竹炭比表面积影响因素的研究 - ICBR

竹 炭 比 表 面 积 影 响 因 素 的 研 究
程 海 涛 , 傅 金 和 , 王 戈 , 余 雁 , 田 根 林
( 国 际 竹 藤 网 络 中 心 , 北 京 100102)
摘 要 : 竹 炭 是 一 种 高 含 炭 率 的 多 孔 状 物 质 , 其 比 表 面 积 的 大 小 直 接 影 响 到 竹 炭 在 实 际 中 的 应 用 。 本 文 选 用 了 不
同 竹 种 、 竹 龄 的 竹 材 作 为 研 究 对 象 , 采 用 相 同 的 制 备 工 艺 , 不 同 的 炭 化 温 度 和 炭 化 时 间 制 得 竹 炭 , 并 对 其 进 行 了
炭 得 率 、 比 表 面 积 和 孔 径 分 布 的 测 定 。 试 验 结 果 表 明 : 炭 化 温 度 和 炭 化 时 间 对 竹 炭 比 表 面 积 有 显 著 的 影 响 , 而 竹
种 对 其 影 响 不 大 , 竹 龄 则 有 一 定 的 影 响 。 并 且 竹 材 在 炭 化 温 度 800°C, 炭 化 时 间 2-3h 条 件 下 制 得 的 竹 炭 比 表 面 积
最 大 。
关 键 词 : 竹 炭 比 表 面 积 孔 径 分 布 炭 化 温 度 炭 化 时 间
Effecting Factors on Specific Surface Area of Bamboo Charcoal
Cheng Hai-tao, Fu Jin-he, Wang Ge, Yu-yan, Tian Gen-lin
(International Center for Bamboo and Rattan, Beijing China 100102)
Abstract: Bamboo-charcoal is an important porous media with high yield of the carbonization, and the
specific surface area plays major role in its application. In this paper, the bamboo with different species
and ages were carbonized by the same process and the different carbonization temperature or time. And
the yield of carbonization, specific surface area and pore diameter distribution were studied. The results
showed that: effecting factors have effect on specific surface area in carbonization temperature and
carbonization time, but little effect on specific surface area in bamboo species and ages. And
bamboo-charcoal catches max specific surface area at 800°C for 2h.
Keywords : Bamboo-charcoal, Specific surface area, pore diameter distribution, carbonization
temperature, carbonization time
竹 炭 是 以 竹 材 为 原 料 经 高 温 无 氧 ( 或 缺 氧 ) 条 件 下 炭 化 获 得 的 固 体 产 物 , 其 孔 结 构 发 达 、 比 表
面 积 大 、 吸 附 能 力 强 、 导 电 性 能 好 等 特 点 [1-3] , 广 泛 用 于 燃 料 、 空 气 净 化 除 臭 、 环 保 净 水 、 果 蔬 保
鲜 、 卫 生 保 健 、 土 壤 改 良 、 环 境 调 湿 等 领 域 , 也 用 作 抗 辐 射 与 电 磁 屏 蔽 材 料 、 阻 燃 复 合 材 料 及 工
业 用 半 导 体 材 料 等 高 新 技 术 领 域 [4-5] 。 因 此 , 竹 炭 的 研 究 也 成 为 炭 材 料 研 究 领 域 中 的 热 点 [6] 。
本 文 较 系 统 的 研 究 了 竹 种 、 竹 龄 、 炭 化 温 度 、 炭 化 时 间 等 主 要 因 素 对 竹 炭 比 表 面 积 的 影 响 ,
并 为 制 备 高 比 表 面 积 的 竹 炭 炭 化 工 艺 提 供 了 有 效 的 实 验 和 理 论 依 据 。
1 试 验 材 料 与 方 法
1.1 试 验 材 料
毛 竹 、 雷 竹 采 于 浙 江 富 阳 , 毛 竹 龄 为 2 年 、4 年 和 6 年 , 雷 竹 龄 为 1 年 、2 年 和 3 年 ; 大 木 竹 、
