紫茎泽兰制取活性炭的研究.docx

1、紫茎泽兰制取活性炭的研究 攀枝花学院本科毕业设计（论文）紫茎泽兰秆制取活性炭研究学生姓名： 潘 峰 学生学号： 200610902222 院（系）： 生物与化学工艺工程学院年级专业： 06生物工程 指导教师： 邓建梅 助教 助理指导教师： 余传波 讲师 二一年六月摘 要本论文以紫茎泽兰为原料，氯化锌、氢氧化钠为活化剂，采用微波辐射法制备活性炭。研究浸渍时间、浸渍活化剂质量分数、微波功率、微波辐射时间对活性炭吸附性能和得率的影响。通过单因数试验确定了最佳工艺条件：使用氯化锌为活化剂时,微波功率560W,辐照时间3min,氯化锌质量分数40，浸渍时间18h。在最佳工艺条件下制备的活性炭的得率为39

2、.03,碘吸附值1027.89mg/g。氢氧化钠为活化剂时,微波功率560W，辐射时间3min，氢氧化钠质量分数40%，浸渍时间24h。在最佳工艺条件下制备的活性炭的得率为18.4%，碘吸附值842.95mg/g。通过实验可以看出使用氯化锌作为活化剂制取活性炭比使用氢氧化钠更好。关键词 微波辐射，活性炭，紫茎泽兰 ABSTRACTThe activated carbon from the stem of Eupatorium adenophorum spreng was prepared with ZnC12 or NaOH by microwave radiation. The efects

3、 of soaking time, microwave power, radiation time, activator concentration on the quality of activated carbon were researched.determine the optimal conditions by the single factor experiments: When using ZnC12 as activator, microwave power was 560W,radiation time was 3 min,ZnCl2 solution concentrati

4、on was 40%,Soaking time was 18h.The iodine adsorption value reached 1027.89 mgg-1 and yield reached 39.03% with the optimal process. When using NaOH as activator, microwave power was 560W,radiation time was 3 min, NaOH solution concentration was 40%,Soaking time was 24h.The iodine adsorption value r

5、eached 842.95 mgg-1 and yield reached 18.4% with the optimal process.Experimental results show the use of ZnC12 as an activator to activated carbon better than the use of NaOH.Keywords Microwave radiation，activated carbon，Eupatorium adenophorum spreng目 录摘 要 IABSTRACT II1 绪论 11.1紫茎泽兰的分布、危害、防治和利用 11.1

6、.1紫茎泽兰的分布 11.1.2紫茎泽兰的危害 11.1.3紫茎泽兰的防治 21.1.4紫茎泽兰的利用 31.2活性炭的发展历史 41.2.1国内发展史 41.2.2国际发展情况 41.3活性炭的制备方法 51.3.1化学活化法 51.3.2气体活化法 51.4紫茎泽兰制备活性炭的意义 61.5紫茎泽兰制备活性炭的现状和展望 61.5.1紫茎泽兰制备的现状 61.5.2紫茎泽兰制备活性炭的展望 71.6课题研究的目的和内容 71.7课题研究的可行性 72 实验材料与方法 92.1实验材料、设备和试剂 92.1.1实验材料 92.1.2实验设备 92.1.3实验试剂 92.1.4实验试剂的配制

7、92.2实验原理 92.2.1活性炭制备原理 92.2.2活性炭碘吸附值测定的原理 103.试验方法与实验过程 113.1实验方案 113.1.1以氢氧化钠作为活化剂制备活性炭的实验方案 113.1.2以氯化锌作为活化剂制备活性炭的实验方案 123.2碘吸附值测定方案 123.3实验过程 133.3.1原料处理 133.3.2活性炭制备 133.3.3碘吸附值测定 133.4实验参数的控制 143.4.1活化剂浓度改变对活性炭的得率和吸附值的影响 143.4.2浸渍时间对活性炭得率和碘吸附值的影响 153.4.3微波功率对活性炭得率和碘吸附值的影响 163.4.4微波辐射时间对活性炭得率和碘吸

