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摘 要：活性炭作为一种以碳物质为前驱体的吸附材料，活性炭的孔隙结构比较发达，具有较高的比表面积和较强的吸附能力，在诸多行业中均具有广泛的应用。本文以兰炭原料采取高温活化方法制造活性炭实验为例，对实验过程中所采取的兰炭种类，以及高温活化温度与时间，对应的碱炭比和碱炭混合方式等给活性炭吸附性能带来的影响进行分析，得出选择5：1的碱炭比，以氢氧化钾干粉法在800℃下活化一小时，是兰炭制活性炭的最佳工艺。本人有幸担任陕西东鑫垣化工有限责任公司的技术副总，我公司有120万吨/年的兰炭产品，对兰炭的下游产品做了一点研究探讨。
关键词：兰炭 活性炭 吸附性
兰炭具有高化学活性、高固定碳以及高比电阻性等优点，同时还具备低灰分以及较低的AL、S、P等元素含量，并且兰炭的价格不高、资源丰富、消耗的能源较低，因而在制备高质量活性炭方面具有很大的优势。活性炭自投入生产以来，在国内各个领域几乎都有涉及，特别是在净化空气、处理废水以及烟道气脱硫等方面效果更为显著。为此，本文通过对兰炭制备活性炭的实验加以分析研究，得出兰炭制备活性炭的最佳制备工艺。
一、实验材料与方法
本实验选取不同厂家利用优质煤生产的兰炭作为实验材料，选取的试剂材料包括KOH、碘、可溶性淀粉、双氧水、KHCO3、硫代硫酸钠以及盐酸等。
首先，要将兰炭试样粉碎，再用60目筛过滤，然后在温度为110℃的干燥箱中进行长达两小时的干燥。接着在50℃下利用纯度为15%的双氧水加以3小时的搅拌，水洗之后，再于110℃的干燥箱中进行长达两小时的干燥。最后分别采用固相干粉法及液相浸渍法将兰碳粉与氢氧化钾进行混合。其中，固相干粉法是指直接将质量比为3：1、4：1和5：1的氢氧化钾与兰碳粉混合在一起。而液相浸渍法是指，在将氢氧化钾与兰碳粉混合之前，先将氢氧化钾配成饱和溶液，再按照1：2的比例混合成碱碳混合物，并在温度为750-850℃的氮气管式炉中进行长达0.5h-1.5h的高温活化[1]。高温活化过程中，保持100ml/min的氮气流量，并将温度的升值控制在5℃/min。再对活化样品进行酸洗及水洗之后，加以离心分离，然后放置在110℃干燥箱内进行两个小时的干燥，最终便得到活性炭产品。
二、性能检测
称取0.5g活性炭产品，置入锥瓶后将50ml浓度为0.1mol/l的标准碘液，然后在振荡器上进行15min的震荡，在5min静置后再进行离心分离。再选取清液10ml，滴定硫代硫酸钠标准溶液至淡黄色，接着滴入淀粉指示液2ml至溶液变为蓝色，最后继续滴入淀粉指示液直至无色，将消耗的硫代硫酸鈉标准液体积记录下来。依照上述方法重复做三次实验，然后对所消耗的硫代硫酸钠标准液的体积求平均值，利用公式求碘的吸附值。其中，碘吸附值用E表示，其表达式为：
式中：C1—碘溶液浓度；C2—硫代硫酸钠溶液浓度；m—试样质量；V—硫代硫酸钠标准液滴定的体积。E的单位为mg/g。
选择ASAP2020全自动物力化学吸附仪（美国麦克公司生产）进行比表面测定，在做样品的氮气吸附测试时保持温度在-196.2℃以下，主要是对其表面及孔结构进行表征，其分析的比表面积大于等于0.0005m2/g，孔径在0.35nm-500nm之间的范围内。
选择60XR型傅里叶变换红外光谱仪（美国Nicolet公司生产）对活性炭试样进行红外光谱分析，采用KBr压片法对样品的化学结构进行测定。其中光谱仪调至光谱达4000cm-1-400 cm-1的范围，并且分辨率及扫面次数分别为4cm-1及32次[2]。
三、实验结果与讨论
1.活性炭吸附性能受活化时间的影响。保持750℃的活化温度和4：1的碱炭比，对活化时间影响活性炭吸附值的考察如图1所示。
由图1可知，活性炭碘吸附值伴随活化时间的增大而出现先增后减的情况，并且在活化时间为1h时吸附值最大。原因是在活化时间不够1h时，氢氧化钾与兰炭发生反应后形成微孔，而钾的化合物则伴随活化时间加长而进行扩孔，从而提高活性炭对碘的吸附值。但是当活化时间超出1h后，继续的扩孔导致孔壁坍塌，从而令碘吸附值降低。
