林治权1 周平发2 明荔莉1 杨 勇2

Optimization of Preparation Conditions of Coconut Shell Activated Carbon Based on a New Type of Activated Reactor

LIN Zhi-Quan¹ ZHOU Ping-Fa² MING Li-Li¹ YANG Yong²

Abstract Activated carbon was prepared by the method of water vapor activation in a new type of activation reactor using coconut shell carbonized material as raw material. The effects of water vapor activation temperature, water vapor flow, activation time, as well as carbonization material particle size on the yield of activated carbon, iodine value, ash, moisture, pH value, apparent density, particle size distribution and strength were studied in the experiment. The results indicate that activation temperature, water vapor flow, activation time and particle size of carbonized material are the most important factors of the method of water vapor activation to prepare coconut shell activated carbon. Base on the results of orthogonal experiment, the optimal conditions for preparation of activated carbon adsorbent are as follows: activation temperature at 750℃, water vapor flow at 5 g/min, activation time for 1.5 h, and carbonized material size at 20 mesh.

Keywords a new type of activation reactor; activated carbon; water vapor activation; preparation

基金项目：珠海进出口公共技术服务平台产学研协同创新计划项目（IETP201901013）

第一作者：林治权（1985—），男，硕士，工程师，主要从事水处理技术的检测与研究，E-mail: linzqq@163.com

1.拱北海关技术中心 珠海 519000

2.珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070

1. Technical Center of Gongbei Customs, Zhuhai 519000

2. GREE Electric Appliances INC of Zhuhai, Zhuhai 519070

在水处理行业中，椰壳颗粒活性炭用于前置活性炭滤芯、后置活性炭滤芯、炭棒滤芯等相关产品，具有不可替代性和广泛应用性。活性炭材料的碘值越高，该材料用于净水设备中去除小分子物质的能力越强。因此，制备高性能的椰壳活性炭是生产优质净水设备的前提。

目前，制备活性炭的方法分为物理活化法^[1-7]和化学活化法。物理活化法是将原料先炭化，然后再用水蒸气或者二氧化碳进行活化。化学活化法是将原料与化学药品混合浸渍一段时间后，将炭化与活化一步完成，主要有磷酸活化法和氯化锌活化法，同时还有其他的方法，如KOH活化法和K₂CO₃^[8]活化法等。市面上普通常用的活化反应器体积较大，具有如下缺点：(1)占地较大，在有限的空间内，容易造成拥挤，无法保证人员安全；(2)炉膛较大，在使用活化炉制备活性炭时，为了保证水蒸气充分与炭料接触，即便制备少量的活性炭，也需要通入大量水蒸气，会造成水蒸气消耗较大；(3)在制备过程中，为了避免炭料与空气接触，需要通入氮气作为保护气体，在炉膛较大的情况下，需要通入的氮气也较多，造成氮气消耗较大；(4)由于通入的氮气较多，需要排出的氮气也较多，从而耗能较大。因此，本文提出使用一种自创、新型的活化反应器^[9-10]来制备椰壳活性炭，具有体积小、操作方便、成本低等特点。

本文通过使用该新型活化反应器^[9-10]，利用印度尼西亚椰壳炭化料为原料，以水蒸气为活化剂制备椰壳活性炭，探讨各种活化参数对椰壳活性炭吸附性能的影响，进而优化水蒸气活化法制备椰壳活性炭的工艺方案，为净水企业提供优质的椰壳活性炭制备工艺。

1 材料与方法

1.1 炭化料的处理

试验选用印度尼西亚椰壳炭化料为原料，将原料先进行干燥，再对炭化料进行初筛分，去除粒径小于30目的颗粒，然后将炭化料进行筛分，最后得到对应的10目、20目、30目的炭化料。