8、附值的影响 183.5最佳参数组合实验及分析 193.5.1氯化锌为活化剂制备活性炭 193.5.2氢氧化钠为活化剂制备活性炭 204结果分析与实验对比 214.1结果 214.2综合对比 215 结论与展望 22参考文献 23附录1公式推导 26附录2碘值实验的校正因子 27致谢 281 绪论1.1紫茎泽兰的分布、危害、防治和利用1.1.1紫茎泽兰的分布紫茎泽兰Eupatorium adenophorum spreng(菊科、泽兰属)。土名很多，在美国夏威夷群岛叫帕马凯里(Parnakani)或称毛伊帕马凯里(Maui pamakani)；在澳大利亚、新西兰、印度等国家通称克罗夫顿草(Cro

9、fton weed)；在尼泊尔俗称班马纳(tong a)卡莱哈(Kale jhar)；在云南各地叫法不一，有解放草、飞机草、黑头草、大毒草等1。紫茎泽兰原产中美洲的墨西哥，大致在1865年作为观赏植物引种到夏威夷群岛，1875年引到澳大利亚，随后在新西兰、泰国、菲律宾、缅甸、越南、锡金、不丹、尼泊尔和印度等地蔓延成片，泛滥成灾。大约解放前后，由缅甸、印度、越南、尼泊尔、不丹、锡金等国边境侵入我国2。广泛分布于云南、贵州，遍及四川、广西、西藏等地，且仍在不断地朝华中和华东方向蔓延。紫茎泽兰多侵入农田、草地、路边、宅旁、经济林地和森林。仅云南省就有10个地州98个市县发生面积达24.8万km2，占

10、全省面积的67%3。1.1.2紫茎泽兰的危害紫茎泽兰在侵入我国后，因为没有天敌的控制大量繁殖和蔓延，其危害性极大，主要体现在以下几个方面：破坏畜牧业生产。紫茎泽兰对畜牧生产的危害，表现为侵占草地，造成牧草严重减产。天然草地被紫茎泽兰入侵3年就失去了放牧利用价值，常造成家畜误食中毒死亡。紫茎泽兰对马属动物的毒性（种子和花粉可引起哮喘；种子被吸入气管和肺可引起组织坏死和死亡）和牛的拒食性已被肯定。目前，凉山州紫茎泽兰危害面积已达26万公顷以上，每年牧草减产5亿公斤以上，家畜死亡3000头以上，经济损失2100多万元4。破坏农业生产。紫茎泽兰生活力强，适应性广，化感作用强烈，易成为群落中的优势种，甚

11、至发展为单一优势群落。紫茎泽兰叶、根的水提液可抑制多种粮食作物及蔬菜种子的萌发及幼苗生长。紫茎泽兰对土壤养分的吸收性强，能极大耗损土壤肥力，对土壤可耕性的破坏也较严重5。严重破坏生态、景观，影响林业生产。破坏本地植被群落结构、影响园林、旅游业景观。紫茎泽兰的生命力、竞争力及生态可塑性极强，能迅速压倒其它一年生植物。它的植株能释放多种化感物质, 排挤其他植物生长,常常大片发生,形成单优种群，破坏生物多样性，破坏园林景观，影响林业生产。紫茎泽兰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，管理强度成倍增加，耗费大量的人力与经费，且严重威胁了

12、经济作物的发展6。对人类健康也有危害。紫茎泽兰植株内含有芳香和辛辣化学物质和一些尚不清楚的有毒物质，其花粉能引起人类过敏性疾病。紫茎泽兰现在已经成为整个东南亚最大的入侵物种，它所带来的危害已经严重影响到人们的生产生活。1.1.3紫茎泽兰的防治在紫茎泽兰的防治方面，因为其入侵已经有较长的时间，前人对紫茎泽兰的防除进行过多种途径的试验，有的已加以实施。主要的防治手段有：人工和机械防除：每年冬、春季节，是紫茎泽兰休眠并孕育新芽的时期，可人工连根整株挖除、焚烧或深埋处理。在其茂盛和开花结籽期人工割除，或使用装有旋转式刀具的轮式或履带式拖拉机割除7，可作燃料或沤肥8。但该法不能彻底除去遗留残根，加之环境

