全 文 ：第 !" 卷 第 # 期
$ % & % 年 # 月
林 业 科 学
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3456，$ % & %
紫茎泽兰制备活性炭及其性质
孙 7 康 7 蒋剑春 7 李 7 静 7 戴伟娣
（中国林业科学研究院林产化学工业研究所 7 南京 $&%%!$）
关键词：7 紫茎泽兰；活性炭；+$ 吸附；孔径孔容；热重分析
中图分类号：,8!$!2 &7 7 7 文献标识码：-7 7 7 文章编号：&%%& 9 :!;;（$%&%）%# 9 %&:; 9 %<
收稿日期：$%%; 9 %: 9 %&。
基金项目：国家科技支撑项目（$%%"=->&?=%"）；中国林业科学研究院林业新技术研究所所长基金（(-@)+,$%%:(&"）。
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7 7 紫茎泽兰（9&:.$(1%&, .0’"(:+(1&,）是一种分
布广泛的林业恶性杂草，属亚灌木类，俗称“解放
草”（王林等，$%%!），自从 $% 世纪 <% 年代从西南边
境一带传入中国，在云南、四川、贵州等地迅速泛滥
成灾，目前已被列入我国首批外来入侵物种，排在第
& 位。它对林业的危害是侵占宜林荒山，影响造林、
林木生长和采伐迹地的天然更新；侵入经济林地，
影响茶、桑、果的生长，据估计在我国云南省已造成
的损失近 : 亿元，已成为制约我国林业建设、改善生
态环境和经济可持续发展的一个严重灾害（段惠
等，$%%#；刘志磊等，$%%"；吴天马等，$%%:）。
活性炭优质的炭质吸附材料，具有丰富的内部
孔隙和巨大的比表面积，广泛应用于环保、化工、食
品加工、药物精制等各个领域（孙康等，$%%"）。而
紫茎泽兰在云南省年产量超过千万吨，因此，利用紫
茎泽兰制备活性炭产品，资源丰富，价格低廉。不仅
可以解决该种杂草对当地林业环境的危害，又可以
用于水质净化等环境保护，还可以为当地增加明显
的经济效益，实现“以害制废，变害为宝”。
本研究以紫茎泽兰为原料，采用磷酸活化法制
备粉状活性炭，并着重研究其吸附性能及微观结构。
89 材料与方法
&2 &7 主要仪器设备 7 全自动比表面及孔隙度分析
仪 -’-] $%$%（美国麦克公司）；同步热分析仪
（>’( ^ >,-V,\）’,- !%?（德国耐驰）；扫描电镜 ’V
#!%%（日本东芝）；高温电阻炉（上海）；自制的间歇
式活化炉；:$$ 型分光光度计（上海）；植物粉碎机
（上海）；振荡器（上海）；循环水式真空泵 ’[=V!
（郑州）。
&2 $7 试验材料 7 紫茎泽兰取自于中国贵州某市，该
地区受这种杂草危害较重。原料经洗涤去杂，烘干，
用植物粉碎机破碎成小颗粒，并通过 <% 目筛，存于
干燥器中待用。磷酸等试剂均为市售分析级。
紫茎泽兰及混合木屑（活性炭的常用原料）的
组分对照如表 & 所示（南京林学院木材热解工艺学
教研组，&?"&；杨亚峰，$%%"）。紫茎泽兰与木屑等
木质原料有近似的化学组成，且紫茎泽兰的灰分较
低，木质素含量高，初步判断以紫茎泽兰为原料制得
活性炭的得率较高。
! 第 " 期 孙 ! 康等：紫茎泽兰制备活性炭及其性质
#$ " 试验方法! #）活性炭的制备! 称取 #% & 原料与
一定量质量浓度为 ’%(的磷酸溶液混合，配成不同
磷酸与原料比（以下简称浸渍比）的混合料，隔夜浸
渍后，将混合料放入高温活化炉，以升温速率小于
#% )·*+, - #加热至 ’’% )并保持 .% *+,。反应结束
后，将活性炭取出，经水洗至中性，烘干，存入干燥器
中冷却至室温，供分析用。控制一定的升温速率，是
为了保持炉膛的温度与物料内部温度的平衡，使活化
过程平稳进行。活化后的活性炭经沸水洗涤至滤液
/0 为 1 2 3，过滤，在 ##% )下烘干 " 4，破碎并全部通
过 5%% 目 6789 标准筛，得到粉状活性炭样品。
表 !" 紫茎泽兰与木屑的组分分析
#$%& !" ’()*+,$-. $/$012.2 )3 !"#$%&’(")
$*+,&#-&’") $/4 2$5462- (
水分
9:+;<=>?
