2.2。活性炭生产

如Sugumaran 等人所述，通过一步和两步活化方法制备AC 。 [ 14 ]和Basta 等人。 [ 33 ]，但改变了所用活化剂的量和温度。

3.2。生物质废物的热重分析

所选生物质废物（CFW）的TGA分析的降解阶段示于表2中. It is clear that three different weight loss stages were observed in the thermal degradation of CFW. The first stage indicates the loss of entrapped water molecules (11% of weight loss, and at approx. 200°C), while, the second stage occurred at a temperature range of approximately 250–350°C, with maximum devolatilization of weight loss, and is approximately 57%. This stage ascribed the depolymerization, decarboxylation and degradation of CFW constituents (cellulose, hemicelluloses and lignin). In the third stage (approx. 350–550°C), the carbonization occurred, with 34% of weight loss. The TGA curve shows that the degradation of CFW took place at temperatures ranging from 150 to 600°C. It is well known that the pyrolysis temperature plays an important role in product distribution, yield and characteristics of AC production [14，54，55 ]。

3.3。活性炭产量和产量

AC的生产是通过两个路径，物理活化和化学活化[典型地实现55，56 ]。与物理活化相比，化学活化已成功应用于具有更好多孔结构的AC的生产以及在更短时间内具有窄微孔分布的表面积[ 57 ]。文献报道，使用H 3 PO 4和ZnCl 2作为化学试剂被认为更有效，易于回收，并且是用于生产中孔碳的较便宜的活化剂[ 58 ]，其产率比KOH和K 2 CO 3高。活化剂。三个因素被广泛理解为影响生物质的活化：试剂原料比，活化温度，保温时间，所使用的阶段（一个或两个阶段）和前体[化学成分的数29，59，60 ]。

在本研究中，评估了优化化学试剂和基于CFW的AC的生产条件。在这方面，使用三种不同的化学活化剂（H 3 PO 4， KOH和ZnCl 2），并且通过一步（在600℃）和两步（在700℃）进行热解。总碳产量见图1。在分别用于不同化学试剂的活化步骤中，显然在两步活化的H 3 PO 4和ZnCl 2样品中获得最大碳产率（分别为59.39％和56.48％）。然而，在一步活化的H 3 PO中记录了最低的碳产率4（35.29％）和KOH（36.37％）处理样品。这些结果证实了[ 33]中报道的解释]。生物质中存在更多数量的杂原子甚至可以通过破坏C-O-C和C-C键促进活化剂（例如KOH）对材料挥发的催化作用，从而导致低碳让。在两步活化过程中，生物质首先被碳化，导致比前一种情况更高的碳产率。然后KOH与碳反应（不是生物质，因此需要较少量的KOH），导致更高的孔体积和表面积（在质地特性中清晰）。过量的KOH与灰分反应，得到可溶形式，可以通过用水洗涤浸出，从而产生无灰的AC，并促进孔隙率。此外，具有较高的木质素含量的前体提供较高的碳产率[ 15，33 ]。

 

图1。

CFW基质的碳产率与不同的活化剂和步骤。

根据Basta 等人的说法。 [ 13，33 ]，前体的化学成分发挥对所产生的AC的产率和表面积产生深远的影响。我们目前的结果表明，由于CFW中的木质素含量（46.1％），获得了高焦炭产率，特别是在应用这两个步骤时。制备的AC的百分比产率取决于不同的条件，即。温度，时间和酸/前体比[ 61 ]。而且，它们对生产的AC的表面积有效[ 62 ]。

3.4。活性炭的物理化学特性

分析碳样品的pH，EC，堆积密度和硬度，并列于表3中。pH值清楚地反映了使用的活化方法和化学品[ 63 ]。碳的pH直接影响吸附过程并影响吸附剂的最终pH。由于中性pH通常是优选的[ 64 ]，因此对于大多数应用，例如糖脱色，水处理等，碳在6-8的pH是可接受的[ 65 ]。一些商业碳的pH值可能为9-10 [ 64 ]。在本研究中，除H 3 PO 4外，所有碳样品均提供碱性pH值在一个和两个激活步骤中处理CFW。通过ZnCl 2（9.78）和KOH（8.72）一步活化记录最高pH值，而对于两个活化步骤，在没有活化剂的情况下产生碳的最大pH值（8.24），其次通过ZnCl 2 AC（7.55）。在所研究的碳原子的pH变化总是依赖于制备，化学激活过程中，无机物质（灰分量）连洗方法[存在23，34，65]。EC测试显示存在可浸出的灰分，其被认为是杂质并且在AC中是不期望的。据报道，不同AC样品的EC在119.72至1962.26μScm -1的范围内 [ 12 ]。表3显示在ZnCl 2 AC 中观察到最高EC值（分别为1962.26和685.09μScm - 1，分别为一步和两步），其次为H 3 PO 4 AC（分别为370.13和280.25μScm -1） ）在两个激活步骤中。在未处理（不含活化剂）的两步AC中记录低EC值（129.54μScm -1），然后记录一步活化的KOH样品（181.08μScm -1）。