2.活性炭吸附性能受活化温度的影响。选取1h的活化时间以及4：1的碱炭比，对活性炭碘吸附值受活化温度的影响如图2所示。
由图2可知，在温度达到800℃时，活性炭对碘的吸附值达到最大，原因是，氢氧化钾和兰炭的反应所需要的活化能较高，而低温情况下，碳原子的活性不够提供活化能，所以碘吸附值较小，伴随温度的增加，氢氧化钾中的钾离子以蒸汽的形式令碳原子内部产生多种孔型，而温度大于800℃时，高温令将孔型烧熔，从而降低了活性炭的比表面积，导致碘吸附值下降。
3.活性炭吸附性能受碱炭比的影响。保持800℃的活化温度和1h的活化时间，对活性炭吸附性能受碱炭比影响的考察如图3所示。
图1 活性炭碘吸附值在750℃时不同活化时间的变化图
图2 活化1h的活性炭在不同温度下对碘的吸附值
图3 活化温度为800℃下活化1h制得的活性炭在不同碱炭比下的碘吸附值
由图3可知，当碱炭比为5：1时，制得的活性炭碘吸附值达到最大，这是因为当碱炭比低于5：1时，在活化开孔过程中，氢氧化钾所起的作用较大，并对活性炭比表面积起着主导作用；而当碱炭比高于5：1是，过量的氢氧化钾导致微孔的碳骨架坍塌从而使得活性炭的吸附性能降低[3]。
此外，活性炭的吸附性能还受到碱碳混合方式和碱浓度的影响，实验证明，液相浸渍法比固相干粉法混合所制得的活性炭吸附性能要好，并且氢氧化钾溶液饱和浓度为1/2时制得的活性炭吸附性能要比氢氧化钾的饱和溶液好。
四 、结束语
通过上述实验证明采用兰炭制活性炭过程中，碱炭比、氢氧化钾活化法、活化温度以及活化时间等均对制得的活性炭吸附性能产生影响。综合上述实验结果证明，选择5：1的碱炭比，采用液相浸渍法进行混合，并保证氢氧化钾的饱和浓度为1/2，在800℃下进行活化1h，制得的活性炭性能最佳。兰炭是煤的下游产品，在陕北有很多的生产企业，我公司有120万吨/年的兰炭产品，如果用兰炭制活性炭能工业化生产，对煤就地转化，制造出高附加值的产品有积极的意义。
参考文献
[1] 杨明莉，徐龙君，鲜学福.煤基炭素活性材料的研究进展[J].煤炭转化.2003，（01）：102-105.
[2] 任楠，夏建超，董安钢等.煤基活性炭制备工艺及表面性质的研究进展[J].洁净煤技术.2001，（02）：112-116.
[3] 韩露，李开喜，高峰.工艺参数及灰分对煤基活性炭吸附性能的影响[J].煤炭转化.2008，（03）：133-136.
关键词：兰炭 活性炭 吸附性
兰炭具有高化学活性、高固定碳以及高比电阻性等优点，同时还具备低灰分以及较低的AL、S、P等元素含量，并且兰炭的价格不高、资源丰富、消耗的能源较低，因而在制备高质量活性炭方面具有很大的优势。活性炭自投入生产以来，在国内各个领域几乎都有涉及，特别是在净化空气、处理废水以及烟道气脱硫等方面效果更为显著。为此，本文通过对兰炭制备活性炭的实验加以分析研究，得出兰炭制备活性炭的最佳制备工艺。
一、实验材料与方法
本实验选取不同厂家利用优质煤生产的兰炭作为实验材料，选取的试剂材料包括KOH、碘、可溶性淀粉、双氧水、KHCO3、硫代硫酸钠以及盐酸等。
首先，要将兰炭试样粉碎，再用60目筛过滤，然后在温度为110℃的干燥箱中进行长达两小时的干燥。接着在50℃下利用纯度为15%的双氧水加以3小时的搅拌，水洗之后，再于110℃的干燥箱中进行长达两小时的干燥。最后分别采用固相干粉法及液相浸渍法将兰碳粉与氢氧化钾进行混合。其中，固相干粉法是指直接将质量比为3：1、4：1和5：1的氢氧化钾与兰碳粉混合在一起。而液相浸渍法是指，在将氢氧化钾与兰碳粉混合之前，先将氢氧化钾配成饱和溶液，再按照1：2的比例混合成碱碳混合物，并在温度为750-850℃的氮气管式炉中进行长达0.5h-1.5h的高温活化[1]。高温活化过程中，保持100ml/min的氮气流量，并将温度的升值控制在5℃/min。再对活化样品进行酸洗及水洗之后，加以离心分离，然后放置在110℃干燥箱内进行两个小时的干燥，最终便得到活性炭产品。
二、性能检测