绿 竹 采 于 浙 江 温 州 , 竹 龄 为 1 年 、2 年 和 3 年 。 试 材 均 放 置 气 干 至 含 水 率 为 8-12%。
973 基 金 项 目 (2004CB720601), 国 家 “ 十 一 五 ” 科 技 支 撑 计 划 课 题 (2006BAD19B07)。
作 者 简 介 : 程 海 涛 (1979—), 男 , 国 际 竹 藤 网 络 中 心 , 助 理 研 究 员 。
通 讯 作 者 : 王 戈 , 男 , 国 际 竹 藤 网 络 中 心 研 究 员 , 硕 士 生 导 师 。
1

1.2 试 验 方 法
1.2.1 主 要 仪 器
GSL 1600X 管 式 电 炉 , 气 流 式 干 燥 箱 , 万 分 之 一 电 子 天 平 , 测 厚 仪 , 美 国 Beckmancoulter 公
司 SA3100plus 表 面 积 及 孔 隙 分 析 仪 ( 氮 气 吸 附 原 理 )。
1.2.2 竹 炭 的 制 备
参 照 国 家 标 准 GB/T 15780-1995《 竹 材 物 理 力 学 性 质 试 验 方 法 》, 将 试 材 加 工 成 弦 向 和 纵 向 均
为 10mm 的 竹 块 , 然 后 放 置 于 气 流 干 燥 箱 在 103±2°C 条 件 下 烘 至 绝 干 , 再 放 入 管 式 电 炉 中 , 在 惰
性 气 体 保 护 下 从 室 温 以 3°C/min 升 至 285°C, 然 后 停 止 加 热 保 温 30 分 钟 , 再 以 8°C /min 加 热 到 最
终 炭 化 温 度 , 恒 定 一 段 炭 化 时 间 后 降 至 室 温 。
1.2.3 竹 炭 得 率 的 计 算
竹 炭 得 率 按 竹 炭 重 量 占 试 材 绝 干 时 重 量 的 百 分 数 计 算 , 重 复 样 品 数 为 10 个 , 取 其 算 术 平 均 值
作 为 试 验 最 终 炭 得 率 。
1.2.4 竹 炭 比 表 面 积 及 孔 径 分 布 的 测 量
将 块 状 竹 炭 磨 成 200 目 竹 粉 , 用 表 面 积 及 孔 隙 分 析 仪 进 行 测 量 , 根 据 BET 和 BJH 方 法 分 别
得 到 比 表 面 积 和 孔 径 分 布 曲 线 。
1.2.5 炭 化 温 度 对 不 同 竹 种 比 表 面 积 的 影 响
选 取 500-1500°C 温 度 范 围 内 的 7 个 水 平 温 度 , 分 别 恒 温 2h, 并 以 2 年 生 的 毛 竹 、 大 木 竹 、
绿 竹 和 雷 竹 为 研 究 对 象 , 分 别 测 得 的 比 表 面 积 和 炭 得 率 , 分 析 炭 化 温 度 对 比 表 面 积 的 影 响 。 同 时 ,
为 了 分 析 比 表 面 积 变 化 趋 势 的 原 因 , 分 别 对 各 竹 炭 样 品 进 行 了 孔 径 分 布 的 测 定 。
1.2.6 炭 化 时 间 对 不 同 竹 种 比 表 面 积 的 影 响
根 据 1.2.5 实 验 结 果 , 选 用 炭 化 温 度 为 800°C, 炭 化 时 间 分 别 定 为 0.5h,1.0h,2h,3h 和 5h
共 5 各 水 平 时 间 。 试 材 选 用 6 年 生 毛 竹 ,3 年 生 大 木 竹 、 绿 竹 和 雷 竹 。
1.2.7 竹 种 、 竹 龄 对 比 表 面 积 的 影 响
根 据 1.2.5 和 1.2.6 试 验 结 果 , 选 用 炭 化 温 度 为 800°C, 炭 化 时 间 为 2h, 测 定 不 同 竹 龄 的 竹 炭
比 表 面 积 和 炭 得 率 。 试 材 选 用 2、4、6 年 生 毛 竹 ,1、2、3 年 生 的 大 木 竹 、 绿 竹 和 雷 竹 。
2 结 果 与 讨 论
2.1 炭 化 温 度 对 不 同 竹 种 比 表 面 积 的 影 响
测 定 7 个 水 平 炭 化 温 度 下 的 比 表 面 积 如 表 1 所 示 。 根 据 表 1 数 据 得 到 图 1 和 图 2。 从 图 1 和
图 2 可 知 , 炭 化 温 度 在 800°C 时 比 表 面 积 最 大 , 炭 得 率 都 是 随 着 炭 化 温 度 的 升 高 而 降 低 , 毛 竹 的
炭 得 率 降 低 的 最 快 。 竹 炭 热 解 的 过 程 实 际 是 竹 材 中 半 纤 维 素 、 纤 维 素 和 木 质 素 逐 渐 热 解 的 过 程 ,
因 此 竹 种 炭 得 率 的 差 异 主 要 是 由 于 试 样 中 该 三 种 成 分 的 不 同 。
表 1 不 同 炭 化 温 度 下 的 比 表 面 积 和 炭 得 率
Table 1 The specific surface area and yield of the carbonization at different carbonization temperature
500°C 600°C 700°C 800°C 1000°C 1200°C 1500°C
比 表 面 积 m 2 /g 131.70 39.23 244.78 530.88 333.61 270.70 279.85
