高湿中药废渣制备活性炭工艺及其性能研究

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中药的生产过程中会产生中药废渣,中药废渣如果得不到有效的无害化处理,会对周围的环境产生巨大的危害。中药废渣是一种含碳量高、来源广、数量大的生物质材料,可以作为活性炭制备材料。寻求一种将中药废渣制备成活性炭的有效途径,不仅可减少中药废渣的污染问题,还能够大大提高中药废渣再利用的附加值。目前常见的生物质制备活性炭的方法多是将原料在低温下进行脱水、干燥、粉碎、筛分等预处理过程后,浸渍化学活化剂进行制备。然而中药废渣初始含水量极高,如果直接将传统的活性炭制备工艺应用在中药废渣上就会因为脱水干燥环节消耗大量的能量,导致整个制备过程既不经济,也很难提高效率。如果能研究出一种将高湿中药废渣直接制备成活性炭的工艺,就会大大减少制备过程的能耗,提升经济效益。本文以高湿中药废渣为原料,采用物理-化学两段活化法制备活性炭。第一步为物理活化,即利用高湿中药废渣自身的水分,在高温下变成水蒸气将中药废渣炭化活化制备成具有一定孔隙结构的一次活化料;然第二步为化学活化,使用KOH作为活化剂将一次活化料进一步活化制备成活性炭。这样就避免了传统制造工艺中的干燥流程,减少了能源消耗。同时经过第一步物理活化制备出的一次活化料还具备发达的孔隙结构,使得第二步化学活化过程中的活化剂用量减少,浸渍时间和活化时间变短。此外经过物理活化后得到的一次活化料也可直接用作吸附材料。本文采用单因素实验结合正交实验,在物理活化阶段,以一次活化料的孔隙结构参数为性能指标,考察中药废渣含水率、炭化温度、炭化时间这三个制备条件对于一次活化料性能的影响;在随后的化学活化阶段,以活性炭的孔隙结构参数为性能指标,考察活化剂浸渍比、活化温度、活化时间这三个制备条件对于活性炭性能的影响。并结合TGA、SEM、物理吸附仪等分析仪器表征制备出一次活化料和活性炭的各项特性。最后以亚甲基蓝溶液为吸附质,研究了不同条件下制备的高湿中药废渣基活性炭对亚甲基蓝的吸收性能。对于物理活化这一阶段而言,根据单因素实验发现:最佳制备条件为含水率50%,炭化温度700°C,炭化时间150min,制备出的一次活化料性能为:一次活化料得率20.64%,比表面积307m~2/g。根据正交试验发现,三个条件对一次活化料性能影响的显著性水平为活化温度>活化时间>含水率。一次活化料的最佳制备条件为含水率50%,炭化温度850°C,炭化时间180min,在此条件下制备出的一次活化料性能为:一次活化料得率17.80%,比表面积998m~2/g。综合实验结果与制备过程的经济性,本文化学活化阶段采用的一次活化料制备条件为含水率50%,炭化温度600°C,炭化时间90min。在此条件下制备出的一次活化料得率为25.7%,比表面积为223m~2/g。对于化学活化这一阶段而言,根据单因素实验发现,最佳条件为活化温度700°C,活化时间60min,浸渍比1。在此条件下制得的活性炭的得率为58.3%,比表面积为1841m~2/g。根据正交试验发现,三个条件对于活性炭性能的影响显著性水平为活化温度>活化时间>浸渍比。活性炭的最佳制备条件为活化温度750°C,活化时间90min,浸渍比2.0。在此条件下制得的活性炭的性能为:比表面积为2131m~2/g。在物理-化学两段活化法制备出的活性炭吸附亚甲基蓝的实验中,为了使单位质量的活性炭具有最大的吸附量,需要控制pH值为2,同时要尽可能提高亚甲基蓝的浓度,并且吸附时间只需要0.5小时。同时也证明了通过本工艺制备出的活性炭对水体的吸收净化效果较好,具有商业价值。
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