熱解溫度對竹炭黑基本性能的影響

所屬分類：農業論文閱讀294次時間：2019-08-23 16:13

本文摘要：采用低溫快速連續熱解工藝，考察了不同熱解溫度對竹炭黑性能的影響。通過對樣品基本工業數據、紅外、熱重、粒徑等性能進行表征，結果表明:竹子纖維熱解程度隨溫度的升高而提高，氫和氧元素的含量逐漸減少，固定碳含量和低位燃燒熱值大幅提高，其中固定碳含量

　　采用低溫快速連續熱解工藝，考察了不同熱解溫度對竹炭黑性能的影響。通過對樣品基本工業數據、紅外、熱重、粒徑等性能進行表征，結果表明:竹子纖維熱解程度隨溫度的升高而提高，氫和氧元素的含量逐漸減少，固定碳含量和低位燃燒熱值大幅提高，其中固定碳含量達69.2%，熱值最高為29.72MJ/kg;且竹炭黑的可磨性大幅改善，為竹炭黑在燃料及炭材料上的應用研究提供了基礎數據。

　　關鍵詞：竹子,低溫熱解,竹炭黑,粒徑分布,可磨性

植物生態學報

　　0引言

　　竹材作為一種資源豐富、更新速度快的可再生材料，在替代石油及煤炭等不可再生礦產資源方面具有十分重要的意義。竹子具有特殊的微孔結構，經熱解炭化后生成的竹炭具有很強的吸附能力。我國竹林面積超過400萬公頃，是世界上主要的產竹國家，但各類竹材資源利用率均在50%以下，尤其是竹材剩余物的50%～80%都未能利用，造成嚴重的資源浪費，因此加強竹材的加工再利用十分必要[1-2]。

　　對于竹材的再加工及再利用，目前國內外主要集中在生產固體燃料[3]和綠色肥料[4-8]、制備竹黃酮或木醋液[9-10]及橡膠用炭黑[11-12]等領域。提高竹材利用率，制備高附加價值產品，是竹材工業化利用的一個重要研究方向。本實驗主要采用低溫快速連續熱解工藝制備生物質竹炭黑，并研究了溫度對竹炭黑性能的影響，以期為竹炭黑在固體燃料、炭基肥和部分替代橡膠用炭黑等領域應用提供技術支撐。

　　1實驗

　　1.1實驗原料

　　本實驗竹子原料產自湖南，經風干破碎造粒為1cm長的塊狀。

　　1.2竹炭黑的制備

　　用自制的低溫快速連續熱解裝備[13]分別在240℃、260℃、280℃、300℃、320℃、340℃、360℃、380℃、400℃制備竹炭黑，經臼式研磨儀進行研磨后過45μm篩分器，烘干備用。

　　1.3材料表征

　　竹炭黑的工業分析依據GB/T28731-2012《固體生物質燃料工業分析方法》測定，其中熱值由鄭州恒亞儀器儀表有限公司的HY-A9量熱儀測得;采用德國NETZSCH儀器公司的STA449F3同步熱分析儀對樣品進行熱重分析;竹炭黑表面官能團由美國傅里葉紅外測試儀(Nicolet6700)經溴化鉀壓片測得;采用德國VARIOELⅢ元素分析儀進行元素分析;采用粒度和Zata電位分析儀(美國micrometics公司，NanoPlus3)測得竹炭黑的粒徑分布。

　　2結果與討論

　　2.1竹子原料的熱分析

　　為了更好地了解竹子熱解過程發生的變化，對竹子原料進行熱分析測試。隨著溫度的升高，曲線在105℃左右出現拐點，這是表面吸附水分蒸發所致;竹子在105℃以上的高溫中逐漸失去分子間的結合水，且表面結合水開始蒸發，到117℃達到穩定狀態。竹子在氮氣中的熱裂解DTG曲線只出現了一個尖銳的峰，說明竹子為一步熱裂解，熱裂解起始溫度為286.5℃。

　　由DTG曲線可知，竹子在300℃時，曲線出現拐點，此溫度下半纖維素達到最大分解速率;曲線的最大峰值出現在341℃，表明竹子在此溫度達到最大分解速率，反應最劇烈，此時半纖維素基本被分解完全，纖維素達到最大分解速率，木質素初步被分解，由此說明竹子中的主要成分為纖維素。當裂解溫度達到400℃時，TG和DTG曲線基本趨于平緩。

　　DSC曲線在73℃出現吸熱峰，對應竹子自由水分的蒸發(100℃以下的吸熱峰為水分蒸發，含水量越小，表明竹子纖維結晶度越高)。隨著溫度的升高，DSC曲線急劇下降，表明竹子熱裂解放熱，內部結構發生很大的變化，竹子中的纖維、半纖維和木質素逐漸被分解和碳化。在855℃時DSC曲線出現放熱峰，而TG和DTG曲線基本不再變化，表明此范圍內竹炭的晶格發生了變化。

　　2.2低溫熱裂解竹炭黑基本性能指標

　　竹子原料經低溫快速熱裂解，可以看出，溫度從240℃升高到260℃，含水率大幅降低，固定碳含量和熱值大幅提高。通過TG曲線可以看出，竹子原料在240～260℃區間開始發生熱分解反應，竹子結構中的結合水大量蒸發，碳元素開始富集。隨著溫度的繼續升高，炭黑中的含水率逐漸小幅降低，測試結果略有波動，這可能是竹炭表面吸附空氣中的水分所致。

