活性炭用乳清作為可持續(xù)粘合劑

　　活性炭是我們社會中廣泛使用的商品。它是許多氣體和水過濾器、分子篩、除臭劑、儲能裝置等的重要組成部分。這種材料的關(guān)鍵方面是其高孔隙率和大表面積，這是在活化包括生物質(zhì)、煤和泥炭、石油焦和聚合物在內(nèi)的選定前體后獲得的。活性炭主要以粉末、顆粒和柱狀或蜂窩等形式生產(chǎn)，更復(fù)雜的形式(即活性炭纖維)具有較低的市場份額。塑造活性炭會增加成本。粉狀活性炭是成本比較小的形式，主要用于液相應(yīng)用。使用氣體時需要使用顆粒，尤其是柱狀和蜂窩活性炭，因為它們在廢氣處理設(shè)備中使用時風阻小。乳清是乳制品行業(yè)的主要副產(chǎn)品，經(jīng)過研究后可作為生產(chǎn)柱狀活性炭的可持續(xù)粘合劑。

　　活性炭怎么用乳清來粘合

　　通過噴霧干燥甜乳清獲得脫水(干)乳清。所得乳清粉含有約3%的水分，粒度分布在5到200µm之間。甜液體乳清是通過巴氏殺菌牛奶的酶促凝固直接從腌制奶酪的制造過程中收集的。椰殼活性炭將其研磨成粒度<212µm的粉末。粒料的制造包括活性炭和粘合劑的混合物以獲得生粒料，生粒料的碳化和活化以獲得柱狀活性炭(圖1)。

　　圖1：使用乳清作為粘合劑制備碳化和活性炭顆粒的路線示意圖。

　　生粒料的炭化活化

　　由于這種粘合劑對于這一特定應(yīng)用的新穎性，有必要首先研究原料顆粒的碳化。圖2顯示了在非氧化氣氛下活性炭前體和僅有粘合劑的生粒料在非氧化氣氛下的熱行為。椰殼炭在所研究的溫度范圍內(nèi)非常穩(wěn)定，在1000℃時僅減輕17.7%的重量，其中幾乎一半(8%)對應(yīng)于水分的釋放。活性炭前體的這種低揮發(fā)性排放形成對比。在相同溫度下觀察到乳清重量損失70%。這意味著焦炭產(chǎn)量約為。30%的乳清粘合劑在1000℃。乳清顆粒的大部分揮發(fā)性排放發(fā)生在低于600℃的溫度下，在175至275℃之間觀察到大量重量損失。在類似條件下獲得的純α-乳糖或乳清蛋白的熱曲線中不存在這種熱事件。據(jù)推測，這種特殊的熱行為可能是美拉德聚合物或樹脂的特征。這種新粘合劑的其他次要事件歸因于結(jié)晶α-乳糖的脫水等。

　　圖2：不同柱狀顆粒活性炭和活性炭前體的TG和DTG/N2曲線。

　　乳清對活性炭的粘合能力

　　根據(jù)一些碳化顆粒的SEM顯微照片，以說明乳清的粘合劑能力。圖3a顯示了全粘合劑碳化顆粒的圖像。材料結(jié)構(gòu)呈海綿狀，具有大小不一的大孔。這種結(jié)構(gòu)不同于在沒有額外水的情況下通過模塑加碳化乳清顆粒制備的材料，其中原始乳清粉顆粒碳化后保持其形狀。這是意料之中的事情，因為向乳清中添加水會通過部分溶解乳清漂珠將粉末轉(zhuǎn)化為粘性糊狀物。盡管如此，據(jù)推測，乳清水性糊劑中的蛋白質(zhì)/乳糖組合會促進美拉德反應(yīng)，從而產(chǎn)生熱穩(wěn)定性樹脂類化合物(類黑素)。這些化合物會在不熔化的情況下承受碳化，從而保持原始顆粒的形狀。然后，圖3a的大孔可以歸因于揮發(fā)物排放過程中產(chǎn)生的氣泡，或者歸因于碳化后會粘在一起的變形乳清原始漂珠。在任何情況下，粘性、膠狀乳清水懸浮液在捏合過程中粘合活性炭顆粒，熱處理通過將膠水轉(zhuǎn)化為富含碳的基質(zhì)來硬化膠水(圖3b)。

　　圖3：(a)乳清顆粒在450℃下碳化的SEM顯微照片，(b)柱狀活性炭在450℃下碳化，(c)與(b)相同，但原材料顆粒清晰可見。

　　乳清是用于制造活性炭顆粒的一種比較好的有機粘合劑，為這種廢物的增值提供了新的可能性。由椰殼活性炭、乳清和水的混合物獲得的柱狀蜂窩的碳化使成品具有出色的耐磨性，如球磨機硬度測試所測量的那樣。特別是，我們發(fā)現(xiàn)可以調(diào)控乳清來達到活性炭的理想硬度。此外，乳清能夠結(jié)合粒徑小于212µm的活性炭粉末，從而避免活性炭前體的密集研磨。最后，碳化顆粒的耐磨性似乎在高于乳清完全碳化(450℃)直至1000℃的溫度下不受影響。從這個意義上說，乳清的行為類似于熱固性樹脂的行為。雖然使用乳清粉作為粘合劑可以簡化材料的處理和儲存，但使用部分脫水的液態(tài)乳清可以避免與蒸發(fā)相關(guān)的高成本，從而在整個過程中節(jié)省能源。在任何情況下，任何乳清形式的成本都與傳統(tǒng)粘合劑或化石基材料的成本相比具有競爭力。所有這些特征使乳清成為傳統(tǒng)粘合劑的明確替代品，以實現(xiàn)更可持續(xù)的活性炭制造。

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