灰分
6;4
纤维素
@?AA=A:;?
半纤维素
0?*+B
C?AA=A:;?
木质素
D+&,+,
紫茎泽兰
!"#$%&’(")
$*+,&#-&’")
##$ 1 "$ ’. 51$ .’ 5’$ "1 ""$ %’
混合木屑
7EFG=;<
2 #% 2 ’ 2 .% 2 5% 2 5’
! ! 5）活性炭的性能分析 ! !常规吸附指标的检
测方法 ! 制得活性炭样品的亚甲基蓝脱色率、碘吸
附值、焦糖脱色率及灰分的测定方法按照国标《木
质活性炭试验方法》HI J 8 #5.K1L # 2 55 - #KKK 进
行。分析中，每个指标的数值均取平行试验的平均
值作为结果。"微孔结构及孔径分布 ! 活性炭的比
表面积和孔径结构的表征采用美国麦克公司 676M
5%5% 自动吸附仪，以氮气为吸附介质，在液氮温度
33 N 下及相对压力（. / .%）#%
- 1 2 # 的范围内进行
氮气吸附测定，测定前，样品需在 "’% )下脱气 5 4。
比表面积采用 IO8 方法根据氮气吸附等温线计算，
总孔容积由相对压力为 %$ KK 时的氮吸附总量决定，
孔径分布根据 IP0 理论进行表征。#热重分析
（8H）! 采用德国耐驰 786 .%K 热重分析仪分析紫
茎泽兰的热解规律。称取 # & 样品，在氮气流保护
下，以升温速度为 #% ) ·*+, - #自室温升到终温
K%% )，并保持 #% *+,。$扫描电镜（ 7O9）观察活
性炭微观构造 ! 用扫描电镜分析紫茎泽兰原料及活
性炭的微观构造、孔隙形态，仪器采用日本东芝 7B
".%% 型扫描电镜。在观测前，用 OB#%#% 离子覆膜
仪对材料喷金。
7" 结果与讨论
5$ #! 紫茎泽兰活性炭的试验结果 ! 紫茎泽兰经破
碎成小颗粒后，室温下用一定比例的磷酸溶液浸渍
5. 4，使磷酸充分浸入原料组织结构中。活化温度
为 ’’% )，时间 .% *+,，磷酸溶液质量浓度为 ’%(，
浸渍比分别为 #$ 5 Q#，#$ ’ Q#，5 Q#，" Q#（质量比），制得
活性炭样品分别标记为 RP6@#，RP6@5，RP6@" 和
RP6@.，吸附性能结果见表 5。由表中数据可知，随
着浸渍比的逐渐增大，亚甲基兰吸附值、碘值、6 法
焦糖值均增加。浸渍比为 5 Q#时，各吸附指标最优，
而活性炭得率变化不明显，这与紫茎泽兰的木质素
含量较高相一致。试验中发现，在 5%% )时，混合料
已完全变成黑色炭化物，说明形成了磷酸缩合物 -
炭化物中间产物。磷酸的缩合物有耐高温抗氧化作
用，能保护炭骨架不被烧失，活化作用是有选择性地
侵蚀炭体，造就孔隙（胡淑宜等，#KKS）。活性炭
RP6@" 的各项常规吸附指标最优，亚甲基兰脱色率
53% *&·& - #，6 法焦糖值 T #%%(，碘值# %’1 *&·
& - #，灰分 #$ 5(，均高于市售脱色精制用粉状活性
炭的各项指标（表 5）。
表 7" 紫茎泽兰制备活性炭的试验结果
#$%& 7" 8.260-2 )3 9()46:-+)/ 3)( !"#$%&’(") $*+,&#-&’") %$2.4 $:-+;$-.4 :$(%)/（<=）
试验号
磷酸
原料比
UE<+:
得率
V+?AG J
(
亚甲蓝
脱色率
9I J
（*&·& - #）
焦糖值
6 法
@E>E*?A 6 J
(
碘值
W:G+,? J
（*&·& - #）
灰分
6;4 J
(
总孔容
M:>? X:A=*? J
（ C*"·& - #）
IO8
表面积
M:>? E>?E J
（*5·& - #）
发酵液
脱色率
Y?C:A:>E<+:, J
(
RP6@# #$ 5Q # .5$ # #%’ Z #%% S#K #$ # #$ 1’ # ’#K$ 5 ’3
RP6@5 #$ ’Q # .#$ 1 #1’ Z #%% SSK #$ " #$ .K # ’S’$ " 3’
RP6@" 5Q # .%$ 5 53% T #%% # %’1 #$ 5 5$ 51 # 313$ K K.