13、复杂，使机械防除受到一定限制。化学防除：用除草剂在春夏季之交、夏秋季节或营养生长旺盛时期喷雾进行防除。专门针对紫茎泽兰的常用除草剂配方主要有0.60.8的2,4一D溶液；0.30.6的2,4一D丁脂和2,4,5一T；5.0氯酸钠溶液9。另外,在三氯吡氧乙酸中加入不同的表面活性剂OPEO(octyphenol ethylene oxide)和SABS(sodium alkyl benzene sulfonate),可以增强效果。也可用10草甘膦lkg兑水50kg，再加0.1的洗衣粉，使用前滴加20滴三十二烷醇按750kg/hm2喷施10。植被生态替代：主要是利用一些生长快、竞争性强的禾本科草类，

14、覆盖地表防止紫茎泽兰侵入或实施替代，以阻止紫茎泽兰滋生、繁殖和种子萌发生根11。已报道的可用替代植物有芒类、棕叶芦、类芦、卡开芦、裂稃草、野古草、山白草、硬杆子草，以及豆科的红、白三叶草、光叶紫花苕、木豆(三叶豆)等。近年来从哥伦比亚引种的禾本科植物皇竹草，据贵州试栽后发现，种植粗放，生长快，侵占能力强，株高叶茂，能挡住飘飞的紫茎泽兰种子，使其难以蔓延12。生物控制：泽兰实蝇(Procecidochares utilis Stone)是专性寄生昆虫，将卵产在紫茎泽兰生长点上，孵化后即蛀入幼嫩部分取食。可利用其幼虫在紫茎泽兰上完成生活史，产生虫瘿，控制开花结实的习性开展生物防治13-15。食花虫

15、(Dihammus argentatus)与泽兰实蝇和一种真菌结合起来也可减缓紫茎泽兰的扩散。泽兰尾孢菌(Cercosporo eupatoric)可引起紫茎泽兰的叶失绿而阻碍其生长。最近，从紫茎泽兰植株上分离、筛选的链格孢菌(Alternaria altemata)菌株的菌丝体和代谢产物有望发展为真菌除草剂或生物源化学除草剂来防治紫茎泽兰。总之，利用生态替代和生物防治的方法控制紫茎泽兰是目前研究的热点之一16。1.1.4紫茎泽兰的利用紫茎泽兰原来是被作为杂草而被直接清除和焚烧掉，随着社会的发展和人们环保意识的增强，近年广大学者和专家对利用紫茎泽兰开始有了较多的关注。现阶段研究的方向主要是在农

16、业上和工业生产上的利用。农业方面紫茎泽兰含大量氮、磷、钾及丰富的微量元素17,18，常用于作为生物有机肥源。民间早在20世纪70，80年代将其嫩枝叶踩、堆于水田和粪池中沤腐作肥。可割青用作绿肥和堆肥原料，发酵后作基肥施用，也可利用催腐剂快速堆腐成有机肥料施用19；紫茎泽兰虽含有毒成分，但经青霉属、曲霉属等菌种好氧发酵后，能显著降解其有毒物质，可脱毒作为饲料原料配成混合饲料喂养猪等家畜20,21；紫茎泽兰含有l0余种活性物质，对蚜虫、米象等害虫有防治效果。因此用其提取的精油可制成杀虫剂，为生物农药提供新的来源。尼泊尔用其叶片直接防治马铃薯害虫黄蚂(Dorylus orientalisn)22。工

17、业方面使用八孢裂殖酵母(Schizosacccharomyces octosporus)等微生物发酵紫茎泽兰生产木糖醇，用于医药和食品工业中23。紫茎泽兰对沼气微生物有抑制作用，不能直接作沼气发酵用，但经好氧发酵处理后可作沼气发酵原料。有研究表明：每吨紫茎泽兰脱毒素后可产沼气77m3。紫茎泽兰含纤维素高，可加工成纸板、压模板，生产建筑用模板24。另据报道，在云南大理巍山，民间利用紫茎泽兰作染料，染出的布颜色鲜艳明亮，不易褪色25。在使用紫茎泽兰杆茎制备活性炭方面，云南的一些院校学者进行了实验室阶段的实验，据文献现阶段使用紫茎泽兰制取活性炭的得率达到33.6%26。随着社会的发展和科技力量的增强