1.2 活化试验

活化实验装置如图1所示，将事先称量好的40 g炭化料放入新型活化反应器内，先通入氮气驱赶系统内空气，30 min后开始加热，通入恒定流量的水蒸气参与活化反应，以10℃/min速度升温至活化温度，在该温度下保温一定时间后停止加热。待炉内温度降至40℃左右时，停止通氮气，并将活化装置取出。将活化后得到的活性炭依次用纯水、盐酸、纯水等洗涤至弱碱性，pH值介于7～8.5之间。经真空抽滤后，在120℃下干燥4 h。

图1 新型活化试验装置

Fig.1 New activation test device

1.3 活化试验参数的探索

本次试验采用自创新型活化反应器，优化水蒸气活化法制备椰壳活性炭的工艺方案。根据常规水蒸气活化制备活性炭的特点，以活化时间为1.5 h，颗粒度为3～8目的炭化料，对水蒸气活化试验进行初步条件试验，主要探讨活化温度、水蒸气流量和反应时间对制备活性炭的影响——活化温度过高、水蒸气流量过大、反应时间过长，得率会越低；反之，碘值会过低。如何在三者之中取得最优的平衡，是活性炭制备的重点与难点。活化试验探索的条件参数见表1。

2 结果与讨论

2.1 活化试验

2.1.1 探索条件的结果

试验结果表明（见表2），活化温度在750～950℃范围，水蒸气流量在2.5～7.5 g/min范围，制备的椰壳活性炭的碘值是合理的。

表1 探索的条件

Table 1 Conditions of exploration

表2 探索条件的结果

Table 2 Results of conditions exploration

2.1.2 正交试验分析

由于活化时间与炭化料的颗粒度对试验结果也有较大的影响，参考各文献资料对活性炭的制备参数，一般集中在表3的各因素及水平，因此试验选用的正交表为L₉(3⁴)，具体试验安排见表4。试验过程中，通过改变活化条件制备出了一系列活性炭样品。具体试验安排和试验结果见表5，试验分析见表6。

表3 正交试验因素和水平

Table 3 Factors and levels of orthogonal experiment

表4 正交试验安排表

Table 4 Orthogonal experimental schedule

由表6中极差分析可以看出，对于碘值，4个影响因素对活性炭比表面积影响的大小顺序是：炭化料颗粒度>活化温度>活化时间>水蒸气流量。如只单纯考虑碘值，那么最优试验方案为：A₃B₃C₂D₃；但对于得率，4个影响因素对活性炭比表面积影响的大小顺序是：活化温度>炭化料颗粒度>活化时间>水气汽流量；如只单纯考虑得率，那么最优试验方案为：A₁B₁C₁D₂。由上分析，因素A即活化温度的水平变化对两个指标的影响都是很大的，但从表2中，对比试验2与试验5，可知温度的升高对碘值影响不及得率那么大，所以试验选取A₁较为有利；因素B即水蒸气流量对指标1（碘值）和指标2（得率）的影响都很小，但从表2中，水蒸气流量的增大对得率影响不及碘值那么大，所以选取B₃较为有利；因素C即活化时间的水平变化对两个指标的影响都很小，从能效及活化工艺的实现角度来考虑，故选C₁；因素D即炭化料颗粒度对指标1（碘值）的影响是最大的，但对指标2（得率）的影响也不小，综合表2及正交试验表，可知选取D₃较为有利。经上述分析后，水蒸气活化工艺方案为表7。

由表6及表7结果分析，综合碘值、得率及能源（参考活化温度及时间）的影响，最优的5个试验方案试验号为2、3、4、6、8。

2.2 重复性试验

选取上述最优的5个方案进行3次重复试验，检验试验方案的重复性，检测这5个重复试验的碘值、得率、灰分、水分及pH值等指标，并与第1次试验进行对比；使得到的活性炭能完成表观密度、粒度分布及强度等指标的检测。试验结果与分析见表8。

研究表明，试验的重复性良好，有的重复性试验结果优于第1次试验，主要原因有以下两点：①随着试验次数的增加，对试验的准备及操作趋于熟练；②重复试验时解决了第1次活化时出现的一些外部因素问题（如管路不密封、重新更换了好的活化装置等）。

