Abstract:The technology conditions for preparation of active carbon from soybean straw by zinc chloride activation and the factors influencing of the activation were investigated.The result showed that the optimum conditions were the weight ration of soybean straw to the zinc chloride solution is 1:2.5,the concentration of zinc chloride solution is 60%, the activation temperature is 650℃ and the activation time is 120min.The adsorption capability of activated carbons based soybean straw exceed the china nation standards.
黄豆秆作为黄豆生长的秸秆，占整个黄豆作物质量的75%左右，我国每年大概能产生2.1亿t 。目前我国黄豆秆利用水平较低，给黄豆秆寻找一个好的出路已经成为有识之士所关注的问题。活性炭有其独特性，其最大的特点是具有发达孔隙结构和很大的比表面积，广泛的应用于环境保护、化学工业、食品加工、湿法冶金、药物精制、军事化学防护等多个领域，是国民经济和国防建设以及人们日常生活必不可少的产品[1-3]。我国是活性炭生产大国，产量位居世界第二，仅次于美国[3-5]。最近几年,活性炭产量迅速增加,其生产原料不足的问题日益显现出来[6-10], 黄豆杆是一种很好的活性炭生产原料。以黄豆杆为原料,用磷酸活化法制备活性炭的研究已有报道[11],但氯化锌活化黄豆杆制备活性炭尚未有研究。
氯化锌活化法中,影响活性炭的质量主要因素是浸渍比（氯化锌与黄豆杆质量比）、活化剂浓度、活化温度和活化时间等[5~6]。因此,本文主要研究浸渍比、活化剂浓度、活化温度和活化时间等工艺条件对活性炭产品质量的影响
1实验部分
1.1 原料、试剂与仪器
黄豆杆：安徽鑫汇碳业有限公司工厂附近农民提供；氯化锌：上海化学试剂公司；盐酸：南京化学试剂公司；101-1型电热鼓风干燥箱：南京实验仪器厂生产；NJ2-4-8型箱式电阻炉：南京实验仪器厂；204-3振筛机：上海实验仪器厂。
1.2.实验方法
从事林产化学加工及活性炭制备的研究。
1.2.1黄豆杆的炭活化
将黄豆杆凉干后用振筛机筛分，含水率为11.5%。按照一定的浸渍比，将黄豆杆与一定浓度的氯化锌溶液捏合，到一定时间后，放入马福炉中进行炭活化，然后取出冷却，再用盐酸和水洗涤至中性，干燥、称重、研磨待用。
1.2.2活性炭性能的测定
黄豆杆活性炭的碘吸附值、亚甲基蓝吸附值与焦糖脱色力的测定方法依照国家标准“木制活性炭试验方法”GB/T12496.1~12496-2015进行。
1.2.3试验设计
影响活化过程的因素较多，一般有以下几个方面：浸渍比、活化剂浓度、活化温度和活化时间等。因此，首先对各影响条件进行单因素试验，在此基础上进行正交试验，确定最佳工艺。
2.结果与分析
2.1 影响氯化锌活化黄豆杆制备活性炭的单因素试验
2.1.1浸渍比对活化效果的影响
在活化液浓度55%、活化温度600℃、活化时间90min的条件下，考察浸渍比对活化效果的影响，结果见图1。
图1 浸渍比对活化效果的影响
Fig1 Effect of dipping rate on activation results
由图1可以看出，活化效果随浸渍比的增大而增大。但浸渍比的增大将使生产成本随之增高，另外产品的强度也会随之下降，因此浸渍比以不超过1:2.5为宜。
2.1.2 活化剂浓度对活化效果的影响
在浸渍比1:2.5、活化温度600℃、活化时间90min的条件下考察活化剂浓度对活化效果的影响，结果见图2。
图2 活化剂浓度对活化效果的影响
Fig2 Effect of concentration of activator on activation results
从图2可以看出，活化效果随着活化剂浓度的升高而增大。但若浓度过高，相同浸渍比的情况下，溶剂将过少，不利于原料的充分浸渍，也将对活化效果产生不利影响，故浓度一般以不超过60%为宜。
2.1.3活化温度对活化效果的影响
在浸渍比1:2.5、活化剂浓度为60%、活化时间90min的条件下考察活化温度对活化效果的影响，结果见图3。
图3 活化温度对活化效果的影响
Fig3 Effect of activation temperature on activation results
由图3可以看出，活化效果随着活化温度的升高而增大。但如果温度超过650℃以后，增加趋缓，同时会增加生产成本，综合考虑，以温度不超过650℃为宜。
2.1.4 活化时间对活化效果的影响
在浸渍比1:2.5、活化剂浓度为60%、活化温度为650℃的条件下考察活化时间对活化效果的影响，结果见图4。
图4 活化时间对活化效果的影响
Fig4 Effect of activation time on activation results
由图4可以看出，活化效果随着活化时间的延长而增大。但若活化时间过长，烧失率过大，导致产量下降，故活化时间以不超过120min为宜。
2.2 氯化锌法活化黄豆杆制备活性炭的最佳工艺条件的确定
根据单因素试验的结果，选择浸渍比、活化剂浓度、活化温度、活化时间4个因素、3个水平，进行L9(34)正交试验，以考察各因素的主次影响，因素水平表见表1，试验结果见表2和表3。
从表3可结果可得知最佳工艺条件为：活化剂浓度60%、浸渍比为1:2.5、活化时间120min和活化温度650℃。
表1 因素水平表
Tab.1 The table of factors and levels
表2 正交实验结果
Tab.2 the results of orthogonal test
氯化锌活化法制备黄豆杆所制备的活性炭碘吸附值、亚甲基蓝吸附值与焦糖脱色力的测试结果见表2。从表2可以看出，碘吸附值基本上在1000mg/g以上，亚甲基蓝吸附值基本上在110~170ml/g,焦糖脱色力可以高达130%，超过糖液脱色炭的标准。由此可知氯化锌活化黄豆杆可以生产出超出国标的脱色用活性炭。
表3 极差结果分析
Tab.3 The results of range analysis
注：∑ij表示第j列因素第i水平的效应之和；Rj表示极差；I表示碘吸附值；M表示亚甲基蓝吸附值；C表示焦糖脱色力。
2.3 影响因素分析
黄豆杆活性炭碘吸附值、亚甲基蓝吸附值与焦糖脱色力的直观分析结果见表3，从极差Rj可以看出，活化剂浓度、浸渍比对活性炭的碘吸附值都有非常重要的影响，其次是活化时间和活化温度；浸渍比影响活性炭亚甲基蓝脱色力和焦糖脱色力最大，而活化温度的影响最小。因此以氯化锌为活化剂制备黄豆杆活性炭的生产工艺中，对亚甲基蓝吸附值和焦糖脱色力的控制主要通过调整浸渍比来实现。
由此可以看出，浸渍比是氯化锌为活化剂制备黄豆杆活性炭的最重要因素，产生这种结果的原因可能是：浸渍比的增加，有更多的氯化锌进入纤维素分子之间，有利于孔隙的形成；当浸渍比继续增大时，会使得微孔变大成中孔，影响活性炭对亚甲基蓝色素分子和焦糖分子的脱色[8]。说明活性炭中有效吸附孔隙不仅与其本身的组织结构有关也与氯化锌在活性炭中所遗留下的孔隙有关 [9]。
3结论
用黄豆杆做原料采用氯化锌活化法生产活性炭是可行的，活性炭的脱色力能超出国家标准，其碘吸附值、亚甲基蓝吸附值与焦糖脱色力分别可以达到1100 mg/g、175 ml/ g、130%。
参考文献
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