18、，紫茎泽兰中的有用成分和整体的利用将会更大的拓展。这种在现阶段被人们所厌恶的植物，在未来展现出它的魅力。1.2活性炭的发展历史1.2.1国内发展史我国在活性炭的研发和利用方面起步较晚，活性炭在国内的发展主要可以分为三个阶段27，分别是：(1)第一阶段使20世纪40年代以前，我国制药工业、化学工业中使用活性炭量大，都用进口货，例如用Carboraffin牌的活性炭。(2)第二阶段自20世纪50年代初开始，国产活性炭上市。1951年沈阳和抚顺的单管炉厂、青岛的反射炉闷烧法厂、上海的电热活化厂，接着氯化锌活化厂，1958年福建、杭州、广州、烟台、东北等地纷纷建厂，1966年太原开创斯列普活化法厂，随

19、后我国陆续开设数以百计的斯列普炉厂。此外，还有不少的转炉、粑式炉等工厂。总生产能力从1951年的五十吨猛增到20世纪80年代的近十万吨。（3）第三阶段近现代生产与应用相互促进，活性炭的应用范围被迅速开拓。从原来单一的通用炭向多种的专用炭发展，例如净水炭、糖炭、味精炭、油脂炭、黄金炭、载体炭、药用炭、针剂炭、试剂炭等等，足见活性炭因国内经济蒸蒸日上而应用量速增，又因产量扩大、成本降低而使出口量上升。我国活性炭的应用，不仅在国内市场发展，而且进入了国际市场。虽然我国在活性炭方面的研究和利用起步较晚，但是我国在活性炭的研究方面有着巨大的优势，广袤的森林为活性炭的研究提供和充足的原料供给。近年我国在活

20、性炭的利用和研究方面都加大了力度，相信我国会在活性炭的研究利用方面取得更大的成绩。1.2.2国际发展情况国际上对活性炭的研究和利用起源于20世纪，发展历程可简单分为三个阶段27：(1)第一阶段，从20世纪初到约20世纪20年代为萌芽阶段:(2)第二阶段，从约20世纪20年代中期为成长阶段;(3)第三阶段，从20世纪中期到20世纪末期为发展阶段，发展成为环保应用阶段。随着活性炭在生产生活中越来越广的使用，各国学者和专家在活性炭的研究上对寻找更好的生产方法和替代木材和煤为原料生产活性炭的原料投入了更多的关注。1.3活性炭的制备方法活性炭制备传统上分为化学活化法和气体活化法两种28，但由于制备活性炭

21、的原料越来越来广泛，从木屑、木炭、煤、石油、沥青、泥煤为原料，到近年来，利用农林副产物、纸浆废液以及许多含碳的工业废料。其他相关技术的发展以及科学的进步,使活性炭的制备有了新颖的方法和途径。1.3.1化学活化法化学活化法是把化学药品加入原料中，然后在惰性气体介质中加热，同时进 行炭化和活化的一种方法，通常采用锯屑等植物性原料29。通过选择合适的活化剂，把活化剂与原料混合后直接活化一步可制得活性炭。按活化剂不同可分为ZnC12法、KOH法、H3PO4法30。药品活化法有三大缺点：对设备腐蚀性很大；污染环境；活性炭中残留有化学药品活化剂，应用方面受到限制。磷酸法 磷酸活化原则上是将精细粉碎的原料与

22、磷酸溶液混合，接着混合物被烘干，并在转炉内加热到 400600，众所熟知的工艺过程是在较高的温度下(1100 )进行的31。氯化锌法氯化锌法制造工艺为在原料中加入重量是原料0.54倍、比重为 1.8左右 的浓氯化锌溶液并进行混合，让氯化锌浸渍，然后在回转炉中隔绝空气加热至600-700，由于氯化锌的脱水作用，原料里的氢和氧主要以水蒸气的形式放出，形成多孔性结构发达的炭32。氢氧化钾法选用经一次炭化核桃壳或石油焦，加入15倍氢氧化钾，充分混合，系统通氮气保护，低温脱水，高温活化，可制得高比表面积活性炭33。1.3.2气体活化法气体活化法是把原料炭化以后，用水蒸气、二氧化碳、空气、烟道气等，在 6