因此，综合能源（参考活化温度及时间）、碘值、得率、灰分、水分、pH值、表观密度、粒度分布及强度等指标的结果，采用本新型活化反应器制备椰壳活性炭的最佳制备工艺是A₁B₂C₂D₂，即：活化温度750℃、水蒸气流量5 g/min、活化时间1.5 h、炭化料颗粒度20目，所得的活性炭碘值为913 mg/g、得率为72.7%、灰分为0.71%、水分为2.93%、pH值为7.1、强度为91.9、粒度分布(20～40目)为98.2%、表观密度为0.55，满足净水企业对椰壳活性炭的性能要求。

3 结论

本文研究表明，使用该新型活化反应器制备高性能的椰壳活性炭的最佳活化条件为：活化温度750℃、水蒸气流量5 g/min、活化时间1.5 h、炭化料颗粒度20目，可以得到比表面积较高的椰壳活性炭，其比表面积和微孔体积接近实验室水平[碘值（最高1898，最低546）、得率（最高63.3%，最低7.8%）]。

除以上分析的4种活化参数外，氮气流量、炭化料产地、升温速度对椰壳活性炭比表面积和微孔体积的影响有待于进一步研究。

表5 正交试验安排表与结果

Table 5 Orthogonal experimental schedule and results

表6 正交试验结果分析

Table 6 Analysis of orthogonal test results

注：K_jm为表5第j列因素m水平所对应的试验指标和；k_jm为K_jm平均值。由于k_jm大小可以判断第j列因素优水平和优组合；R_i为第i列因素的极差，反映了第i列因素水平波动时，试验指标的变动幅度。R_i越大，说明该因素对试验指标的影响越大。根据R_i大小，可以判断因素的主次顺序。

表7 水蒸气活化工艺方案

Table 7 Water vapor activation process

表8 正交重复试验安排表

Table 8 Orthogonal experiment schedule 

参考文献

[1]杨坤彬. 物理活化法制备椰壳基活性炭及其孔结构演变[D]. 云南: 昆明理工大学, 2006.

[2] B. G. P. Kumar, K. Shivakamy, L. R. Miranda, et al. Preparation of steam activated carbon from rubberwood sawdust (Hevea brasiliensis) and its adsorption kinetics [J]. Journal of Hazardous Materials, 2006, 136(3): 922-929.

[3] Ngoc Hoa Phan, Sebastien Rio, Catherine Faur, Laurence Le Coq, Pierre Le Cloirec, Thanh Hong Nguyen. Production of fibrous activated carbons from natural cellulose (jute，coconut) fibers for water treatment applications [J]. Carbon, 2007, 44(12): 2569-2577.

[4]李月清. 物理化学法制备活性炭的研究[D]. 福建:福建农林大学，2008.

[5] W. Heschel, E. Klose. On the suitability of agricultural by-products for the manufacture of granular activated carbon [J]. Fuel, 1995, 74(12): 1786-1791.

[6]王宁,苏伟,周理,等. 水蒸气活化法制备椰壳活性炭的研究[J]. 炭素, 2006, 26(2): 44-48.

[7] J. F. Gonzalez，S. Roman, J. M. encinar, et al. Pyrolysis of various biomass residues and char utilization for the production of activated carbons [J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2009, 85(1-2):134-141.

[8]张会平,肖新颜,杨立春, 等. K₂CO₃活化法制备椰壳活性炭[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2006, 34(3): 63-66.

[9]林治权,胡进华,詹婷, 等. 一种活化反应器以及具有其的活化反应系统[P]. 中国发明专利, CN201610728382.9. 2018-09-04.

[10]林治权,胡进华,詹婷,等. 一种活化反应器以及具有其的活化反应系统[P]. 中国实用新型专利, CN201620946801.1. 2017-04-05.

（文章类别：CPST-B）

第3卷 第9期

2021年9月

Applied Research / 应用研究