全 文 ：西藏青冈活性炭的制备、表征及吸附研究
李婉茹　刘涛　韩兴昊　韩兴年
（西藏农牧学院应用化学，西藏　林芝　８６００００）
摘　要：文章以青冈为原料，在管式炉氮气氛围下将化学活化好的原料制备成活性炭，对比研究了四种
不同的化学活方法，即二氧化碳活化法、磷酸（Ｈ３ＰＯ４）浸渍活化法、氢氧化钾（ＫＯＨ）浸渍活化法和磷酸
钾（Ｋ３ＰＯ４）浸渍活化法，并对制备的活性炭进行元素表征、物理吸附性及表面官能团的表征。结果表
明，青冈是制备活性炭的优质原料，四种活化制备方法中，氢氧化钾（ＫＯＨ）浸渍制备得到的活性炭比表
面积最大，四种活性炭均在活化后表面附着基团，有良好的吸附性能。
关键词：活性炭　青冈　制备
引言
活性炭是一种多孔炭材料，具有高度发达的孔隙
结构和巨大的比表面积，吸附能力强、化学稳定性好、
机械强度高、使用失效后易再生等特点［１］。随着我国
工业化程度加深，环境污染日益严重，活性炭已经成为
十分重要的工业产品，它在食品、医药、化学工业和环
保等许多领域中发挥着巨大的作用［２］。由于活性炭产
业在目前基本属于“资源消耗型”产业，因此，原料来源
成为一个限制活性炭产业发展的重要原因。目前研究
较多的是生物质活性炭，生物炭的来源比较广泛，它具
有可再生、低污染、二氧化碳零排放等优点，同时原料
价格低廉、含灰分少，农林废弃物得到充分的利用（如
农作物秸秆［３］、稻壳［４］、木材［５］、椰壳［６］等）。活性炭的
主要成分是碳元素，也含有硫、氧、氮等元素，活性炭本
身无极性且表明呈疏水性，碳表面易被氧化或还原，在
这个过程中使其表面产生多种官能团。
青冈栎（Ｃｙｃｌｏｂａｌａｎｏｐｓｉｓ　ｇｌａｕｃａ）是壳斗科（Ｆａ－
ｇａｃｅａｅ）青冈属（Ｃｙｃｌｏｂａｌａｎｏｐｓｉｓ）树种。常绿乔木，高
达２０ｍ，胸径可达ｌｍ，树冠扁广椭圆形，树皮暗灰色或
淡褐色。小枝无毛，芽鳞多数，排列紧密。叶倒卵状长
椭圆形或长椭圆形，长６～１４ｃｍ，宽２～６ｃｍ，先端渐
尖，基部宽楔形或近圆形，边缘中部以上有尖锯齿，下
面微灰白色，被平伏毛，侧脉８～１２对。雌花单生，或
２～４个簇生。壳斗盘状，包坚果１／３左右。壳斗上鳞
片排列成环状，环边全缘，坚果卵状圆柱形，直径约
ｌｃｍ左右。青冈的适应性强，对土壤要求不严，在我国
西藏林芝市和昌都地区分布广泛，符合制备活性炭的
原料要求。
１　实验部分
１．１　原料、药品及仪器
材料：青冈收集于农牧学院后山，将原料去除表面
尘土等杂质，太阳下晒干后劈成直径约为３ｃｍ、长越
１０ｃｍ的条状，放入烘箱中保持１０５℃下完全烘干，转
入干燥器中，作为制备活性炭原料。
药品：氢氧化钾、磷酸、磷酸钾等均为分析纯。
仪器：智能马弗炉ＤＣ－Ｂ－１、鼓风干燥箱ＬＣ－
２２３、分析天平 ＡＬ１０４、元素分析仪 Ｖａｒｉｏ　ＭＡＣＲＯ
ｃｕｂｅ、全自动物理吸附仪、电子天平ＢＳＡ１２４Ｓ、傅里叶
红外光谱仪、热重分析仪。实验装置如图１所示。
图１
１．２　青冈活性炭的制备工艺
青冈制备活性炭的工艺分为两种，一种为化学活
化法，一种为物理活化法。
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学术探讨　　　　　　　　　　　　　　　　　　　《西藏科技》２０１６年９期（总第２８２期）
试验过程如下：炭化过程，将处理好的原料放入石英管
内进行炭化，以氮气为载气，气体流量为１５０ｍＬ／ｍｉｎ，
炭化时间为１２０ｍｉｎ，炭化温度为７５０℃；炭化后进行研
磨，过４０目分子筛，炭化后的粉末进行活化。
化学活化法选取氢氧化钾、磷酸钾、磷酸三种方法