RP6@. "Q # "K$ " 55’ T #%% # %5. #$ 3 5$ #. # 3#3$ 1 SK
市售脱色
活性炭
@:**?>C+EA 6@
— — 55’ #%% K’% "$ ’ — — S5
! ! 用活性炭样品 RP6@" 进行发酵液的脱色试验，
并与市售脱色活性炭的脱色效果比较。以 %$ ’ & 活
性炭脱色 #%% *D 发酵液（透光率 "%$ 5(），脱色温
度 1% )，脱色时间 "% *+,，抽滤取滤液，以分光光度
计在波长 .51 ,* 处测定滤液的透光率，脱色率结果
见表 5。RP6@" 脱色效果最好，滤液透光率达 K.(，
K3#
林 业 科 学 !" 卷 #
较市售优质脱色活性炭的脱色效果好。
表 $ 表明，以紫茎泽兰为原料可以制得优质粉
状活性炭，并可用于实际发酵液的脱色。
$% $# 活性炭比表面积和孔结构分析 # 图 & 为紫茎
泽兰活性炭 ’$ 吸附等温线。由图可知，在相对压力
较低处，! 种活性炭吸附曲线重合，说明微孔部分
（ ( )*+）相同。在相对压力较高处，,-+./，,-+.!
曲线陡峭上升，曲线斜率迅速增大，说明中孔及大孔
明显增加；而 ,-+.&，,-+.$ 的曲线斜率保持不变，
中孔及大孔吸附量较小，不如 ,-+./，,-+.! 的发
达，说明酸料比对活性炭的孔径 0孔容有较大影响。
由表 $ 试验结果可见，酸料比 $ 1&时，制得的活性炭
孔容积最大，且有丰富的中孔及大孔。
图 &# 紫茎泽兰活性炭 ’$ 吸附等温线
2345 &# ’$ 6789:;<39= 389<>?:@ 9A ,-+.
$% /# 孔径分布 # 根据 B-C 理论，以 ’$ 解吸数据计
算的活性炭样品的孔径分布曲线如图 $ 所示。按照
DEF+. 的分类标准，吸附剂的孔分为 / 类：孔径小
于 $ =@ 的微孔，孔径在 $ G )* =@ 之间的中孔和孔
径大于 )* =@ 的大孔。可以看出孔径分布与浸渍比
关系紧密，酸料比增加，平均孔径增大（H:?44 !" #$%，
&IJ$）。! 个样品的微孔容积在孔径小于 !*+ 范围
内接近，而在孔径 )*+ 以上范围内，,-+./，,-+.!
的孔容积远大于 ,-+.&，,-+.$ 的孔容积，说明由高
浸渍比制备的紫茎泽兰活性炭微孔及中孔均很高，
可作为优质的脱色活性炭，这与表 $ 的试验结果相
吻合。酸料比高，一方面造新微孔能力增强；另一
方面有扩孔作用，磷酸氧化缩聚为亚磷酸聚合物（ &K
CFL/），分子体积增大，扩张孔隙能力更强，这与 ’$
吸附测定结果相一致。
$% !# 热重（MH）分析 # 图 / 为紫茎泽兰原料及磷酸
混合料（酸料比 $ 1&）的热重分析曲线。由图可见，
原料热解过程分为 / 部分，第 & 阶段为 $$* N之前
图 $# 紫茎泽兰活性炭孔径分布
2345 $# F9:?83O? 738<:3PQ<39= 9A ,-+.