23、001200下进行活化的方法。它的主要工序为炭化和活化，炭化就是将原料加热，预先除去其中的挥发成分，制成适合于下一步活化用的炭化料。炭化过程分为400 以下的一次分解反应，400700的氧键断裂反应，7001000的脱氧反应等三个反应阶段34，原料无论是链状分子物质还是芳香族分子物质，经过上述三个反应阶段获得缩合苯环平面状分子而形成三向网状结构的炭化物。1.4紫茎泽兰制备活性炭的意义紫茎泽兰原产中美洲的墨西哥，大约解放前后侵入我国。现已蔓延到四川西南部凉山地区和贵州西部，并且每年以30km左右的速度继续向北推进1。紫茎泽兰严重蔓延地区，不仅阻碍交通，堵塞水渠，影响农事活动的正常开展，而且对药用

24、及蜜源植物危害也极大，危及了养蜂业和药用植物的发展。若能将其加以有效利用，可减轻生态压力，提高其附加值，产生一定的社会经济效益。活性炭是由含碳物质制成的吸附能力较强的一类微晶质碳35，广泛应用于社会生活的多个领域。活性炭的一般制取方法是利用木炭、竹炭、各种果壳和优质煤等作为原料，通过物理和化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和筛选等一系列工序加工制造而成。然而木质活性炭的生产需砍伐大量树木，使森林覆盖率降低，导致水土流失等。因此探索活性炭生产的新方法和寻找替代原料已成为生产木质活性炭的当务之急。紫茎泽兰的杆茎中含有大量的纤维素、半纤维素、木素、有机质等成分。因此可考虑利用紫茎泽

25、兰杆茎制造活性炭，这样不仅可以拓宽活性炭的原料来源，同时还可以将紫茎泽兰变害为宝，对控制紫茎泽兰的肆意蔓延起到积极的作用。1.5紫茎泽兰制备活性炭的现状和展望1.5.1紫茎泽兰制备的现状1.5.1.1国内紫茎泽兰制备活性炭现状目前国内对紫茎泽兰制备活性炭的研究仅局限于实验阶段主要有：2008年昆明理工大学材料与冶金工程学院的夏洪应、彭金辉、杨坤彬等人对以紫茎泽兰为原料，用碳酸钾作为活性炭催化活化剂，采用超声波浸渍原料，微波辐射的方法制备活性炭进行了研究，通过几人认真的琢磨和不断的实验，其紫茎泽兰制取活性炭的得率达到16.35%36。2009年10月西南林学院木质科学与装饰工程学院的吴春华，秦永

26、剑，张加研，巫伟，许海波等人对夏洪应等人所做的试验作出调整和优化, 用紫茎泽兰为原料，以氯化锌作为活性炭催化活化剂，采用超声波浸渍原料，微波辐射的方法制备活性炭,其活性炭的得率达到33.8%26。从两个实验可以看出，在实验中均采用了微波辐射加热的方法进行活化,而在传统的活性炭制作方法方面并没有相关的文献介绍。1.5.1.2国外紫茎泽兰制备活性炭现状在查阅的大量文献中国外现在研究的方向主要是各种坚果的壳，在紫茎泽兰的研究上还没有看到相关的文献。1.5.2紫茎泽兰制备活性炭的展望随着活性炭制备工艺条件不断改进和活性炭在更多领域的应用，使活性炭的制取引起更多的关注。从20世纪70年代前的制糖、制药和

27、味精工业，到20世纪80年代后的水处理和环保等行业，再到20世纪90年代的溶剂回收、食品饮料提纯、空气净化、脱硫、载体、医药、黄金提取、半导体应用等领域37-40。活性炭越来越广的融入到人们的生活。紫茎泽兰从大量蔓延开始，各国的学者专家就在积极地进行研究。从单一的物理清，除到化学防治，再到研究其成分并加以利用。近年来发现的利用紫茎泽兰制备活性炭这一新兴的利用方法，吸引了越来越多的目光。从现阶段的研究情况分析，使用紫茎泽兰制备活性炭这一方法的发展方向可能是：寻找更好的活化剂使产品的得率和吸附能力提升到一个新的高度，为使之能用于工业生产当中；寻找更好的制备方法使之更便于大规模的工业生产。1.6课题