进行浸渍活化，分别取５ｇ炭化后的青冈粉末放入３个
５０ｍｌ烧杯中，按照一定的浸渍比，浸渍２４ｈ后置于
１０５℃的烘箱中干燥，干燥４０ｍｉｎ后用０．１ｍｏｌ·Ｌ－１的
ＨＣｌ溶液洗涤去掉杂质，再用超纯水反复洗涤至中
性，抽滤、烘干至质量恒定后，平铺在刚玉舟内，放入管
式石英炉中活化，以氮气为载气，载气流量为１５０ｍＬ
·ｍｉｎ－１进行活化，选择的活化时间为１２０ｍｉｎ，活化温
度为５００℃。物理活化法是将研磨后的青冈粉末直接
平铺于刚玉舟上，通入二氧化碳气体在一定的温度进
行活化。
１．３　青冈活性炭的表征
活性炭的表征有以下几个方面：
１．３．１　工业分析：检测依据ＧＢ／Ｔ　２８７３１－２０１２固体
生物质燃料工业分析方法。
１．３．１．１　 含水率的测定：称取一定质量的试样，在
１０５℃的鼓风中干燥２ｈ，冷却至室温称重，继续烘干，
称量数次，到重量不发生变化为止。含水率计算公式：
Ｍ（％）＝ｍ１ｍ×１００
（２－１）
其中，Ｍ 为试样含水率，％；ｍ 为称取试样的质
量，ｇ；ｍ１ 试样干燥后失去的质量，ｇ。
１．３．１．２　灰分的测定：称取一定质量的试样，均匀摊
在灰皿中，转入马弗炉后，加热至５５０℃，再此温度下
灼烧２ｈ，取出冷却至室温后称量。灰分计算公式：
Ａ＝ｍ１ｍ×１００
（２－２）
其中，Ａ是试样灰分质量分数，％；ｍ为称取试样
质量，ｇ；ｍ１为灼烧后残留的质量，ｇ。
１．３．１．３　挥发分的测定：将坩埚预先灼烧至９００℃，
准确称取一定质量的试样，放入９００℃的马弗炉中，准
确加热７ｍｉｎ，要求炉温在３ｍｉｎ内恢复至℃不变，否则
实验失败。挥发分计算公式：
Ｖ＝ｍ１ｍ×１００－Ｍ
（２－３）
其中，Ｖ为挥发分质量分数，％；ｍ为固体生物质
燃料试样的质量，ｇ；ｍ１ 为试样加热后减少的质量，ｇ；
Ｍ为试样水分质量分数，％．
１．３．１．４　固定碳的计算公式为：
Ｆ（％）＝１００－Ｍ－Ａ－Ｖ（２－４）
其中，Ｍ为试样含水率；Ａ为试样灰分；Ｖ为试样
挥发分。
１．３．２　元素分析：检测依据ＤＬ／Ｔ　５６８－２０１３燃料元
素的快速分析方法；对选定的标定用物质进行若干次
氢、氧和氮建立工作曲线；称取一定质量的试样装入容
器中封口，进行仪器分析。
１．３．３　比表面积：检测依据ＧＢ／Ｔ　１９５８７－２００４气体
吸附ＢＥＴ法测定固态物质比表面积。
１．３．４　总孔径和平均孔径：检测依据ＧＢ／Ｔ　２１６５０．２
－２００８压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布
和孔隙度 第２部分：气体吸附法分析介孔和大孔。
１．３．５　红外光谱分析：检测依据ＪＹ／Ｔ　００１－１９９６傅
里叶变换红外光谱方法通则，通过傅里叶红外光谱法
（Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　Ｉｎｆｒａｃｅｄ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，简称ＦＴ
－ＩＲ）来测定活性炭表面的官能团种类。将青冈活性
炭样品少量至于玛瑙研钵中，以１∶２００的量加入高纯
溴化钾，充分混合、研磨后用压片机压成透明薄片，放
入红外光谱仪中进行测定，采用２ｃｍ－１的分辨率，扫描
区间为４００～４０００ｃｍ－１进行扫描。
１．３．６　热重分析：检测依据ＪＹ／Ｔ　０１４－１９９６热分析
方法通则；升温速率为２０℃／ｍｉｎ，初温３０℃，终温
９００℃，终温保持０ｍｉｎ，气体氛围为空气。
２　结果与讨论
２．１　青冈的化学性质
２．１．１　青冈的工业分析。青冈的工业分析如表１所
