抽象的

对竹材的炭化和活化行为进行了研究，探讨了竹材在生产高性能活性炭中的适用性。用二氧化碳作活化剂。在活化过程中，发现钾组分主要沉降在胞间区域，起到催化剂的作用，加速碳的热分解。因此，当激活反应扩散到细胞间区域时，激活反应突然加速;这使得得到的活性炭的孔径分布没有特征。为了获得孔径分布明显、适于去除饮用水中发霉和泥土气味或空气中有害挥发性有机物(VOCs)的活性炭，控制炭中钾的含量是很重要的。

关键字

活性炭;竹子;微孔隙度;的气味;饮用水

介绍

沥青和焦炭分别是石油和煤炭的重质组分，是获得炭黑、碳纤维和活性炭(AC)等各种碳的两种主要原料。它们的炭化行为和生成的碳的性能已经被广泛研究。然而，这种碳资源是不可持续的，因为它们的储量有限，石油价格不断上涨。人们提出了几种替代化石燃料的起始原料，如咖啡渣[1]、三乙酰纤维素废料[2]和橡树[3]，来生产AC。

ACs是一种非常有用的材料，可以去除饮用水中的霉味以及有害的挥发性有机化合物(VOCs)，如苯、甲苯和二甲苯。以日本为例，2003年颁布了一项有关饮用水质量的新法律，其中2-甲基异龙脑(2-MIB)和土臭素这两种化学物质的浓度被规定在10 ng/ L以下，这两种化学物质会产生霉味和泥土味。

根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)的命名，根据平均孔径d将孔隙分为微孔(d<2 nm)、中孔(2 50 nm)三种类型。对于大尺寸球形分子如2-MIB、土臭素等的吸附，富含介孔的AC将是有利的。

木质生物质通常用作生产AC的起始材料。通过木质纤维素结构的发育来加强木质生物质的木质组织。通过天然产品的热分解来源的碳通常显示出纹理反射原料的原始结构，例如蜂窝结构。在本文中，制造了从竹子或芦苇草生产高功能性ACS的企图，并考虑了考虑原料的固有原始组织结构的最佳活化条件。

实验 材料

竹子毛竹(毛竹)在京都收获的芦苇草(芦根Trinius)在志贺县志贺町小野地区收获，经太阳晒干后使用。将茎切成长50毫米、宽5毫米、厚2-3毫米的矩形薄片。使用的其他化学品均为实验室级，购自日本大阪Wako化学公司。

碳化

在电炉(CT-40, Advantec Co.， Ltd.， Tokyo, Japan)中热处理1.5 - 2g的起始材料，电炉的均匀温度区约为60毫米。在热处理过程中，氮气在常压下以1l / min-1的速率流过熔炉。样品以10 K min-1的速率加热，在800℃下保存15 min，然后冷却到室温。

激活

活化前，将炭化得到的整个木炭磨成粉末，并将粉末充分搅拌，使其质量均匀。然后，以10 K min的升温速率将地面样品加热到850-950℃^－1在1l min氮气流量下^－1．然后公司₂气体进行了传导，CO的浓度₂保持在50%在850℃以上的温度范围内，众所周知，活化反应发生如下₂= 2 co - 172 kJ。随着反应的进行，产生多孔结构。

吸收测试

N₂气体吸附容量采用吸附测量仪(BELSORP-18plus, BEL Inc.)测定。日本,日本丰中)。比表面积(S)用BET-plot[4]测定。体积(V)由N的量确定₂吸附的相对压力为0.948。假设孔隙为均匀不相交的圆柱形毛细血管，平均孔径D=4 V/S。

用0.1 M硫代硫酸钠[5]滴定法测定了碘的吸附量。

如下，在气体状态下制备对氨，甲醛，硫化氢和甲苯的吸收试验。将100ppm，3L的每种气体进行到一个袋中，其中已经沉淀出25mg的地面AC样品。然后监测气体浓度的变化。

