木质素基成型活性炭的制备及表征

工业产酒渣木质素制备活性炭时，存在木质素结构复杂、聚合度低，木质素-磷酸反应活性差，磷酸催化木质素发泡膨胀严重等问题，导致木质素制备的活性炭性能差、无法成型制备颗粒活性炭。因此目前木质素基活性炭多以粉炭为主，这些因素都使得木质素基活性炭的优势和特色无法凸显，成为阻碍木质素高值化利用、木质素基活性炭工业化生产的技术瓶颈，制备性能优异的木质素基成型活性炭仍然是一个挑战性的课题。本研究针对木质素制备颗粒活性炭过程中，活性炭成型困难、孔径分布不均、性能差等问题，以磷酸为活化剂，通过烘焙提质预处理，实现了磷酸的高效渗透和木质素-磷酸体系发泡膨胀反应的抑制，制备出高性能木质素基成型活性炭，解决了木质素利用难的问题。重点研究了烘焙温度、浸渍比、活化温度、活化时间等制备条件对木质素和活性炭性能的影响，并通过XRD、TMA、TG-MS、FTIR、SEM、BET等表征手段，研究了木质素-磷酸的热解过程和产物结构，结果发现:木质素原料经烘焙后，纤维素的结晶度降低，有利于活化剂磷酸的渗透，磷酸的加入加速了木质素的脱水，降低了木质素热解反应的温度;木质素中紫丁香基(syringyl lignin，S 型木质素)和对羟基苯基(hydroxyphenyl lignin，H 型木质素)结构单元特征吸收峰随着烘焙温度升高不断减弱，木质素的聚合度提高，木质素原料部分热解，释放一部分气体，降低了木质素膨胀发泡反应，有利于成型;热机械分析结果表明，烘焙预处理可有效降低木质素-磷酸体系热膨胀系数，在同一温度区间(105℃～140℃)，经250℃烘焙处理后的磷酸浸渍料热膨胀系数由1818 μm/(m·℃)降低至 12.4 μm/(m·℃)，说明烘焙预处理方法能有效降低膨胀反应的发生程度。活性炭的碘吸附值和亚甲基蓝吸附值随浸渍比的提高先增加后降低，强度和得率随浸渍比的提高而降低，在浸渍比2:1、烘焙温度250℃、活化温度 500℃、磷酸活化时间 120 min条件下，制备的活性炭碘吸附值 932 mg/g，亚甲基蓝吸附值210 mg/g，强度91%，得率46%，比表面积达1347 m2/g，中孔率60%。本研究可为产酒渣木质素高值化制备颗粒活性炭提供参考。