28、研究的目的和内容本论文通过控制紫茎泽兰制备活性炭的相关参数：1）确定活化剂浸渍紫茎泽兰的最佳质量分数。2）确定活化剂浸渍紫茎泽兰的最佳浸渍时间。3）确定微波辐射紫茎泽兰活化的最佳辐射功率。5）确定微波辐射紫茎泽兰活化的最佳辐射时间。6）确定紫茎泽兰制取活性炭的较好的活化剂和实验方法。1.7课题研究的可行性紫茎泽兰在我国云南、贵州、四川、广西、重庆、西藏、广东、湖南、海南等省区已有广泛分布和形成危害。近期报道在湖北三峡库区亦发现有紫茎泽兰，是目前我国分布纬度最北的记录1。这种外来恶性杂草在全国的发生面积近3000万hm2，在云南省10多个地州90多个县市已达248万km2。目前，紫茎泽兰正以每年

29、2060km的速度向北向东推进。在国家环保局首批定为最重要的16种外来人侵物种中，紫茎泽兰名列首位，是我国面临的重大生态灾害物种之一。前人对紫茎泽兰进行过诸多方面的研究，如分布、危害、生物学、生态学特性，化学成分、防除方法等。由于工业的迅速发展，越来越多的领域中要用到活性炭。不同的生物质活性炭的研究和应用实例，使我们看到利用生物质制取活性炭是行之有效的工艺。在紫茎泽兰制取活性炭的研究领域昆明理工大学的夏洪应等人对以紫茎泽兰为原料，用碳酸钾作为活性炭催化活化剂，采用超声波浸渍原料，微波辐射的方法制备活性炭进行了研究实验36，其紫茎泽兰制取活性炭的得率能够达到16.35%；在一年以后西南林学院的吴

30、春华等人对夏洪应等人所做的试验作出调整和优化,活性炭催化活化剂改为以氯化锌，同样采用超声波浸渍原料，微波辐射的方法制备活性炭,其活性炭的得率提高到33.8%26。从上面的原料来源分析和理论支持分析，使用紫茎泽兰制备活性炭这一方法是可行的，虽然在实验完成的过程中可能出现一些没有考虑到的问题，到在文献资料的查询，自己的探索思考和老师的帮助下，相信这一课题研究一定会取得最后的成功。2 实验材料与原理2.1实验材料、设备和试剂2.1.1实验材料 攀枝花学院附近区域生长的，一年以上的紫茎泽兰。2.1.2实验设备 微波炉(G700CTL20 -K6)，烧杯，锥形瓶，坩埚，镊子，玻璃棒，电子天平，铁架台，漏

31、斗，滤纸，滴定管，容量瓶，碘量瓶，电炉，粉碎机，过滤网，恒温箱2.1.3实验试剂氯化锌，氢氧化钠，碘，碘化钾，硫代硫酸钠，20%盐酸，10%盐酸,去离子水，淀粉试剂。2.1.4实验试剂的配制1mol/L碘标准溶液，浓度控制在0.10.002mol/L0.1mol/L硫代硫酸钠标准溶液0.5g/100ml淀粉指示剂2.2实验原理2.2.1活性炭制备原理 将紫茎泽兰杆茎经过干燥粉碎后，使用活化剂（氯化锌、氢氧化钠）进行浸渍，在浸渍一定时间后过滤干燥，将干燥后的样品装入加盖密封的坩埚中，放入微波炉中使用微波加热的方式进行活化。在实验过程中进行参数的控制，得到不同的产品。2.2.2活性炭碘吸附值测定的原理 将活性炭产品粉碎至100目以下，取一定量的粉碎样品对1mol/L的碘液进行吸附，充分振荡后，进行快速过滤，取一定量滤液，用0.1mol/L硫代硫酸钠滴定进行残留的碘量的测定。3.试验方法与实验过程3.1实验方案实验前查阅参考文献发现浸泡时间24h，微波辐射时间2.5min，功率采用700W60%在制备活性炭中为较好的试验参数26。因此在初始实验的设计时，使用这几个参数为原始参数。3.1.1