:半纤维素180~300°C,纤维素240~400Q木质素280~500°C.本研究中的椰壳在热重天平上的热分解过程中的分解行为如所示(升温速率由可以看出椰壳热分解分为3个阶段:室温A点120C为干燥阶段,AB点120~200C为恒重阶段,BC点200~260C(虚线部分)为热分解阶段,即半纤维素为主的分解阶段;CD点260 ~295C为第二阶段,即纤维素分解阶段;DE点295~320C(虚线部分)为第三分解阶段,即以木质素为主的分解阶段,以后的平缓失重,包含了木质素继续分解与炭化物中挥发分的逸出。

  2.2热分解的终温度与炭得率、孔容的关系1979年Brunner等曾详细研究过纤维素热分解速度对炭得率和炭性质的影响,由于椰壳是一种组分复杂的生物质,它的热分解阶段性、炭得率和微孔容积、形貌及其它参数,必然受热解表1热解终温与炭得率、微孔容的关系热解终温度/C条件的影响。不同热解条件下,椰壳热分解所得炭的得率和微孔容积的关系见表1,热解终温从340C上升到720C炭得率从41.4下降到27.一从表1可以看出,随着热分解温度的提高,炭得率降低,微孔容积增加。这可解释为热解终温度的提高,椰壳内的各种组分分解趋向完全,挥发分也相应逸出。热分解时分解产物的逸出产生了微孔,孔容积也随着温度的上升而增加。炭得率在525C以前随温度上升而急剧下降,525C以后,提高终已基本分解完毕,这与所述木质素分解温度500 C是一致的。

  2.3热解温度、升温速率与炭得率的关系热解温度、热解时升温速率都对椰壳的热分解表2热解温度、升温速率和得率的关系产生直接影响,包括气相量和气相性质,液相量和液Table升温速率/(。

  相性质,及固相(炭)的量。本实验只对炭的生成量ragrate dmxm1yidd做了定量分析,结果见表2.由表2可看出,在较低热解温度下,升温速率对炭的得率影响较大,热解温度350C,升温速率2010C/min与20C/min比较,炭得率约差6.4而在高热解温度550 C时,两者比较炭得率仅差1. 6热解温度650C时,炭得率与550 C时类似。因此可知,升温速率小炭得率高,以10且在较高热解终温下,升温速率对炭得率影响较小。

  2.4不同热解温度下椰壳炭的扫描电镜形貌扫描电子显微镜是研究黑体表面形貌的手段之一,能对孔隙的发展进行定性评价,是光学显微镜所不能比拟的。本研究用日本X―650扫描电子显微分析仪,将椰壳炭取其断面进行扫描摄像。为350、450和550C炭化的扫描电镜照片。从a可以清楚地看到椰壳的纤维状结构比较完整,由于椰壳的部分组分分解,露出了大孔,孔的长度为30~40 m,宽度为2 ~4,um.从b看出,椰壳在450C有更多组分被分解而收缩,而且纤维长度方向收缩更多,孔隙开始缩小,孔的长和宽基本相等,为3 ~6,um,还基本上保留着椰壳的纤维状结构。从c可以看出,由于炭化温度的升高,椰壳的组分绝大部分分解解出现了层状炭的碎片,孔收缩更为明显,有若干比1Mm小的孔形成,但还明显保留蜂窝状结不同温度下炭化的椰壳炭断面电镜照片/X由于椰壳炭明显的蜂窝状结构,与其它木质炭比较,在活化以后,它具有较大的强度。

  是椰壳炭表面形貌的扫描电镜照片,可以看到椰壳炭化后表面保留着梳状结构,给炭带来很多孔隙一大孔,在吸附中起着通道作用,在活化以后给活性炭带来很大的吸附力。

  2.5椰壳炭的元素分析通过等离子发射光谱对椰壳炭中的微量元素进行了分析,分别为(mg/kg):铝101. 12.48、钛7.10、锌9.11;另外还含有少量的硼、钴、铬、锰、钼、铅、锡、铀等。

  3结论3.1椰壳热分解时有3个明显的分解阶段:200 ~260C以半纤维素为主的分解阶段,在260~295C以纤维素为主的分解阶段,295~320 C是以木质素为主的分解阶段。以后是包含木质素的分解及挥发分逸出的平缓失重阶段。

  3.2椰壳热解时炭化得率与炭化终温度有关,终温度愈高得率愈低,但在550C以前比较明显,550C以后,得率减少趋向缓慢,即椰壳在550C左右已基本炭化完全。随着热解终温度的上升,炭的微孔容也增加。

  3.3热解速率也影响炭的得率,速度愈快得率愈低,在低热解温度下更为明显,以10C/min为宜。

  3.4从扫描电镜发现,椰壳炭随着热解终温的提高,组分分解越完全,收缩越厉害,大孔由30~40Mm缩小至3~6Mm,甚至更小。这与吸附法测定微孔容增加的结果是一致的。扫描电镜可看出,椰壳炭具有的蜂窝状结构,所以做成活性炭后,比一般果壳或木质原料的活性炭具有较高的强度。3.5从元素分析可知椰壳炭中的微量元素以铝、钡、铁、镁、钙、硅为主,与Tendolkar等分析结果基本一致,其它元素很少,因而椰壳炭生产的活性炭适合于做催化剂载体。

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