称取0.5g活性炭产品，置入锥瓶后将50ml浓度为0.1mol/l的标准碘液，然后在振荡器上进行15min的震荡，在5min静置后再进行离心分离。再选取清液10ml，滴定硫代硫酸钠标准溶液至淡黄色，接着滴入淀粉指示液2ml至溶液变为蓝色，最后继续滴入淀粉指示液直至无色，将消耗的硫代硫酸鈉标准液体积记录下来。依照上述方法重复做三次实验，然后对所消耗的硫代硫酸钠标准液的体积求平均值，利用公式求碘的吸附值。其中，碘吸附值用E表示，其表达式为：
式中：C1—碘溶液浓度；C2—硫代硫酸钠溶液浓度；m—试样质量；V—硫代硫酸钠标准液滴定的体积。E的单位为mg/g。
选择ASAP2020全自动物力化学吸附仪（美国麦克公司生产）进行比表面测定，在做样品的氮气吸附测试时保持温度在-196.2℃以下，主要是对其表面及孔结构进行表征，其分析的比表面积大于等于0.0005m2/g，孔径在0.35nm-500nm之间的范围内。
选择60XR型傅里叶变换红外光谱仪（美国Nicolet公司生产）对活性炭试样进行红外光谱分析，采用KBr压片法对样品的化学结构进行测定。其中光谱仪调至光谱达4000cm-1-400 cm-1的范围，并且分辨率及扫面次数分别为4cm-1及32次[2]。
三、实验结果与讨论
1.活性炭吸附性能受活化时间的影响。保持750℃的活化温度和4：1的碱炭比，对活化时间影响活性炭吸附值的考察如图1所示。
由图1可知，活性炭碘吸附值伴随活化时间的增大而出现先增后减的情况，并且在活化时间为1h时吸附值最大。原因是在活化时间不够1h时，氢氧化钾与兰炭发生反应后形成微孔，而钾的化合物则伴随活化时间加长而进行扩孔，从而提高活性炭对碘的吸附值。但是当活化时间超出1h后，继续的扩孔导致孔壁坍塌，从而令碘吸附值降低。
2.活性炭吸附性能受活化温度的影响。选取1h的活化时间以及4：1的碱炭比，对活性炭碘吸附值受活化温度的影响如图2所示。
由图2可知，在温度达到800℃时，活性炭对碘的吸附值达到最大，原因是，氢氧化钾和兰炭的反应所需要的活化能较高，而低温情况下，碳原子的活性不够提供活化能，所以碘吸附值较小，伴随温度的增加，氢氧化钾中的钾离子以蒸汽的形式令碳原子内部产生多种孔型，而温度大于800℃时，高温令将孔型烧熔，从而降低了活性炭的比表面积，导致碘吸附值下降。
3.活性炭吸附性能受碱炭比的影响。保持800℃的活化温度和1h的活化时间，对活性炭吸附性能受碱炭比影响的考察如图3所示。
图1 活性炭碘吸附值在750℃时不同活化时间的变化图
图2 活化1h的活性炭在不同温度下对碘的吸附值
图3 活化温度为800℃下活化1h制得的活性炭在不同碱炭比下的碘吸附值
由图3可知，当碱炭比为5：1时，制得的活性炭碘吸附值达到最大，这是因为当碱炭比低于5：1时，在活化开孔过程中，氢氧化钾所起的作用较大，并对活性炭比表面积起着主导作用；而当碱炭比高于5：1是，过量的氢氧化钾导致微孔的碳骨架坍塌从而使得活性炭的吸附性能降低[3]。
此外，活性炭的吸附性能还受到碱碳混合方式和碱浓度的影响，实验证明，液相浸渍法比固相干粉法混合所制得的活性炭吸附性能要好，并且氢氧化钾溶液饱和浓度为1/2时制得的活性炭吸附性能要比氢氧化钾的饱和溶液好。
四 、结束语
通过上述实验证明采用兰炭制活性炭过程中，碱炭比、氢氧化钾活化法、活化温度以及活化时间等均对制得的活性炭吸附性能产生影响。综合上述实验结果证明，选择5：1的碱炭比，采用液相浸渍法进行混合，并保证氢氧化钾的饱和浓度为1/2，在800℃下进行活化1h，制得的活性炭性能最佳。兰炭是煤的下游产品，在陕北有很多的生产企业，我公司有120万吨/年的兰炭产品，如果用兰炭制活性炭能工业化生产，对煤就地转化，制造出高附加值的产品有积极的意义。
参考文献
[1] 杨明莉，徐龙君，鲜学福.煤基炭素活性材料的研究进展[J].煤炭转化.2003，（01）：102-105.
[2] 任楠，夏建超，董安钢等.煤基活性炭制备工艺及表面性质的研究进展[J].洁净煤技术.2001，（02）：112-116.
[3] 韩露，李开喜，高峰.工艺参数及灰分对煤基活性炭吸附性能的影响[J].煤炭转化.2008，（03）：133-136.