示。与广泛试用制备活性炭的原料锯末、椰壳、芦竹［７］
相比，青冈的水分含量少、灰分含量较低，挥发分为
０．５３％，固定碳１４．６２％，是制备活性炭的优质原料。
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《西藏科技》２０１６年９期（总第２８２期）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　学术探讨
　　表１ 青冈的工业分析
原料 水分（％） 灰分（％） 挥发分（％） 固定碳（％）
青冈 ４．９２　 ０．５３　 ７９．９３　 １４．６２
芦竹 ２．２０　 １．４０　 ７４．２　 ２２．２
锯末 ９．４０　 ０．６８　 ７７．８　 ２１．５
椰壳 １０．５　 ０．７４　 ７８．３　 ２１．０
２．１．２　青冈的热重分析。为确定青冈活化温度最高
值，对青冈进行热重分析。图２为青冈的热重曲线，由
图可以看出，热重分析实验获得一定升温速率下的两
种不同特性曲线，一是热重曲线（ＴＧ），它是指物质重
量随温度变化的曲线；二是微商热重曲线（ＤＴＧ），它
是指物质重量随温度变化的变化速率，是通过对 ＴＧ
曲线一次微分得出，反应的是样品重量变化率和样品
温度之间的关系。
图２　青冈的热重分析
从上图可以看出青冈的热分解主要分为三个阶段，第
一阶段在２００℃以前，这一阶段ＴＧ曲线和ＤＴＧ曲线
都较为平稳，没有明显的失重情况发生。第二阶段在
２００～５５０℃，２００℃时ＤＴＧ曲线急剧变化，在氮气氛
围下蔗糖在这个阶段中热解生成小分子气体以及大分
子的可冷凝挥发成分而造成明显失重［８］，主要的失重
和放热过程都发生在这一阶段。５５０℃以后热重趋向
平稳，为碳化阶段。因此，碳化温度选择５５０以上的温
度，以保证最终产品的质量，故在碳化过程中，选择温
度为７５０℃进行碳化。
２．２　活性炭的物理吸附表征
比表面积、总容积和平均孔径是表征活性炭吸附
性能的主要指标，因为这一指标可以直观的解释活性
炭产生吸附的原因，可以让人们对活性炭吸附有一个
更加深刻的认识，所以在活性炭材料的研究过程中，这
项检测指标是用的非常多的，是吸附性能非常重要的
表征数据。
　　表２ 物理吸附表征
活化类型 比表面积（ｍ２／ｇ） 总容积（ｃｍ３／ｇ） 平均孔径（ｎｍ）
青冈原料 ０．７　 ０．００６　 ３６．４７
氢氧化钾 ２１６７．７　 ０．９４３　 １．７４
磷酸 ４４．２　 ０．０３２　 ２．８８
磷酸钾 ６．０　 ０．００３　 １．９３
二氧化碳 ８６７．８　 ０．４３７　 ２．０１
　　实验得出，氢氧化钾活化得到的活性炭具备较大
的比表面积和孔容积，具有较好的吸附性能。原因是
部分 ＫＯＨ 与原料生成 Ｋ２ＣＯ３ 和 Ｋ２Ｏ；另一部分
ＫＯＨ在温度达到５００℃时就可发生脱水反应生成
Ｋ２Ｏ，这些含钾化合物对碳的气化有催化作用，故活性
炭比表面积大大增加［９］。四种活化方法的孔径均集中
在２ｎｍ左右，属于窄孔径分布，吸附性能好［１０］。
２．３　活性炭表面官能团及元素分析
２．３．１　活性炭红外光谱分析
图３　青冈红外光谱图
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学术探讨　　　　　　　　　　　　　　　　　　　《西藏科技》２０１６年９期（总第２８２期）
图４　氢氧化钾碳化物红外光谱图
图５　磷酸氢钾碳化物红外光谱图
图６　磷酸钾碳化物红外光谱图
图７　二氧化碳化物红外光谱图
　　从图中可以看出，不同的活化方法具有不同的红
外谱图。参照表３给出的官能团归属分析，所有样品