毛 竹
炭 得 率 % 33.79 33.42 32.20 26.17 25.56 22.51 14.28
大 木 竹 比 表 面 积 m 2 /g 150.65 12.22 155.40 554.79 582.38 156.63 126.08

炭 得 率 % 32.23 32.96 32.70 27.93 25.50 23.34 22.83
绿 竹
比 表 面 积 m 2 /g 193.48 27.37 248.16 513.42 315.78 88.76 73.52
炭 得 率 % 33.75 33.21 32.44 29.29 27.08 27.62 25.40
雷 竹 比 表 面 积 m 2 /g 341.82 301.42 361.14 403.36 105.76 217.86 102.98
炭 得 率 % 33.21 32.90 32.51 29.97 29.43 27.51 21.72
根 据 不 同 炭 化 温 度 下 孔 径 分 布 曲 线 ( 见 图 3), 实 验 结 果 显 示 :600°C 时 中 大 孔 占 据 较 大 比 例 ,
基 本 上 没 有 微 孔 (2nm 且 50nm) 体 积 呈 上 升 趋 势 , 由 于 微 孔 对 比 表 面 积 的 贡
献 最 大 , 因 此 竹 炭 总 比 表 面 积 是 减 少 的 。 根 据 实 验 结 果 分 析 认 为 : 炭 化 温 度 400°C 以 上 时 主 要 是
木 质 素 的 热 解 , 在 炭 化 温 度 600°C 和 炭 化 时 间 2h 条 件 下 , 木 质 素 分 解 时 堵 塞 了 部 分 微 孔 从 而 使
比 表 面 积 值 下 降 , 而 随 着 炭 化 温 度 的 升 高 , 木 质 素 热 解 逐 渐 充 分 , 因 此 在 炭 化 温 度 800°C 和 炭 化
时 间 2h 条 件 下 达 到 了 比 表 面 积 极 大 值 , 然 而 随 着 炭 化 温 度 进 一 步 升 高 , 木 质 素 热 解 过 于 充 分 , 使
竹 炭 产 生 了 大 量 的 中 孔 和 大 孔 , 此 时 的 竹 炭 比 表 面 积 所 以 成 减 少 的 趋 势 。
比 表 面 积 m 2 /g
600
500
400
毛 竹
大 木 竹
绿 竹
雷 竹
得 炭 率 %
35
30
毛 竹
大 木 竹
绿 竹
雷 竹
300
25
200
20
100
0
15
400 600 800 1000 1200 1400 1600
炭 化 温 度 ℃
400 600 800 1000 1200 1400 1600
炭 化 温 度 ℃
图 1 比 表 面 积 趋 势 图
Fig. 1 Specific surface area trends
图 2 炭 得 率 趋 势 图
Fig. 2 Yield of the carbonization trends
孔 体 积 (%)
12
10
8
500 0 C
600 0 C
700 0 C
800 0 C
1000 0 C
1200 0 C
1500 0 C
6
4
2
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
孔 直 径 (nm)
图 3 毛 竹 孔 径 体 积 分 布
Fig. 3 Pore volume distribution of Moso bamboo
2.2 炭 化 时 间 对 不 同 竹 种 比 表 面 积 的 影 响
3

实 验 数 据 见 表 2。 实 验 结 果 表 明 , 炭 化 时 间 2.0-3.0h 时 , 竹 炭 比 表 面 积 最 大 ; 三 种 竹 种 最 大 比
表 面 积 相 当 ; 随 着 炭 化 时 间 的 增 加 , 炭 得 率 变 化 不 大 , 而 比 表 面 积 呈 减 少 趋 势 。 根 据 试 验 结 果 分
析 认 为 : 同 一 竹 种 炭 得 率 随 炭 化 时 间 增 加 变 化 不 大 是 由 于 达 到 炭 化 温 度 时 , 竹 材 炭 化 过 程 基 本 完
毕 , 随 炭 化 时 间 延 长 木 质 素 炭 化 逐 步 完 全 , 内 部 结 构 逐 渐 调 整 的 一 个 过 程 , 同 时 也 说 明 炭 得 率 受
炭 化 温 度 的 影 响 较 大 。 而 不 同 竹 种 之 间 炭 得 率 的 差 异 主 要 是 由 于 竹 种 的 三 大 主 要 成 分 ( 纤 维 素 、
半 纤 维 素 和 木 质 素 ) 不 同 引 起 的 。
表 2 不 同 炭 化 时 间 下 的 比 表 面 积 和 炭 得 率
Table 2 The specific surface area and yield of the carbonization at different carbonization time
0.5h 1.0h 2.0h 3.0h 5h
毛 竹
比 表 面 积 m 2 /g 189.23 484.79 500.03 530.30 497.87
