微波辐射甘蔗渣制造活性炭的试验研究

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年第３７卷第４期　文章编号：１００６－４１８４（２００６）０４－０００３一Ｏ３　＜浙江化工＞　一３一　微波辐射甘蔗渣制造活性炭的试验研究　吴炳智　，秦学功２李永生。（１、铜陵有色铜冠冶化分公司，安徽铜陵２４４０００；２、昆明理工大学环境　科学与工程学院，云南昆明６５００９３；３、昆明理工大学生物与４￣，－ｒ－学院，云南昆明６５００９３）　摘要：以ＺｎＣ１　为活化剂，采用微波辐射甘蔗渣制备活性炭，研究了微波功率、活化时间、　ＺｎＣＩ：用量与甘蔗渣质量比、干燥功率对活性炭性能的影响。试验的最佳反应条件：ＺｎＣ１２与甘蔗　渣质量比为２．５：１．０、炭化及活化微波有效功率为３５Ｗ／ｇ（甘蔗渣，干重）、炭化及活化时间为　２５ｍｉｎ、干燥有效功率为１２Ｗ／ｇ（￣性炭，＇干重）。在上述条件下制得的活性炭的比表面积为１２５０　／ｇ以上。　关键词：活性炭；微波辐射；甘蔗渣；比表面积　甘蔗渣（取自云南怒江糖厂）。　甘蔗渣是蔗糖工业的副产品，是甘蔗经机械压　分析纯）；主要仪器：ＷＤ７００（ＭＧ一５０６２ＳＤ）型微波炉、　榨后所剩的主要部分，主要成分是纤维素、半纤维素　及木质素，其组成分析见表Ｉｔ　，甘蔗渣燃烧后的近　ＨＹ一２型多水平振动器、ＴＧ３２８Ａ分析天平、　似分析及其元素分析见表２【２】。云南省在２００２年产　ＧＺＸ一９０３０ＭＢＥ数显不锈钢鼓风干燥箱、托盘天平　生２，９５９，６００ｔ甘蔗渣（云南省２００２年蔗糖产量是ｌ，　４７９，８００ｔｔｓＪ，按每产ｌｔ蔗糖就产生２ｔ甘蔗渣计算［４１），　（感量：０．２ｇ）。　１．２试验原理　除部分用于造纸、人造纤维板外，大部分作为燃料，　甚至废弃，造成污染。因此，研究并开发甘蔗渣的利　用方法，对其综合利用意义重大。　表１甘蔗渣的主要成分（质量比）　Ｔａｂ．１　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｂａｇａｓｓｅ（Ｍａｓｓ　Ｒａｔｉｏ）　微波是指波长为０．００１～ｌｍ，频率为３００～　３０００００ＭＨｚ的电磁波，一般地，采用频率为　２４５０ＭＨｚ的微波。对于液体，微波仅对其中的极性　分子起作用，微波电磁场能使极性分子产生高速　的旋转碰撞而产生热效应，同时降低反应的活化　项目　纤维素　质量分数，％　２４－－２８　半纤维素　木质素　４８－５５　１７￣２０　灰分　２．０＂４．０　表２甘蔗渣的近似分析及元素分析　Ｔａｂ．２　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ　ａｎｄ　Ｕｌｔｉｍａｔｅ　ｉｎ　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｂａｇａｓｓｅ　分子的化学键强度　；对于固体，许多物质对微波　有很强的吸收能力，由于其表面的不均匀性，微波　辐射会使其表面产生许多”微波热点”。微波加热　与传统加热方式不同，它不需由表及里的热传导，　而是通过微波在物料内部的能量耗散来直接加热　物料，微波可以及时而有效地在整个物料内部产　生热量，同时很容易使极性液体（如水、乙醇、各种　酸碱溶液等）加热　】。添加ＺｎＣ１　的目的是使甘蔗　渣中的碳氢化合物所含的氢与氧以水的形态分解　脱离，ＺｎＣｌ。活化法最适合的活化温度是６００　组分　质量分数，％　元素　质量分数，％　１实验　１．１试剂与仪器　７００￣（２，活化温度比气体活化法（物理法）低，所生　成的碳的基本微晶也较小，可以促进多孔性结构　主要试剂：氯化锌、盐酸、醋酸、氢氧化钠（均为　的发展口】。　１．３试验安排　收稿日期：２００５一Ｉ２—２８　作者简介：吴炳智（１９７１－），男，工程师，工学硕士，从事固体废弃物　的处理及资源化研究工作。　本次试验的目的是以ＺｎＣｌ。为活化剂，利用微　维普资讯 http://www.cqvip.com 一４一　￣－ＩＥＪＩＡＮＧ　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＩＮＤＵＳＴＲＹ　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．４（２００６）　波辐射甘蔗渣制造活性炭，考察其工业化生产的可　表３试验因素及水平的选取　行性，同时应用正交试验法　砌，找出最优的因素及　Ｔａｂ．