　　生物炭中的有機揮發分也隨著溫度的升高從竹子表面與生成的CO2和水蒸氣一起逸出，含量大幅降低。竹子中的氫和氧等元素含量降低，使碳元素進一步富集，這是因為隨熱解溫度的升高，纖維素、半纖維素和木質素熱裂解程度提高，裂解生成的氣體中的輕質烴含量升高，得率逐漸降低，固定碳含量升高，熱值與固定碳含量呈正相關，這與Liu等[14]的研究規律相符。

　　2.3元素分析

　　竹子原材料與不同溫度制備的竹炭黑的元素分析數據可以看出，隨著熱解溫度的升高，C、H、O、N、S的相對含量發生顯著變化，纖維素、半纖維素與少量木質素分解，碳含量顯著增大，氧含量顯著減小。這主要是隨著溫度的升高，竹子纖維中的大分子鏈段逐漸變短，含氧基團的小分子有機物(如羧酸、醇等)逐漸揮發[15]，碳元素逐漸富集所致。還可以看出，隨著溫度的升高，硫元素的相對含量逐漸減小，氮元素的相對含量逐漸增多，這源于氮、硫兩種元素與氧氣反應的活性不同。此外，氫元素的相對含量呈波浪形變化趨勢，這是由于半纖維素、纖維素和木質素的最快分解速率對應的溫度范圍不同。

　　2.4紅外圖譜分析

　　竹子主要由竹纖維素、半纖維素和木質素組成，不同溫度段制得的竹子裂解程度不同，240℃下制備的竹炭黑粒子的紅外圖譜中在1606cm-1處出現-C=C-振動，在815cm-1、705cm-1處出現=C-H變形振動，表明竹子在裂解過程中生成了烯烴，且隨著溫度的升高，烯烴的量逐漸增加。

　　隨著溫度的升高，1720cm-1處不飽和的-C=O吸收峰逐漸消失，元素分析中氧元素含量的減小也驗證了這一點。此外，2000～1700cm-1處的吸收峰為芳香環上氫原子的振動吸收峰，這些吸收峰很弱，可能是受到碳碳雙鍵或碳氧雙鍵的影響。隨著溫度的升高，苯環側鏈逐漸被裂解成小分子的烯烴和烷烴，2925cm-1、2850cm-1處的-CH3和-CH2吸收峰形越尖銳，2385～2000cm-1區域-CH3和-CH2的共振峰的吸收度越來越強。

　　3415cm-1處為游離的-NH2吸收峰，3280cm-1處曲線有個不明顯的小峰，表示締合的-NH2的作用很弱。隨著溫度的上升，氮元素相對含量增加，且1610cm-1處-NH變形吸收峰越來越尖銳，表明-NH2的作用越來越強，N含量增加;3400cm-1和指紋區的1060cm-1、1030cm-1處均表示炭黑粒子表面富集了大量的-OH基團。

　　隨著溫度的升高，指紋區-OH特征峰的強度逐漸減弱，表明隨著溫度的升高，竹子中的羥基成分逐漸減少。因此，從整體來看，隨著溫度的升高，竹子的裂解程度越高，大分子逐漸被分解為小分子物質，竹炭黑表面含羥基和羧基的小分子物質逐漸逸出，竹炭表面碳元素和氮元素逐漸被富集，炭黑表面少量的雙鍵、羥基、羧基和胺基賦予了炭黑粒子大量的活性反應位點。

　　竹子原料仍呈現出纖維管狀結構，僅少量竹子表皮纖維被破壞，表面較平滑;可以看出，竹子纖維表皮纖維出現層狀，顆粒呈球狀。隨著炭化溫度的升高，低沸點揮發物不斷逸出，顆粒表面的粗糙度增加，當升高到320℃時，顆粒表面出現微量的納米小孔，顆粒更易被破碎。炭化溫度為400℃時竹炭黑的表面形貌，可以看出炭黑表面的小孔逐漸變為微孔，同時又形成更多的小孔，與粒徑分布規律相符。

　　3結論

　　本工作以竹子為原料，采用低溫熱解工藝制備竹炭黑。熱失重實驗發現，105℃之前為竹子原料水分蒸發過程，熱裂解起始溫度為286.5℃，到400℃裂解基本完成。考察了溫度對竹炭黑性能的影響，發現隨著熱解溫度的升高，纖維素、半纖維素和木質素熱裂解程度提高，得率逐漸降低，氧含量降低，固定碳含量與熱值升高�？赡バ匝芯堪l現:溫度越高，竹子纖維越易被磨斷，可磨性能提高，且竹炭黑的粒徑越小，有利于部分替代工業炭黑。

　　參考文獻

　　1ZhangT，LiangF，HuW，etal.WasteManagement&Research，2017，35(12)，1220.

　　2YangQP，OuYM，YangGY，etal.ChineseJournalofPlantEcology，2016，40(3)，264(inChinese).楊清培，歐陽明，楊光耀，等.植物生態學報，2016，40(3)，264.

　　3HallM.Utilizingbamboobiocharforcarbonsequestrationandlocaleconomicdevelopment.Springer，NewYork，2013.

　　4LiW，ShangH.JournalofForestryResearch，2018，29(4)，1.

　　5MohamedI，ZhangGS，LIZG，etal.EcologicalEngineering，2015，84(11)，67.

　　6WangXX，ZouP，FuJR，etal.JournalofAgro-EnvironmentScience，2014，1，198.

　　7GaoHY，ChenXX，ZhangW，etal.JournalofNorthwestA&FUniversity，2013，41，69.

　　植物生態論文投稿期刊：《植物生態學報》創刊1955，至今已經被CA 化學文摘(美)(2009);CBST 科學技術文獻速報(日)(2009);中國科學引文數據庫(CSCD—2008)這三個數據庫收錄，而且連續被選為中文核心期刊，目前為月刊，大16開本。