在１６８４－１７５１ｃｍ－１范围内均有吸收，是因为红外光谱
中检测到－Ｃ＝Ｏ，３５７１ｃｍ－１处有明显的吸收峰出现，
则是羟基或者氢键的伸缩振动引起的［１１］。１１４５－
１２５０ｃｍ－１及１２５０－１３９９ｃｍ－１范围内的Ｃ－Ｏ和Ｃ－Ｃ
骨架振动等，可知样品中存在烃类、羰酸类、酮类和醛
类等大分子物质［１２］。
　　表３ 样品热解产物及官能团归属分析
波数（ｃｍ－１） 峰中心（ｃｍ－１） 官能团 振动类型 产物归属
１６１５－１８４５　 １７００ －ＯＨ 弯曲 结晶水
３５２０－３８６０　 ３５７１／３７２９ －ＯＨ 伸缩
２３８２－２３１０　 ２３６０／２３２２ －Ｃ＝Ｏ 伸缩
６３２－７０２　 ６５０／６６９／６９０ 指纹带 ＣＯ２
２０７０－２１３０　 ２１１５ －ＣＯ 伸缩 ＣＯ
２１６２－２２０７　 ２１７７ －ＣＯ 伸缩
３０１８　 ３０１８ －ＣＨ 伸缩 甲烷
２９７２　 ２９７２ －ＣＨ 伸缩
１３０３－１３０６　 １３０５ 指纹带
３５２３－３６４８　 ３５７１／３５９５ －ＯＨ 伸缩
１２７０－１３６３　 １３１４ －ＯＨ 变形 醇类
１０７３－１１４０ 宽／１１０６／１１２２ －ＣＯ 伸缩
２７４４－２８９７　 ２７２０ －ＣＨ 弯曲
宽／２８１８ －ＣＨ 伸缩 醛类
１６８０－１７５０　 １７１９／１７３３／１７４７ －Ｃ＝Ｏ 伸缩
７９５－９７２ 宽 －ＣＨ 变形 羧酸类
３５２３－３５８６　 ３５６０ －ＯＨ 伸缩
７２
《西藏科技》２０１６年９期（总第２８２期）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　学术探讨
１７１７－１７７６　 １７３３／１７４７ －Ｃ＝Ｏ 伸缩
１３９６－１４５８　 １４１７ －ＯＨ 变形
１２１１－１３２１　 １２０６／１３１３ －ＣＯ 伸缩
１７００－１７３９　 １７１９／１７２４／１７３３ －Ｃ＝Ｏ 伸缩
１７４６　 １７４６ －Ｃ＝Ｏ 伸缩 酮类
１２５０－１３３９　 １３１４／１２８９／１２６９ Ｃ－Ｃ 骨架
１１４５－１２５０ 宽／１２０６ Ｃ－Ｃ 骨架
２．３．２　活性炭元素分析
表３ 化学元素分析
活化类型 Ｃａｒ（％） Ｈａｒ（％） Ｎａｒ（％） Ｓｔ，ａｒ（％）
青冈原料 ４６．９７　 ５．７８　 ０．１４　 ０．１１
氢氧化钾 ７９．３８　 ０．３４　 ０．５８　 ０．１４
磷酸 ８５．７９　 ２．３６　 ０．５６　 ０．１５
磷酸钾 ８３．９０　 ０．６０　 ０．９２　 ０．１８
二氧化碳 ９０．２４　 ０．４８　 １．０９　 ０．１６
　　由上表可见，活性炭的含碳量远远高于青冈原料，
并且含氢较少，不同的活化方法所得的活性炭Ｎ、Ｓ元
素的含量不同，青冈是优质的活性炭原料。
３　结束语
我国活性炭正向着多品种高质量的方向发展，因
此活性炭原料尤为重要，本研究证明青冈灰分少，是制
备活性炭的优质原料。以青冈为原料的四种活化方法
制备的活性炭均具较好的孔径分布和表面官能团附
着，因此，都具有良好的吸附性能。其中，氢氧化钾法
的比表面积最大，且表面附着官能团较多，是最优制备
方法。合理开发利用西藏青冈，将会为西藏本地居民
带来可观收益。
参考文献
〔１〕贺近恪，李启基，等．林产化学工业全书［Ｍ］．北
京：中国林业出版社，１９９７：９１９－１０６８．
〔２〕谢志刚，刘成伦．活性炭的制备及其应用进展［Ｊ］．
工业水处理，２００５，２５（７）：１０－１２，１７．