３　Ｆａｃｔｏｒｓ　ａｎｄ　Ｌｅｖｅｌｓ　ｏｆ　Ｏ￣ｈｏｇｏｎａｌ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　水平。　（１）试验指标　活性炭的比表面积（ｍ２／ｇ）。　（２）因素、水平的选取　因素、水平的选取见表３。　１．４试验工艺流程　吸气新　一　甘蔗渣—・　测定其比表面积　１．５试验步骤　算方差分析所需的各量，列出的方差分析表见表５。　每次试验把２０ｇ甘蔗渣放入一定浓度的ｍ［酸　黜　一一　　ｉＣｌ２溶　表５方差分析表　液中浸泡８－－，１２ｈ，然后放入５０垦　一　一一Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔ　　图１试验工艺流程　ｉｃ　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆＢａｇａｓｓｅ　Ｄｉｓｐｏｓａｌ　０ｍＬ的石英制作的容器　Ｔａｂ．５　Ａｎａｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｖａｒｉａｎｃｅ　Ｔａｂｌｅ　中，在徽　中进行炭化与活化，待甘蔗渣炭化与活化　方差来源Ａ　Ｂ　ｃ　Ｄ籼　变动平方和自由度　均方　Ｆ值　显著性　勺　后，先用２　％的稀盐酸洗涤，然后再用水洗涤，餐　ｌ洗●＿使洗涤　｝　冰ｐＨ　Ⅱ６￣７为止，尉　中，干燥５ｍｉＬ　＿１　ｎ。　用氢氧化钠滴定醋酸测定所得活性炭的比表面　ｔ　∞　呱％　２　∞　△　积ｎ”。　干　燥　Ｆ：　２，２）＝３．００＜ＦＤ＜Ｆａｌｏ（２，２）－９．００＜Ｆ＾＜　２，２）＝１９．００＜　２试验结果与讨论　２．２试验分析与讨论　２．１试验数据与统计处理　　表４试验数据与处理　一　（１　菱　５可看出，，因子Ｂ对指标影响很显著，因子Ａ对指标影Ⅱ向显著，因子Ｄ对指　向，即活化　Ｔａｂ．４　Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ　功率对活性炭比表面积影响最大，№叭　４　ＺｉｌＣＩ２与甘蔗渣比次　之，炭化与活化时间最小，试验的最佳条件为　Ｂ￡ｐｌ，　制得活性炭的比表面积可达１３　３　．　３７５ｍＹｇ。炭化和活化功率　越高即活化速率越快，ＺｉｌＣＩ２与甘蔗渣比越大，所得活性　炭的比表面积越大，Ｚ，ｎＣＩ２与甘蔗渣之比在１．５：１．０时，甘　蔗渣的炭化程度很低，因为在甘蔗渣添加的　Ｃｌ２使纤　维季莽、半纤维素比鞍　熟分解，但才　弱魏骓　从本次试验的结果来看，试验的最佳条件为：　ａ２用量与甘蔗渣质量比为２．５：１．０、炭化与活化的微　波输出有效功率为３５Ｗ／ｇ（甘蔗渣，干重），炭化与活化　时间为２５ｍｉｎ，干燥有效功率为１　蝴性炭，干重）ｏ　（２）微波辐射甘蔗渣制造活性炭的炭化及活化　时间是其它传统方法的１／８～１／４［ｕ　７】。因为采用微　试验安排与数据处理，见表４。将试验的试验结　波辐射，温度的升高是反应物质本身吸收（或扩散）　果（即活性炭的比表面积）填在表的右侧，计算后可　微波能量的结果［６１，只要微波源不断地提供能量，甘　得各因子的每个水平下的指标加和Ｋｉ、总和Ｔ及均　蔗渣将很快达到着火温度，反应只要开始，放出的热　值　，并计算每个因子的Ｋｉ中最大值与最小值的　量又加速甘蔗渣的温度进一步升高，同时吸收微波　差（即极差Ｒ）、试验因子变动ｓｊ。　辐射能量的能力也增加，这样反应时间大大地降低。　将ｓ值最小者视作为试验误差的平均变动，计　（３）用ＺｎＣｈ活化法制造活性炭，　ｃｌ２的浸渍程　维普资讯 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２００６年第３７卷第４期　＜浙江化工＞　一５一　度不可忽视，一般都要在８ｈ以上，因为活化后的空隙　［１】马宝歧　固　．物加匝指事｝　．北京　幻业出ｌ｛反社１９９０．　体积几乎等于残留在物料中的反应物质的体积闭。氯　［２］陈成钒户樨勤甘　用口】．厂僦工，ｌ９９２，２１　５Ｚ　化锌的用量直接影响活性炭的结构，即在活化程度低　【３】车志敏，李灿光，普永宏（执行）．云南年鉴（２００３）［Ｍ１：　的情况下，生成直径较小的孔隙数量较多，在相对压　云南年鉴杂志社．２００３：１７６．　低的范围内吸附量较大；浸渍程度进—步提高后，活　【４】梁坤，谭京梅，孙可伟．