的脱水阶段，主要包括原料中游离水、物理吸附水、
结合水的脱除。游离水、物理吸附水依靠外部供给
的热量进行蒸发逸出；结合水是指原料中的 LC 键
在受热过程中断裂、与 C 结合生成的水分并逸出，
这一阶段质量降低 )R。第 $ 阶段是 $$* G /S* N，
纤维素及半纤维素开始迅速分解，原料中 .—. 键、
.—L 键断裂，释放出 .L$，.L 等气体产物及醋酸、
甲醇和木焦油等液体产物，并有大量的反应热放出。
此阶段质量损失最明显，原料质量损失约 "*R。第
/ 阶段为 /S* G ")* N，此阶段以木质素热解为主，
放出热解气体产物，多环化合物开始进行炭网络收
缩，热降解和结构重排反应基本完成，形成炭骨架，
质量损失约 /*R。")* N以上曲线水平，质量不再
发生变化，至 I** N终温，剩余 &*R。
图 /# 紫茎泽兰及磷酸混合料的 MH 曲线
2345 /# MH TQ:U?8 A9: :6V @6! 5 原料 X6V @6添加活化剂磷酸后，改变了原料的热解历程，图
/ 中曲线"是磷酸混合料的热质量损失（ MH）曲线，
与原料的热质量损失曲线相比较有明显特点。第 &
阶段为 &** N之前，主要是游离水的蒸发，原料质量
损失约 )R；第 $ 阶段为 &** G $** N范围内，原料
快速热解反应集中在此阶段，质量损失约 /*R。一
*J&
! 第 " 期 孙 ! 康等：紫茎泽兰制备活性炭及其性质
方面，磷酸的脱水、氧化作用使得纤维素、半纤维素
的热分解大大提前；另一方面，由于磷酸热缩聚体
有阻燃作用，抑制了原料热解生成可挥发性焦油类
物质，释放出大量气体产物和热量，大部分固定下
来，磷酸混合料的热解损失小于原料的热解损失；
第 " 阶段为 #$$ % &$$ ’，进入活化阶段，反应平稳
进行，质量损失仅 ($)，主要是磷酸分子部分脱水
聚合生成焦磷酸、多聚偏磷酸等物质（*+,-./01/2-+
!" #$%，(334）。在此阶段，木质素及纤维素、半纤维
素在第 # 阶段热分解产生的多糖类物质在高温下缩
合炭化，并与磷酸发生活化反应，生成活性炭；
&$$ % 5$$ ’为高温氧化阶段，质量损失约 "$)，一
方面，生成的炭在高温下进一步发生氧化反应生成
一氧化碳和二氧化碳等气体产物；另一方面，高温
下磷酸物质以五氧化二磷的形式挥发而导致质量损
失；5$$ ’以上质量恒定，剩下质量约 #$)，主要是
稳固的石墨化炭、灰分及磷酸的分解产物亚磷酸和
氢化物（*+,-./01/2-+ !" #$%，(334）。
图 6! 紫茎泽兰原料的 17* 照片
8-9: 6! 17* +; &’(#")*+’, #-!.)(/)*’,
#< 4! 17* 观察活性炭微观孔结构 ! 图 6 为紫茎泽
兰原料的纵向维管束结构，可以看出其组织结构较
疏松，这样的结构有利于活化剂浸入管束内，与原料
充分接触；图 4 是紫茎泽兰经活化后制得活性炭
=>?@" 的纵向微观结构，由图可见，经过活化后，紫
茎泽兰的维管束被活化剂充分润涨开，形成非常整
齐的结构；磷酸聚合体的阻燃性质，使活化过程平
稳进行（如 AB 曲线的活化段），而易热解物质在较
高的活化温度下分解、挥发，剩下的结构紧致，表面
光滑。这些充分润涨起来的维管束在活性炭吸附过
程中，作为物质进出的主要通道，有利于提高吸附效
果。图 & 为 =>?@" 孔结构的 17* 照片。显然活性
炭有非常丰富的微孔，且孔径分布较宽，从几个纳米
至几十个纳米，这与氮气吸附测定的孔容积和孔分
布结果吻合。照片中还有直径为 #$$ % "$$ .C 的孔
隙，可作为吸附物质的次通道，也可让微生物及菌类
在其中繁殖，使无机碳材料发挥生物机能，成为生物
活性炭（立本英机等，#$$#）。
图 4! =>?@" 的微观结构
8-9: 4! *-DE+FGEHDGHEI 17* +; =>?@"
图 &! =>?@" 的微观孔结构
8-9: &! *-DE+J+EI 17* +; =>?@"
!" 结论
紫茎泽兰结构疏松，组分与木屑相似，可作为活
性炭的原料，用常规磷酸法可制备出吸附性能优良
的粉状活性炭，亚甲基兰吸附值 #K$ C9·9 L (，碘吸
附值( $4& C9·9 L (，焦糖脱色率大于 ($$)，灰分
(< #)，得率 6$< #)，对发酵液的脱色效果很好，优
于市售的脱色用粉状活性炭。
制得的活性炭样品的孔径分布宽，微孔及中孔
均很发达，M7A 比表面积( K&K< 3 C#·9 L (，总孔容积
为 #< #&( DC"·9 L (。
磷酸与原料的比例影响活性炭的样品的吸附性
能和微观结构，本研究中磷酸与原料比为 #N(时制得
活性炭性质最优，而磷酸量少（(< #N(）则无法获得中
孔，磷酸量过大（"N(）不能进一步增加微孔容积和比
表面积。
本研究结果说明，利用紫茎泽兰可以制备性能
优良的活性炭，替代木质和煤质活性炭。不仅解决
这种杂草给当地农林业造成的危害，也可以通过科
技转化为高附加值产品，用于水质净化等环境保护，
为当地产生明显的经济、社会效益，真正达到变害
(5(
林 业 科 学 !" 卷 #
为宝。
参 考 文 献
段 # 惠，强 # 胜，吴 海 荣，等 $ %&&’$ 紫 茎 泽 兰（ !"#$%&’(")
$*+,&#-&’") ()*+,-）$ 杂草科学，（%）：’. / ’0$
胡淑宜，黄碧中，林启模 $ 1002$ 热分析法研究磷酸活化法的热解过
程 $ 林产化学与工业，12（%）：3’ / 32$
立本英机，安部郁夫 $ %&&%$ 活性炭的应用技术：其维持管理及存在
问题 $ 高尚愚，译 $ 南京：东南大学出版社 $
刘志磊，徐海根，丁 # 晖 $ %&&"$ 外来入侵植物紫茎泽兰对昆明地区
土壤动物群落的影响 $ 生态与农村环境学报，%%（ %）：’1 /
’3$ #
南京林学院木材热解工艺学教研组 $ 10"1$ 木材热解工艺学 $ 北京：
农业出版社 $
孙 # 康，蒋剑春，张天健，等 $ %&&"$ 水蒸气法制备橡胶籽壳活性炭
的研究 $ 林产化学与工业，%"（%）：!1 / !’$
王 # 林，秦瑞豪 $ %&&!$ 外来恶性杂草紫茎泽兰研究进展 $ 西南林学
院学报，%!（’）：.% / .3，2&$
吴天马，丁 # 晖，刘志磊，等 $ %&&.$ 外来入侵植物紫茎泽兰对昆明
地区土壤动物群落的影响 $ 生态与农村环境学报，%’（%）：0!
/ 0"$
杨亚峰 $ %&&"$ 紫茎泽兰制造中密度纤维板的研究 $ 中国人造板，
（1&）：1" / 10$
4*+-- ( 5，(6,- 7 ( 8$ 102%$ 9:;<*)=6<,，;>*?@A+ @*+@ @,: )<*<;6=B$ % ,:
+:$ C<,:<,：9A@:+D6A E*+;;$
F+KHJ+6,<;< L，M@=>*G@ L，+% $.$ 1003$ E<*<;6=B
6, -*@,>G@* A@*I<,; @A=6N+: O6=P )P<;)P<*6A @A6:$ M@*I<,，’’（2）：
11&3 / 111’$
（责任编辑 # 石红青）
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