活性炭用乳清作为可持续粘合剂

　　活性炭是我们社会中广泛使用的商品。它是许多气体和水过滤器、分子筛、除臭剂、储能装置等的重要组成部分。这种材料的关键方面是其高孔隙率和大表面积，这是在活化包括生物质、煤和泥炭、石油焦和聚合物在内的选定前体后获得的。活性炭主要以粉末、颗粒和柱状或蜂窝等形式生产，更复杂的形式(即活性炭纤维)具有较低的市场份额。塑造活性炭会增加成本。粉状活性炭是成本比较小的形式，主要用于液相应用。使用气体时需要使用颗粒，尤其是柱状和蜂窝活性炭，因为它们在废气处理设备中使用时风阻小。乳清是乳制品行业的主要副产品，经过研究后可作为生产柱状活性炭的可持续粘合剂。

　　活性炭怎么用乳清来粘合

　　通过喷雾干燥甜乳清获得脱水(干)乳清。所得乳清粉含有约3%的水分，粒度分布在5到200µm之间。甜液体乳清是通过巴氏杀菌牛奶的酶促凝固直接从腌制奶酪的制造过程中收集的。椰壳活性炭将其研磨成粒度<212µm的粉末。粒料的制造包括活性炭和粘合剂的混合物以获得生粒料，生粒料的碳化和活化以获得柱状活性炭(图1)。

　　图1：使用乳清作为粘合剂制备碳化和活性炭颗粒的路线示意图。

　　生粒料的炭化活化

　　由于这种粘合剂对于这一特定应用的新颖性，有必要首先研究原料颗粒的碳化。图2显示了在非氧化气氛下活性炭前体和仅有粘合剂的生粒料在非氧化气氛下的热行为。椰壳炭在所研究的温度范围内非常稳定，在1000℃时仅减轻17.7%的重量，其中几乎一半(8%)对应于水分的释放。活性炭前体的这种低挥发性排放形成对比。在相同温度下观察到乳清重量损失70%。这意味着焦炭产量约为。30%的乳清粘合剂在1000℃。乳清颗粒的大部分挥发性排放发生在低于600℃的温度下，在175至275℃之间观察到大量重量损失。在类似条件下获得的纯α-乳糖或乳清蛋白的热曲线中不存在这种热事件。据推测，这种特殊的热行为可能是美拉德聚合物或树脂的特征。这种新粘合剂的其他次要事件归因于结晶α-乳糖的脱水等。

　　图2：不同柱状颗粒活性炭和活性炭前体的TG和DTG/N2曲线。

　　乳清对活性炭的粘合能力

　　根据一些碳化颗粒的SEM显微照片，以说明乳清的粘合剂能力。图3a显示了全粘合剂碳化颗粒的图像。材料结构呈海绵状，具有大小不一的大孔。这种结构不同于在没有额外水的情况下通过模塑加碳化乳清颗粒制备的材料，其中原始乳清粉颗粒碳化后保持其形状。这是意料之中的事情，因为向乳清中添加水会通过部分溶解乳清漂珠将粉末转化为粘性糊状物。尽管如此，据推测，乳清水性糊剂中的蛋白质/乳糖组合会促进美拉德反应，从而产生热稳定性树脂类化合物(类黑素)。这些化合物会在不熔化的情况下承受碳化，从而保持原始颗粒的形状。然后，图3a的大孔可以归因于挥发物排放过程中产生的气泡，或者归因于碳化后会粘在一起的变形乳清原始漂珠。在任何情况下，粘性、胶状乳清水悬浮液在捏合过程中粘合活性炭颗粒，热处理通过将胶水转化为富含碳的基质来硬化胶水(图3b)。

　　图3：(a)乳清颗粒在450℃下碳化的SEM显微照片，(b)柱状活性炭在450℃下碳化，(c)与(b)相同，但原材料颗粒清晰可见。

　　乳清是用于制造活性炭颗粒的一种比较好的有机粘合剂，为这种废物的增值提供了新的可能性。由椰壳活性炭、乳清和水的混合物获得的柱状蜂窝的碳化使成品具有出色的耐磨性，如球磨机硬度测试所测量的那样。特别是，我们发现可以调控乳清来达到活性炭的理想硬度。此外，乳清能够结合粒径小于212µm的活性炭粉末，从而避免活性炭前体的密集研磨。最后，碳化颗粒的耐磨性似乎在高于乳清完全碳化(450℃)直至1000℃的温度下不受影响。从这个意义上说，乳清的行为类似于热固性树脂的行为。虽然使用乳清粉作为粘合剂可以简化材料的处理和储存，但使用部分脱水的液态乳清可以避免与蒸发相关的高成本，从而在整个过程中节省能源。在任何情况下，任何乳清形式的成本都与传统粘合剂或化石基材料的成本相比具有竞争力。所有这些特征使乳清成为传统粘合剂的明确替代品，以实现更可持续的活性炭制造。