甘蔗渣的综合利用现状及展望　化程度变大，直径大的孔隙数量增加，直径小的孔隙　【Ｊ】．中国资源综合利用，２００１，１５（４）：２６．　【５】严莲荷，王剑虹，潘爱芹，等．微波催化氧化法处理甲　体积减少，这样一来，在吸附等温线接近饱和的范围　基橙废水【Ｊ】．化工环保，２００４，２４（１）：３８．　内吸附量增加，在相对压低的范围吸附量减少。　［６１金钦汉．微波化学【Ｍ】．北京：科学出版社，１９９９．　（４）在试验工艺中，首先用稀盐酸洗涤活性炭，提　［７】立本英机。安部郁夫，高尚愚译．活性炭的应用技术一　高活性炭中锌的析出率，提高排出液ＺｎＣｌ２浓度，可　其维持管理及存在问题［ｉｖ／］．南京：东南大学出版社，２００２：２８－－４１．　以重复利用排出液浸渍甘蔗渣，实现ＺｎＣ１２的闭路　【８】《正交实验法》编写组．正交实验法【Ｍ】．北京：国防　循环，减少ＺｎＣ１２的补充量。从本次试验可看出，主　工业出版社，１９７６．　要能耗是电能消耗，活性炭的干燥适宜低输出功率。　【９】潘亚明，朱鹤孙．化学与化工中的数学方法【Ｍ】．北京　３结语　理工大学出版社，１９９３．　［１０１盛骤，谢式千，潘承毅．概率论与数理统计【Ｍ】．高等　本文对以ＺｎＣ１。为活化剂，采用微波辐射甘蔗　教育出版社。２００３．　渣制造活性炭的工艺的可行性研究，得到以下结论：　［Ｉ１１北京大学化学学院物理化学实验教学组．物理化学　（１）试验的最佳工艺条件为：ＺｎＣｌ２与甘蔗渣之比　实验［Ｉｖ／］．北京：北京大学出版社，２００１．　为２．５：１．０，炭化及活化微波有效功率为３５Ｗｉｇ（甘蔗　［１２１袁远平，钱斌。杨连青．用甘蔗渣制备活性炭的研究．　渣，干重）、炭化及活化时间为２Ｓｍｉｎ一、干燥有效功率为　城市公共事业【Ｊ】，２００１，１５（４）：２９—３１．　１２ｖ，，ｇ　＿．恺泼，干重）。在￡述条件下制得的活性炭的比　［１３１张志航，于淑娟，李国基，等．氯化锌法制备活性炭研　表面积为１２５０ｍ￣／ｇ以上，活性炭的得率为３０％一３２％。　究．甘蔗糖业［Ｊ】＇１９８８，（４）：３２—３４．　（２）采用分段洗涤活性炭，可以提高ＺｎＣ１２和　［１４１夏嘉安，等．利用中国甘蔗渣原料生产活性炭．沈阳　化工学院学报【Ｊ】，２００１，１５（３）：１７４—１７８．　洗涤水的利用率，同时可以减少废物的排放量。　［１５１　Ｙｏ￣ｆＡ　Ｍ．Ｍｏｌｅｃｈｌａｒ　Ｓｉｅｖｅ　Ｃａｒｂｏｎｓ　ｆｒｏｍ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　（３）从本次试验可知，该工艺制造活性炭的主要　Ｗａｓｔｅｓ．Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ【Ｊ１，１９８１，（１３）：８３－８９．　能耗为电能消耗，因此，设计合理的炉型、充分利用余　［１６１　Ａｉｄｕｒｉ　Ｂ．．Ｍｃｋａｙ　Ｇ．Ｔｈｒｅｅ—　ｉｓｔａｎｃｅ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｍｏｄｅｌ　热及降低电能的消耗是该方法实现工业化的关键。　ｆｏｒ　Ｄｙｅ　Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｏｎｔｏ　Ｂａｇａｓｓｅ　Ｐｉｔｈ．Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｅｎｇ．［Ｊｌ，１９９０，　（４）微波本身不产生任何废气，因而排气量较　（１１６）：４８７－５０２．　小，可以用吸收方法处理尾气，因此有利于保护环境。　［１７１　Ｘｉａ　Ｊ．，Ｎｏｄａ　Ｋ．，ｅｔ　ａ１．Ｐｒｏｄｕｃｆｉｏｎ　ｏｆ　Ａｃｔｉｖａｔｅｄ　Ｃａｒｂｏｎ　参考文献：　ｆｒｏｍ　Ｂａｇａｓｓｅ（Ｗａｓｔｅ）ｏｆ　Ｓｕｇａｒｃａｎｅ　Ｇｒｏｗｎ　ｉｎ　Ｂｒａｚｉｌ．Ｊ．Ｃｈｅ，ｎ．　Ｅｎｇ．Ｊａｐａｎ［Ｊ］，１９９８，１３（６）：９８７—９９０．　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｃｔｉｖａｔｅｄ　Ｃａｒｂｏｎ　ｗｉｔｈ　Ｚｉｎｃ　Ｃｈｌｏｒｉｄｅ　ｆｒｏｍ　Ｂａｇａｓｓｅ　ｂｙ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ　ＷＵ　Ｂｉｎｇ—ｚｈｉ’，ＱＩＮ　Ｘｕｅ－ｇｏｎｇ　，ＬＩ　Ｙｏｎｇ—ｓｈｅｎｇ。　（１．