如下测量acosmin对Ac上的液相吸附。将AC接地粉末并通过45μm筛。洗涤粉末，干燥并保存在含硅胶的干燥器中。制备浓度为400ng / L的地质素水溶液。将0.2至0.5mg的Ac粉末施加50ml溶液。将溶液搅拌1小时后，滤出AC粉末。通过在10ml / min的固相分离柱（emporesdb-xc，3m，Tokyo，日本）进行上清液。干燥柱子，捕获的地质蛋白用二氯甲烷萃取。利用GC / MS（QP-5050A，Shimadzu，Kyoto，Japan）测定，提取的土工皂甙的量等于浴中的浴中的Geosmin的量。为2-MIB制备了类似的吸附试验。

所有表面测量均按照日本水工程协会规定的JWWA-K113(2005)进行。

分析

在氮气流动下，以10 Kmin-1的升温速率，从室温到800℃进行热重分析。采用x射线微分析仪(EDAX, AMETEK Co.，Ltd.)对非均相污染成分进行了表征。

结果与讨论

图1显示了竹子的原料和碳化茎的横截面。可以看出，虽然在碳化过程中发生了大收缩，但仍然保持原干组织的形状。这表明碳化反应在没有液化的情况下以固态进行。因此，应考虑到碳化和激活行为在反映固有原始结构的化学成分差异的各组织中会有所不同。

图1:扫描电子显微图为竹子茎横截面:左，原始结构;对，在800摄氏度碳化

图2显示了生竹竿的热重量分析结果。可见，热分解是在高于200摄氏度时开始的。纤维素的热分解温度在240℃以上，而半纤维素的热分解温度在180℃左右。因此，竹子的热分解被认为是由其组织中的半纤维素组分的热解引起的。半纤维素是竹子的主要组分，在细胞间区即初生壁或中层片层中含量丰富，而在次生壁中含量贫乏(图3)。因此，可以推断竹子的热分解首先从细胞间区开始，然后向次生壁扩散。

图2:生竹子的TG曲线

图3是激活过程的示意图。碳化的竹子仍然保留其骨骼。因此，活化气体将主要通过血管束弥漫，然后到达每个细胞并从腔侧攻击次级壁。然后，活化反应从内部（每个细胞的腔侧）以及样品的外表面开始。因此，纳米多孔结构将首先在S区域构建，然后传播到内部P和M部分。

表1是从竹子在850至950的激活温度范围内的ACS的表面性质的列表，保持反应时间30分钟和CO₂浓度为50%。可以看出，900℃是活化的最佳温度，因为BET表面积几乎达到1000 m2 g^－1其收率可达60%以上。

表1:在不同的温度下，保持30 min的反应时间和CO的活化，竹基ACs的产率和表面性能₂浓度为50%。

图4显示了BET比表面积或AC收率的时间依赖性。随着活化时间的增加，由于与CO的气化反应，产率单调下降₂而BET比表面积最大，表明在活化45 min时可以产生较好的纳米孔结构，但与CO的随机气化反应破坏了这种纳米孔结构₂在较长的激活处理。

在活化过程中，已知碱金属化合物可以用作气化反应的催化剂[7]。表2是在800摄氏度的竹子或芦苇基木炭中的矿物分数列表。两种木炭含有相似量的碱金属化合物。然而，由于硅质化合物，簧片基层木炭的总灰度要大得多。

碱金属的沉降与植物代谢有关。至于K和Na，这些金属主要被果胶化合物捕获，果胶化合物是主壁的主要成分。当活化反应蔓延至初生壁时，应考虑碱金属化合物对气化反应的影响。为了考察钾含量对气化的影响，制备了不同钾含量的竹炭(表3)。B-0.5碳化。为了降低钾含量，将B-0.5用清水彻底冲洗。另一方面，为了提高钾的含量，B-0.5在室温真空下浸入5%的氢氧化钾水溶液中3 h。然后制备B-0.3和B-0.9。通过测量热重(TG)曲线分析了这些样品的活化行为(图5)。可以看到，随着钾含量的增加，气化速度大大加快。在富含钾化合物的B-0.9中，随着时间的增加，其重量单调减小，可以认为表观活化反应为零级。气化反应似乎在每个组织中都进行得很均匀。 As for B-0.5 or B-0.3, the gasification rate suddenly increased at a certain treatment time. This is probably due to the deviation in the distribution of potassium compounds. The potassium content in secondary wall is lower than other portions. When the gasification reaction propagates into the intercellular regions, the potassium will work as a catalyst and accelerate the reaction (Figure 3).