〔３〕ＬＩＮ　Ｓ　Ｈ·ＪＵＮＧ　Ｒ　Ｓ．Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｈｅｎｏｌ　ａｎｄ
ｉｔｓ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ　ｆｒｏｍ　ｗａｔｅｒ　ｕｓｉｎｇ　ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ｒｅｓｉｎｓ　ａｎｄ
ｌｏｗ－ｃｏｓｔ　ｎａｔｕｒａｌ　ａｄｓｏｒｂｅｎｔｓ：Ａ　ｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ
Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，２００９，９０ （３）：１３３６
－１３４９．
〔４〕胡志杰，李淳，水蒸气活化制备稻壳活性炭的研究
［Ｊ］，生物质化学工程，２００７，４１（５）：２１－２４．
〔５〕ＨＡＭＥＥＤ　Ｂ　Ｈ，ＲＡＨＭＡＮ　Ａ　Ａ．Ｒｅｍｏｖａｌ　ｏｆ
ｐｈｅｎｏｌ　ｆｒｏｍ　ａｑｕｃｏｕｓ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ｂｙ　ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｏｎｔｏ　ａｃ－
ｔｉｖａｔｅｄ　ｃａｒｂｏｎ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｆｒｏｍ　ｂｉｏｍａｓｓ　ｍａｔｅｒｉａｌ［Ｊ］．
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈａｚａｒｄｏｕｓ　Ｍａｔｅｒｉｃａｌｓ，２００８，１６０（２－３）：
５７６－５８１．
〔６〕蒋柏泉，曾芳，等．椰壳活性炭的制备及吸附酸性
大红ＧＲ燃料动力学［Ｊ］．工业水处理，２０１４．３４（６）：１４
－２０
〔７〕孙媛媛．芦竹活性炭的制备、表征及吸附特性［Ｄ］．
山东：山东大学，２０１４．
〔８〕王新运，陈明强，王君，万新军．生物质热解动力学
模型的研究［Ｊ］．化学与生物工程，２００９（２６）：６１－６３．
〔９〕崔静，赵乃勤，李家俊．活性炭制备及不同活性炭
的研究进展［Ｊ］．碳素技术，２００５（１）：２６－３０．
〔１０〕ＫＡＭＥＧＡＷＡ　Ｋ，ＹＯＳＨＩＤＡ　Ｋ．Ｐａｅｐａｒａｔｉｏｎ
ａｎｄ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｗｅｌｉｎｇ　ｐｏｒｏｕｓ　ｃａｒｂｏｎ　ｂｅａｄｓ
［Ｊ］．Ｃａｒｂｏｎ，１９９７，３５（５）：６３１．
〔１１〕Ｓａｈｕ，Ｊ．Ｎ．Ｊ．Ａｃｈａｒｙａ，ａｎｄ　Ｂ．Ｃ．Ｍｅｉｋａｐ，Ｏｐｔｉ－
ｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ａｃｔｉｖａｔｅｄ　ｃａｒ－
ｂｏｎｓ　ｆｒｏｍ　Ｔａｍａｒｉｎｄ　ｗｏｏｄ　ｂｙ　ｚｉｎｃ　ｃｈｌｏｒｉｄｅ　ｕｓｉｎｇ　ｒｅ－
ｓｐｏｏｎｓｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｂｉｏｒｅｓｏｕｒｃｅ　Ｔｅｃｈ－
ｎｏｌｏｇｙ，２０１０．１０１（６）：１９７４－１９８２．
〔１２〕任强强，赵长遂，郑赞等．基于红外联用分析的木
质素热裂解动力学研究［Ｊ］．２００７，１３（１）：５０－５４．
编校　洛松拉措
８２
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