关于堆积密度，它是碳的重要特征，并且总是与起始材料有关[ 14 ]。AC的密度对吸附物的吸收起着重要作用。通常，较高密度的碳每单位体积含有更多的吸附物[ 66 ]。在该研究中，所有两步AC样品提供最高的堆积密度（0.61-0.68g ml -1），然后是一步AC（0.40-0.49g ml -1）。美国水工作协会（AWWA，1991）已将体积密度设定为0.25 g ml -1的下限，以供GAC实际使用。表3显示，所有调查的AC具有比AWWA更高的堆积密度值; 因此，它适用于水处理目的。

磨损或硬度测量的机械强度，并且确定碳的承受正常处理操作的能力，并作为一个重要的参数用于在运输过程中理解相对损失，处理和再生[ 14，23，40，67 ]。在一次和两次活化中，在H 3 PO 4和KOH（范围为29.10至31.85％）的情况下观察到更高的硬度，在一步法中接着是两步（范围从24.00至29.50％）。但是，在ZnCl 2的情况下基于AC的样品，在两个活化步骤中都观察到最低硬度值（6.55和8.35％）。在碳观察到的，作为结果表明磨损的百分比，取决于碳密度或开始磨损的材料/化学试剂作为百分比是变化的[ 14，23 ]。

3.5。Brunauer-Emmett-Teller表面积分析

通过应用BET确定AC的表面积和微孔体积。BET表面积描述了AC材料的微孔和中孔体积的存在。高表面积和孔隙率的交流质量非常重要，因为它提供了在AC的[在除去大量从气体或液体流的污染物19，68 ]。BET表面积（m 2  g -1），孔体积（cm 3  g -1）和平均孔径（Å）的结果列于表4。使用三种活化剂的两步AC样品显示出比一步法更高的BET值。在不同的活化途径中，在两个活化步骤的情况下，观察到H 3 PO 4处理的碳（547.89m 2  g -1）的最大BET表面积，接着是KOH（513.97m 2  g -1）和ZnCl 2（335.08m 2  g -1），而在一步活化的情况下，H 3 PO 4 - 和KOH-AC 的最大BET分别为262.70和217.55m 2  g -1。可以看出，使用ZnCl进行一步热解当与未处理的碳（没有活化剂产生的碳）相比时，图2提供具有较低BET表面积（61.70m 2  g -1）的AC 。有趣的是注意到，我们产生AC从两步法的BET比在文献[更高14，41 ]。

孔体积是表征在AC的孔结构[另一个重要参数69，70 ]。表4显示，一步法提供的孔的孔体积在1.89和0.739cm 3  g -1之间，而两步法提供的孔体积在0.375和0.454cm 3  g -1之间。

3.6。扫描电子显微镜

进行SEM以发现不同研究的碳样品的表面形态，如图2所示。在单步激活，CFW未处理AC的SEM图像显示出孔径的大尺寸与在碳样品的边缘处观察到小裂纹的中心（图2中一个），而ħ 3 PO 4处理CFW显示良好下放椭圆形毛孔，边缘没有任何损坏（图 2b）。在KOH活化的CFW的情况下，孔是不规则的，椭圆形的，具有破碎的边缘，看起来像嵌入的深孔（图 2c），而AC使用ZnCl 2，它显示出不规则的孔隙，大部分孔隙在基质中坍塌（图 2d）。

 

图2。

来自CFW的碳样品的SEM显微照片，放大倍数×6000：（a）未处理的碳，（b）H 3 PO 4 AC，（c）KOH AC和（d）ZnCl 2 AC。

关于两步活化，未处理的CFW碳的SEM图像显示具有光滑表面结构的各种尺寸的椭圆形孔（图2e）。H 3 PO 4活化的CFW碳显示出具有破碎结构的无形孔（图 2f），而KOH AC显示出具有光滑（图 2g）表面的椭圆形孔。ZnCl 2活化的CFW碳显示出不规则的孔，表面有破壁（图 2h）。这些SEM图像清楚地表明H 3 PO 4和KOH浸渍的碳具有比ZnCl 2更清晰的多孔结构 AC的。