Ｔｏｎｇｌｉｎｇ　Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ　Ｔｏｎｇｇｕａｎ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ－Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ｓｕｂｃｏｍｐａｎｙ，Ｔｏｎｇｌｉｎｇ　２４４００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；３．Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆ　Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；Ｋｕｎｍｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ　６５００９３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｐｒｅｐａｒｉｎｇ　ａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｆｒｏｍ　ｂａｇａｓｓｅ　ｗｉｔｈ　ｚｉｎｃ　ｃｈｌｏｒｉｄｅ　ｂｙ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ　Ｗａｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｉｍｃｒｏｗａｖｅ　ｐｏｗｅｒ，ｃａｔａｌｙｚｉｎｇ　ｔｉｍｅ，ｔｈｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｚｉｎｃ　ｃｈｌｏｒｉｄｅ　ｔｏ　ｂａｇａｓｓｅ　ａｎｄ　ｄｒｙｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｗｅｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．ｏｎ　ｔｌ１ｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｈｔｅ　ｐｉｌｏｔ　ｓｃａｌｅ　ａｐｐａｒａｔｕｓ．ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｕｍ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｌａｂ　ｓｃａｌｅ　ｓｔｕｄｙ　Ｗａｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ｈＴｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒａｔｅ　ｏｆ　２．５：１．０　ｂｙ　ｗｅｉｇｈｔ　ｏｆ　ｚｉｎｃ　ｃｈｌｏｒｉｄｅ　ｔｏ　ｂａｇａｓｓｅ　Ｗａｓ　ｓｕｉｔａｂｌｅ，ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃａｔｌａｙｚｉｎｇ　Ｗａｓ　３５Ｗ／ｇ（ｂａｇａｓｓｅ，ｄｒｙ　ｂａｓｉｓ），ｔｈｅ　ｉｔｍｅ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃａｔａｌｙｚｉｎｇ　Ｗａｓ　２５　ｍｉｎｕｔｅｓ，ｔｈｅ　ｄｒｙｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｗａｓ　１２Ｗｉｇ（ａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ，ｄｒｙ　ｂａｓｉｓ），ａｎｄ　ｆｉｎａｌｌｙ　ｈｔｅ　ｓｐｅｃｉｉｆｃ　ｓｕｒｆａｃｅａｒｅａｏｆａｃｔｉｖａｔｄｅ　ｃａｒｂｏｎＷａｓ　ｏｖｅｒ１２５０ｍＶｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ；Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ；Ｂａｇａｓｓｅ；Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｒａｅａ