全 文 ：第 ws卷 第 v期
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林 业 科 学
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木质炭化物对挥发性有机污染物吸附性能的研究 3
黄 彪
k福建农林大学材料工程学院 南平 vxvsstl
高尚愚
k南京林业大学化学工程学院 南京 utssvzl
摘 要 } 本文探讨了炭化温度对木材炭化物的得率 o还原性 o³‹ 值 o苯蒸气 !三氯甲烷蒸气吸着率的影响 ∀结果
表明 ovss ∗ |ss ε 的炭化温度下 o木炭的得率随着炭化温度升高而下降 o并在 y|1{ h ∗ us1y h的范围内变化 ∀炭化
温度为 zss ε 时 o产物木炭的比表面积最大 ~{ss ε 时 o木炭元素组成中的k≤ n ‹lΠ’的摩尔比值最大 o这意味着该木
炭的还原性最大 ∀木炭水溶液的 ³‹值随着炭化温度上升而增加 o炭化温度小于 xxs ε 时呈酸性 o大于 xxs ε 时为碱
性 ∀炭化温度对木炭环境净化能力有显著的影响 oyss ε 炭化得到的木炭对三氯甲烷蒸气的吸附率最大 o高达
{1x h o约为 vss ε 时的 x倍 ~{ss ε 炭化得到的木炭对苯蒸气的吸附率最大 o达 x h o约为 vss ε 时的 x倍左右 ∀
关键词 } 木炭 o炭化温度 o吸附 o三氯甲烷 o苯
中图分类号 }≥z{t1w 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusswlsv p stws p sw
收稿日期 }ussu p s| p s{ ∀
基金项目 }国家留学基金资助 ∀
3 本研究是在日本京都大学研究生院能源科学研究科坂志朗教授的实验室完成的 o作者对国家留学基金委员会与坂志朗教授给予的支持
与帮助表示衷心感谢 o并对同实验室的宫藤久士 !⁄qŽ∏¶§¬¤±¤!所裕子等所给予的协助表示诚挚的谢意 ∀
Στυδψ ον Ρεµοϖαλ οφ ς ΟΧ Πολλυτινγ Συβστανχεσ βψ Χαρβονιζεδ Ωοοδψ Ματεριαλσ
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k Σχηοολοφ Ματεριαλ Ενγινεερινγ o Φυϕιαν Αγριχυλτυρε ανδ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Νανπινγvxvsstl
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k Σχηοολοφ Χηεµιχαλ Ενγινεερινγ o Νανϕινγ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Νανϕινγutssvzl
Αβστραχτ } ׫¬¶³¤³¨µ¶·∏§¬¨§²±·«¨ ©¨©¨¦·¶²©¦¤µ¥²±¬½¬±ª·¨°³¨µ¤·∏µ¨¶²±·«¨ ¼¬¨ §¯²©¦«¤µ¦²¤¯ oµ¨§∏¦·¬²±o³‹ √¤¯∏¨ o¶³¨¦¬©¬¦
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Κεψ ωορδσ} • ²²§¦«¤µ¦²¤¯ o≤¤µ¥²±¬½¤·¬²±·¨°³¨µ¤·∏µ¨ o„§¶²µ³·¬²±o≤«¯²µ²©²µ°o…¨ ±½¨ ±¨
木质材料自古以来一直深受人们喜爱 o由于各种形式的应用导致林木大量砍伐 o造林速度远跟不上砍伐
速度 o森林资源于是变得十分匮乏 ∀因此 o在保护资源及寻求新资源的需求下 o木质废弃物的回收 !再利用与
资源化课题受到广泛重视 ∀木质废弃物包括树皮 o制材厂的边材 !锯屑 o胶合板厂的端材 !芯材 !裁边 o以及家
具厂的木块 !刨花 !锯屑等 ∀目前这些废弃物利用的比例还不大 o除少部分以制浆 !制造纤维板等方式回收再
利用之外 o大多作为燃料使用 o因此 o木质废弃物新用途之开发实在必要k堀江秀夫 ot||{l ∀
木炭作为家庭用燃料与人类有着密切关系 o近年来木炭在燃料以外的新用途受到了很大关注 o不仅在隔
音及电磁屏蔽方面 o在环境净化方面的应用尤其引人注目k今村佑嗣 ot||| ~成代进 ot||v ~黄彪等 oussvl ∀过
去这方面一直使用活性炭作吸附剂 o最近有些场合开始使用木炭了 ∀究其原因 o首先是吸附剂价格问题 o活
性炭在制造过程中 o需炭化和活化二道工序 o而木炭只需炭化一道 o故较之便宜 ~其次从资源的有效利用方面
来看 o将间伐材 !废材 !山场剩余物等充分利用起来 o有利于可持续发展 ~再则随着农业上无农药无化肥的有
机耕作法的发展潮流 o木炭及其副产物木醋液作为土壤改良剂 !植物生长调节剂 !无害农药 o有益于环境 o有
益于人类k胡淑宜等 ot|{| ~吴新华 ot||yl ∀另一方面 o木炭是一种炭化物 o它以固体形态直接将碳元素固定
下来 o使碳元素不会形成 ≤’u 进入大气中 o造成 ≤’u 浓度增加 o即有间接的降低大气中温室效应的环保效
益 ∀这一低成本又高效能材料 o其原材料可以是木质废弃物 !低质中小径木 !间伐材等 o因此若能积极进行相
关研究 o可为环保问题提供一个解决之道 o达到废弃物资源化之目的k安部郁夫 ot||w ~炭 χ − Ν会 ot||t ~
⁄¤√¬§ot||tl ∀
众所周知 o随着工业与经济的飞速发展 o环境问题日益严重 o大气与水中的有毒物质日趋增多 o例如目前
正兴起的家居装饰中散发出的苯 !甲醛 !三氯甲烷等挥发性有机物质k∂ ’≤l对人体就十分有害 o因此有必要
去除这些有害物质 ∀本试验旨在研究木材的炭化温度对木炭吸附有害物质的环境净化能力的影响 o以期为
木炭的应用工作提供一些理论依据 ∀本研究以苯及三氯甲烷作为欲去除的有害物质样品 ∀
t 材料与方法
111 原料与炭化工艺
以北美乔柏k Τηυϕα πλιχαταl为原料样品 o切成大小为 u°°k• l ≅ u°°k×l ≅ y kl°°的木片 otsx ε 干燥 uw
«o并于干燥器中冷却至室温后 o称取约 ts ªo置于小型加热器kŽ²¼²o¬±§¨µª®·©svs型l中 o以速率 vs ε #°¬±pt
加热升温 o同时通入流速 tss °#°¬±pt的氮气 o使炭化在氮气的保护下进行 o当温度达到设定炭化温度后 o在
该温度下保温 t «o冷却后取出木炭 o进行后续试验分析 ∀
112 木炭的元素测定
采用 ≤‹‘元素分析仪k°¨ µ®¬± ∞¯ °¨ µ≥¨ µ¬¨¶ µuwssl o分析样品量 t1{|v ∗ t1||y °ªo压力为 s1t°¤o分析出
的 ≤ !‹和 ‘值以重量百分比计k表 tl o氧元素值则按下式计算 }
’k h l € tss p k≤ n ‹ n ‘l
表 1 不同炭化温度的炭化得率及所得炭化物 Χ !Η !Ο !Ν元素组成
Ταβ .1 Ψιελδ ανδ ελεµενταλ χοµ ποσιτιον οφ χαρβονιζεδ ωοοδψ µατεριαλσ
炭化温度
× °¨³¨µ¤·∏µ¨Πε
炭化得率
≠¬¨ §¯Πh
≤ !‹ !’ !‘元素组成
∞¯ °¨ ±¨·¤¯ ¦²°³²¶¬·¬²±Πh
≤ ‹ ’ ‘
vss y| q{ ys qu x qx vw qt s qt{
wss vv q| zt q{ v qv uw qz s qu
xss uy qv z| q{ u q| tz qt s qu
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zss ut qz {x qv t q| tu qy s qu
{ss us q| {z qy t qv tt s qt
|ss us qy {z q| t ts q{ s qv
113 ³‹值的测定
分别取 t ª炭化样品 o加入 us °蒸馏水 o搅拌 |s °¬±o然后测定 ³‹值 ∀
114 比表面积的测定
采用日本岛津 °¬¦µ²°¨ µ¬·¬¨¶o  °¨¬±¬uvzx型自动吸附仪 o样品首先在与自动吸附仪配套的加热器中 o氮气
流下 o进行加热脱气处理k在 tss ε 下保温 u «o接着在 wss ε 下保温 t «l后 o再进入仪器进行测定 o测定方法
为静态液氮吸附法 ∀
115 木炭对苯 !三氯甲烷的吸附能力的测定
苯 !三氯甲烷蒸气的吸附率的测定方法 o是将苯或三氯甲烷液体放置于干燥器底部 o然后在栅架上放置
一定重量的木炭样品在 us ε 进行 uw «的吸附 ∀从预备试验中得知木炭样品吸附此两种物质蒸汽 tu «后就
可达到吸附平衡 o故吸附 uw «可完全达到吸附平衡 ∀
试样木炭对苯 !三氯甲烷蒸气的吸附率kΑl按下式计算 }
Αk h l € k Ωw p ΩvlΠΩv ≅ tss h
Ωv }吸附前试样木炭的重量 ~Ωw }吸附后试样木炭的重量 ∀
twt 第 v期 黄 彪等 }木质炭化物对挥发性有机污染物吸附性能的研究
图 v 比表面积与炭化
温度的关系
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图 u ³‹值与炭化温度的关系
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图 t k≤ n ‹lΠ’的摩尔比与
炭化温度的关系
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u 结果与讨论
2 .1 炭化温度对木炭得率及木炭元素组成的影响
不同炭化温度下的木炭得率及其元素组成见表 t ∀从表 t可知 o随着温度
升高 o木炭得率下降 o在 vss ∗ xss ε 之间得率下降十分明显 oxss ε 过后 o降低不
太大 o相对趋于恒定 ~木炭中的碳含量随着炭化温度升高而升高 o而氢 !氧含量
则相反 ∀木炭的还原能力与其碳 !氢及氧含量高低有着密切联系 o若木炭中的
碳 !氢含量高 o氧含量低 o则该木炭的还原性高 o故木炭还原性高低可由木炭中
k≤ n ‹lΠ’的摩尔比来判定 o此值高则还原性高 ∀本试验所得的温度与炭化物
中k≤ n ‹lΠ’的摩尔比关系见图 t ∀研究可知 {ss ε 时的炭化物还原性最高 ovss
∗ {ss ε 时还原性随温度升高而升高 o{ss ε 后又有所下降 ∀
2 .2 炭化温度对木炭 ³‹值的影响
木材在炭化过程中 o≤ !‹ !’ 等元素组成随着温度的变化而变化 o这样炭化
物表面的官能团如 ) ≤’’‹ !) ’‹等亦发生变化 o这样木炭水溶液的 ³‹值亦相
应发生变化 ∀图 u所示为随炭化温度变化 o木炭水溶液的 ³‹ 值变化趋势 ∀由
图可知 o随炭化温度升高 o木炭水溶液的 ³‹值不断增大 o炭化温度为 xxs ε 以下
时 o木炭水溶液为酸性 o在 xxs ∗ |ss ε 时 o为碱性 ∀显然低温炭化的木炭表面存
在许多酸性基团 o故此类木炭对属于碱性气体的氨气等具有较好的吸附能力 ∀
中高温炭化时木炭表面形成的碱性基团多 o可以考虑此类木炭充当酸性土壤的
改良资材 ∀
2 .3 炭化温度对木炭比表面积的影响
试验结果如图 v所示 o在炭化温度为 vss ε 与 wss ε 时 o木炭比表面积很小 o
xss ε 后比表面积突增 ozss ε 达到最大 o尔后又有所减小 ∀其原因主要是 o温度
低时 o炭化不足 o孔隙欠发达 o造成比表面积减小 ∀随炭化温度升高 o原料内部
的氢 !氧元素与碳元素结合成化合物而挥发 o造成原料中的氢 !氧元素减小 o碳
元素增加k表 tl o同时产生了许多微孔 o使产物木炭比表面积增大 ∀然而温度进
一步提高后在高温下炭的微孔结构受到破坏 o导致其比表面积下降 ∀由此可见
炭化温度对木炭比表面积的影响很大 ∀
总之 o本试验条件下所得炭化物的比表面积均不大 o这可能缘于炭化氛围
气的影响 o在无氧状态下 o无外界氧气参与木炭内部的反应 o炭的烧失造成微孔
欠发达 o致使其比表面积小 o说明外界氧对木炭微孔的形成有着重要的影响 ∀
图 w 不同炭化温度对炭化物的三氯甲烷蒸气
吸附性能的影响
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图 x 不同炭化温度对炭化物的苯蒸气吸附性能的影响
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º¬·«§¬©©¨µ¨±··¨°³¨µ¤·∏µ¨ ¤ª¤¬±¶·√¤³²µ¶²©¥¨ ±½¨ ±¨
2 .4 炭化温度对木炭吸附三氯甲烷蒸气的影响
uwt 林 业 科 学 ws卷
不同炭化温度下制得的木炭在 us ε 下对三氯甲烷蒸气的静态吸附结果见图 w ∀在 vss ∗ yss ε 温度范围
内 o随着炭化温度升高 o木炭对三氯甲烷蒸气的吸附率亦增大 o并在 yss ε 时达到最大值 o该值约为 vss ε 时
的 x倍 o达到 {1x h o此后随着炭化温度升高 o对三氯甲烷蒸气的吸附率却逐渐降低 ∀这种趋势一直持续到本
试验中所使用的最高炭化温度 |ss ε ∀试验结果表明 o在有氮气保护的条件下 o制备对三氯甲烷蒸气吸附能
力大的木炭 o最佳炭化温度应采用 yss ε 左右 ∀
2 .5 炭化温度对木炭吸附苯蒸气的影响
炭化温度对吸附苯蒸气的影响之试验结果如图 x所示 o在 vss ∗ {ss ε 温度范围内 o随着炭化温度升高 o
木炭对苯蒸气的吸附率亦随之增大 o在 {ss ε 时达到最大值 o该温度比吸附三氯甲烷蒸气时提高了约 uss ε o
此时的苯吸附率约为 x h o是 vss ε 时的 x倍左右 ∀此后略有下降 ∀该结果表明 o制备对苯蒸气吸附能力大
的木炭 o应将炭化温度进一步提高到 {ss ε 左右 ∀
v 结论
vss ∗ |ss ε 的炭化温度下 o北美乔柏木炭的得率随着炭化温度升高而下降 o并在 y|1{ h ∗ us1y h的范围
内变化 ∀
炭化温度为 zss ε 时 o产物木炭的比表面积最大 ~炭化温度为 {ss ε 时 o木炭元素组成中的k≤ n ‹lΠ’ 的
摩尔比值最大 o这意味着该木炭的还原性最大 ∀
木炭水溶液的 ³‹值随着炭化温度上升而增加 o炭化温度小于 xxs ε 时呈酸性 o大于 xxs ε 时为碱性 ∀
炭化温度对木炭净化能力有显著影响 oyss ε 炭化得到的木炭对三氯甲烷蒸气的吸附率最大 o高达
{1x h o约为 vss ε 时的 x倍 ~{ss ε 炭化得到的木炭对苯蒸气的吸附率最大 o达 x h o约为 vss ε 时的 x倍左右 ∀
木质炭化物 ) ) ) 木炭大多作为燃料用 o利用价值低 ∀对木炭相关之研究更是渐被忽视 o但木炭是一种炭
化物 o不但可用固体形态直接将碳元素固定下来 o使碳元素不会形成 ≤’u 回归大气中 o造成 ≤’u 浓度增加 o
即有间接的降低大气中温室效应的环保效益 o同时其原料可以是木质废弃物 !低质中小径木 !间伐材等 ∀故
可期待 o今后通过木炭用途的开发 o能够对环境净化及废弃物处理等方面作出贡献 ∀
参 考 文 献
堀江秀夫 q木质 物 Ν新用途 qk日l木材工业 ot||{ oxvkwl }txy p tys
今村佑嗣 q木炭 + ι Ν机能性 n } …¶材料 Ν开 qk日l触媒 ot||| owtkwl }uxw p ux{
成代进 q木炭#木酢液 Ν特性 Η新 7 #利用 qk日l木材工业 ot||v ow{ktul }xyx p x{|
黄 彪 o高尚愚 q竹炭 !竹醋液生产技术与应用研究综述 q福建林学院学报 oussv ouvktl }|v p |y
胡淑宜 o林启模 o黄碧忠 q木质炭复合剂促进农作物增产的研究 q福建林学院学报 ot|{| o|ktl }xs p xy
吴新华 q我国木材热解工业现状及发展方向 q福建林学院学报 ot||y otykvl }vsy p vts
安部郁夫 q吸著剂 Η 7 Φ见直 5 λ κ木炭 qk日l科学 Η工业 ot||w oy{kwl }tyt p ty|
炭 χ − Ν会 q环境 ρ守 κ ) 木炭 Η木酢液 q东京 o家 Ν光协会 ot||t
⁄¤√¬§‘≥ ‹²±q • ²²§¤±§¦¨¯¯∏¯²¶¬¦¦«¨ °¬¶·µ¼q ‘¨º ≠²µ®} ¤µ¦¨¦⁄¨ ®®¨µ oŒ±¦ot||t }yyx p zsu
vwt 第 v期 黄 彪等 }木质炭化物对挥发性有机污染物吸附性能的研究