正交试验优化制备杏壳活性炭工艺
1.1引言
我国现有的活性炭以果壳类活性炭应用最为广泛，其高碘值果壳炭是一种优质活性炭，不仅吸附性能优良﹑化学性质稳定﹑再生方法简单，而且还具有非常丰富的微孔结构，较大的力学强度等特性。高碘值果壳炭作为一种优质活性炭，其价格是普通活性炭的10倍，具有良好的商业前景[1]。
现我国经济不断的发展，资源、能源需求量不断的提高，重工业的发展导致了我国环境的不断恶化，这些因素严重制约了我国的可持续发展，开发新能源以及如何有效的使用资源和能源，保护我们赖以生存的环境，成为我们急需解决的课题。生物质能能源作为可再生能源，资源遍布全国，生物质种类繁多，是一种取之不尽用之不竭的资源，生物质能源的开发利用时产生的污染极其少，能有效的缓解我国能源和环境压力。目前煤、木材、椰壳、木屑、竹等[2]是活性炭制备原料的重要组成部分，但是现在工业发展迅速，工业对活性炭的需求越来越高，作为制备活性炭的传统原料木材和煤[3]已经显得供不应求。我国是杏属植物的发源地，资源取之不尽用之不竭。杏属植物资源主要分布在我国北方地区，产地遍及河北、河南、新疆、甘肃、山东以及山西。目前我国对杏资源的开发主要杏仁和杏肉[4]，杏仁被广泛应用于糖果、面包、饼干、饮料等的生产中，其外壳是杏仁深加工过程中产生的废弃物，约占杏核质量的71%。据统计，我国山杏年产量达250万t，加工过程约产生杏壳180万t，大量的杏壳被丢弃，造成环境污染，资源浪费[5-6]。通过杏壳炭化和活化制备出具有不同孔隙结构的活性炭产品，提高杏壳的经济价值以及满足工业对活性炭应用的需求具有重大意义。
1.2 活性炭的历史
活性炭(Activated carbon，简称AC)是由含碳物质制成的外观黑色、内部孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳。采用现代技术制备的活性炭，它的孔隙比孔容积可以超过2cm3/g，比表面积达到3000m2/g以上，优异的吸附-脱附性能使它被称为“万能的吸附剂”。吸附作用在人们生活和生产活动中应用的历史已经非常漫长，远古时期，人们已经知道木炭和草木灰可以去除空气中的异味和湿气，这种应用一直延续至今。公元前2世纪，印度人用木炭过滤水；公元前5世纪，古医学创始人Hippocrates用炭去除腐败伤口的气味；公元前1500年古埃及和古巴比伦人用木炭做药的记载。在中国，木炭作为墓葬的防腐剂出现在战国早期。木炭对气体的吸附作用和对液体的脱色能力是在十八世纪工业革命时被陆续发现的，1773年Sheele、1777年Fontana相继发现木炭可以吸附气体；1785年俄国Lowitz等发现木炭具有对液体的脱色能力，1793年活性炭被用于糖液脱色。直到1900年和1901年，活性炭作为人造材料被Raphaelvon Ostrejko发明，并分别是取得英国专利B.P.14224(1900)、B.P.18040(1900)和德国专利Ger.P.136792(1901)，这为活性炭制造生产的现代技术奠定了基础。活性炭的使用初期主要表现在粉炭代替糖业中的骨炭，直到20世纪20年代，第一次世界大战，活性炭用于防毒面具，开创了活性炭在工业化学史上的辉煌。从此活性炭市场不断扩大，活性炭的吸附和催化功能广泛应用于回收和精制、合成。20世纪60年代，活性炭在废水、废气处理方面得到广泛应用，促进了活性炭工业的发展；70年代，许多国家采用石油残渣以及其他工业上的废料作为原料，制造出各种用途的活性炭，活性炭的产量和质量也在不断提高；20世纪90年代以来，由于环境污染日益严重，活性炭作为良好的吸附剂，在空气净化方面得到了广泛的应用。近年来，高比表面积活性炭和高吸附性能活性炭在天然气的存储、双电层电容器、气体吸附分离等领域表现出巨大的应用前景。活性炭作为一种优良的吸附剂材料，在环保、食品、化工、军事等领域广泛应用，使得活性炭产品显现出诱人的市场和良好的经济效益，促进了活性炭的研究、开发和利用。
1.2.1活性炭的结构
活性炭是非晶结构的无定形含碳物质，由石墨微晶、碳网平面和无规则碳组成。活性炭的微晶碳原子由六角形排列的平行网平面组成，但网平面并没有共同的垂直轴，层与层的角度是紊乱的，平面呈现不规则的重叠，称为“乱层结构”，如图1-1(b)。研究发现，活性炭最常见的基本微晶大小为：高度0.9~1.2nm，宽度2.0~2.3nm，一个基本微晶约由3~4个平行碳网平面所组成，它的宽度约是碳六角体宽度的9倍，与石墨(图1-1(a))相比，它的微晶炭中平面网之间排列不整齐。由于石墨微晶的碳网面会发生剥离、侵蚀和错位等变化，加上石墨微晶大小不同、形状各异、排列无序等形成活性炭的孔隙。孔的形状呈现多样性，如圆孔状、毛细管状、墨水瓶状、“V”形状等。
(a)石墨规则结构(b)活性炭乱层结构
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