表2:在800℃下产生的木炭中含有不均匀的污染成分。

表3:不同钾含量竹炭的制备条件。

图3:竹子组织中活化过程的示意图：L，腔;S，次墙;P，主墙;M，中隙薄片

图4:活化时间与BET比表面积或产率的关系₂．

图5:测定了不同钾含量竹炭在900℃50% CO下的热重曲线₂．

孔径分布是活性炭最重要的性质之一，并受活化条件的影响。图6为不同钾含量竹本ACs的累积孔体积曲线。B-0.3的AC增大幅度较大，说明B-0.3的AC的孔径分布在0.5 nm左右。控制竹材中碱金属的含量是生产孔径分布明显的活性炭的关键。

图6:测定了不同钾含量竹炭ACs在直径小于2 nm范围内的累积孔体积曲线。AC的收率控制在70%。

对ACs进行了吸附试验，如表4所示。AC-C和AC-B分别是从椰子壳和烟煤中提取的商用ac。B-70、B-70和B-40都是用竹子制成的。R-30是用芦苇草炭制成的活性炭。图7显示了对2-MIB和geosmin的去除百分比。虽然BW-70和B-70的BET表面积要小得多，但竹草和芦苇制成的ACs的去除率与商用ACs相当，甚至略高于商用ACs。竹材是生产除霉除土的活性炭的适宜原料。芦苇草富含硅质化合物。活化芦苇草炭制备的R-30表面值与商用AC-B相似，但其气味去除率要高得多。目前，从有限的地表资料中很难深入探讨。 However, it seems that the siliceous compounds in reed grass hardly affected its activation reaction.

表4:ACs的表面特性。

图7:对2-MIB、土臭素的ACs去除百分比。

对VOCs也进行了类似的测试(图8)。除了对氨的测试数据外，竹炭的ACs与商业炭的差异不大。

图8：除去对VOC的ACS的替代品。

结论

对竹材的炭化和活化行为进行了研究，探讨了竹材在生产除霉、除土、除VOCs的高效活性炭中的适用性。在活化过程中，发现钾组分主要沉降在细胞间区域，起到催化剂的作用，加速了活化反应。因此，当活化反应扩散到细胞间区域时，活化反应突然加速，导致生成的活性炭孔径分布更宽、更无特征。为了从竹子中获得孔径分布更大的活性炭，减少钾化合物的含量是很重要的。

对竹炭活性炭进行了吸附试验，结果表明，竹炭活性炭对发霉/泥土气味的液相吸附性能较好，对甲醛、硫化氢、和甲苯在气相吸附中的吸附性能进行了比较。

参考文献

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2. Yamamoto K, Kawahara Y, Shioya M, Ishibashi N(2012)利用三乙酰纤维素废料生产碳质吸附剂。J Polym Environ 20: 626-630。［Ref。］
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4. Adamson AW(1990)见:表面物理化学。约翰·威利父子公司，纽约609-614。［Ref。］
5. Abe I，Fukuhara T，Maruyama J，Tatsumoto H，Iwasaki S（2001）制备碳质吸附剂，用于从饮用水中去除氯仿。碳39：1069-1073。［Ref。］
6. Migita N, Yonezawa Y, Kondo T(1968)见:Mokuzaikagaku，共立书板有限公司，东京63-64。
7. 陈吉正，张开斌(2005)竹材热解行为及动力学模型。CAMP-ISIJ 18(4): 1104 - 1107。

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条信息

文章类型:研究文章

引用:Kawahara Y, Wakizaka H, Yamamoto K, Ishibashi N(2016)竹基碳吸附剂的制备及其去除霉变/泥土异味和Vocs的研究。国际污水处理2(4):doi http://dx.doi。org/10.16966/2381 - 5299.124

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出版的历史:

收到日期:2016年23米

接受日期:06年6月2016年

发表日期:2016年6月10