炭 得 率 % 29.61 28.99 28.20 28.04 28.04
大 木 竹
比 表 面 积 m 2 /g 43.37 360.89 555.50 471.13 477.78
炭 得 率 % 30.65 28.84 28.60 28.27 27.56
绿 竹
比 表 面 积 m 2 /g 100.67 479.33 472.89 652.15 587.61
炭 得 率 % 23.79 22.70 21.39 20.98 19.73
雷 竹 比 表 面 积 m 2 /g 162.41 495.35 510.71 529.13 507.13
炭 得 率 % 31.79 30.07 29.54 28.94 28.69
测 得 孔 径 分 布 曲 线 见 图 4, 由 此 推 出 : 随 着 炭 化 时 间 的 增 加 , 炭 化 程 度 逐 步 完 全 , 因 此 竹 炭 的
微 孔 比 例 呈 先 增 加 后 减 少 趋 势 , 从 而 使 比 表 面 积 达 到 极 值 后 随 炭 化 时 间 进 一 步 增 加 呈 下 降 趋 势 。
孔 体 积 (%)
10
9
8
7
0.5h
1.0h
2.0h
3.0h
5.0h
6
5
4
3
2
1
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
孔 直 径 (nm)
Fig. 4
2.3 竹 种 、 竹 龄 对 比 表 面 积 的 影 响
图 4 毛 竹 孔 径 体 积 分 布
Pore volume distribution of Moso bamboo
测 定 不 同 竹 种 、 竹 龄 在 相 同 制 备 工 艺 条 件 下 的 比 表 面 积 , 试 验 结 果 见 表 3。 实 验 结 果 表 明 , 在
同 一 工 艺 条 件 下 , 随 着 竹 龄 增 长 有 下 降 趋 势 ; 而 竹 种 间 相 差 不 大 , 特 别 是 2 年 生 该 三 种 竹 材 比 表
面 积 相 近 。 因 此 总 体 来 看 , 竹 种 对 竹 炭 的 比 表 面 积 影 响 不 大 , 竹 龄 对 其 有 一 定 的 影 响 。 这 重 要 是
由 于 不 同 竹 种 、 竹 龄 竹 材 的 纤 维 素 、 半 纤 维 素 和 木 质 素 的 成 分 有 所 不 同 。
表 3 不 同 竹 龄 的 比 表 面 积 和 炭 得 率
Table 3 The specific surface area and yield of the carbonization at different ages

毛 竹 *
大 木 竹 **
绿 竹 **
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
比 表 面 积 m 2 /g 530.88 443.17 500.03
炭 得 率 % 26.17 29.73 28.20
比 表 面 积 m 2 /g 622.63 554.79 555.50
炭 得 率 % 27.48 27.93 28.60
比 表 面 积 m 2 /g 719.61 513.42 472.89
炭 得 率 % 23.84 29.29 21.39
雷 竹 ** 比 表 面 积 m 2 /g 458.42 403.36 510.71
*Ⅰ:2 年 ;Ⅱ:4 年 ;Ⅲ:6 年
**Ⅰ:1 年 ;Ⅱ:2 年 ;Ⅲ:3 年
炭 得 率 % 27.99 29.97 29.54
3 结 论
3.1 竹 炭 的 比 表 面 积 与 竹 种 关 系 不 大 , 而 竹 龄 对 其 有 一 定 的 影 响 , 炭 化 温 度 和 炭 化 时 间 则 严 重 影
响 着 竹 炭 比 表 面 积 , 最 佳 炭 化 温 度 为 800°C, 炭 化 时 间 为 2-3h。
3.2 炭 化 温 度 和 炭 化 时 间 不 同 导 致 了 竹 炭 中 的 微 孔 、 中 孔 和 大 孔 比 例 不 同 , 从 而 外 在 表 现 为 比 表
面 积 的 差 异 。
3.3 对 不 同 竹 种 、 竹 龄 、 炭 化 温 度 、 炭 化 时 间 等 因 素 对 竹 炭 比 表 面 积 影 响 的 研 究 , 不 仅 可 以 对 竹
炭 生 产 工 艺 起 指 导 作 用 , 而 且 也 可 以 为 竹 炭 成 孔 机 理 起 到 一 定 借 鉴 作 用 。
参 考 文 献
[1] 胡 福 昌 , 陈 顺 伟 . 日 本 竹 材 热 解 研 究 的 现 状 [J ] . 林 业 科 技 开 发 ,2001 ,15 (3) :8
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[3] 傅 金 和 . 竹 炭 的 种 类 和 用 途 [J ] . 世 界 竹 藤 通 讯 , 2003 ,1 (3) :19~20.
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