家庭巧用干果殼制取活性炭的簡易裝置與方法

　　在新裝修的住房里，對人體健康、尤其是對我們少年兒童健康威脅最大的是甲醛和苯、甲苯等有毒物質。它們會導致很多的疾病，甚至可導致癌癥！我們3個人，有的剛搬家，有的即將搬家，都對“新房裝修后怎樣消除裝修異味、怎樣去除甲醛等有毒物質”等問題很感興趣。我們查找資料后發現：活性炭是清除裝修異味和有毒物質的最好材料之一，可以用木材、果殼等制取。市場上有活性炭出售，通常是竹炭，價格不便宜。聯想到我們平時愛吃核桃、花生，核桃殼、花生殼都被當作垃圾白白丟掉。如果能找到一種家庭利用果殼制取活性炭的簡易方法，是一件非常有環保意義的事情。我們繼續通過網絡查找“利用核桃殼、花生殼等家庭制作活性炭的方法”，結果幾乎查尋不到。這激發了我們的探究、創新興趣和激情。如果我們能探究出在家庭環境中利用核桃殼、花生殼等果殼制作活性炭的新方法，既可鍛煉我們的動手能力，又能培養我們的創新能力，還能增加我們的友誼，最重要的是，能用自己的雙手變廢為寶，能讓勞動成果來為我們的生活服務，提高自己的生活質量。我們3人因此走到了一起，成立了“家庭制作活性炭DIY小組”，踏上了充滿挑戰和未知的探究之路。
　　艱辛的探究之路
　　我們制作了果殼分類收集盒，放在教室里，請同學們幫助收集核桃殼、花生殼。很快，實驗所需的原材料就足夠了。我們首先把核桃殼、花生殼等果殼進行燃燒，想把它們燒成炭。可是，燃燒后果殼都變成了灰，一吹即散。我們又試著將核桃殼、花生殼等果殼裝在鐵皮的茶罐里，放進火里烘烤，還是不能制成炭。我們繼續嘗試把果殼放在高壓鍋中煮半小時，然后取出晾干，仍然不能制成炭。老師提醒我們：“先查找制作炭的原理，在實驗室里進行探究。”媽媽們也紛紛給我們鼓勁。我們查詢資料后得知：果殼需在缺氧或氧氣不足條件下加熱，才可能制成炭。
　　在實驗室里，我們把搗碎的果殼放入大試管內，用棉花堵住試管口，把大試管固定在鐵架臺上，向下傾斜，用酒精燈加熱。不一會兒，試管口附近出現小水珠，棉花上吸附了一層褐色的物質，試管壁上也有褐色物質，核桃殼慢慢變成了黑色有光澤的物質——原始的活性炭生成了。
　　在毛巾、棉布、口罩、石棉鐵網、煤灰塊中，我們最終選擇了煤灰塊來吸收焦油。煤灰塊耐高溫、吸附能力強、無毒。
　　制取果殼活性炭的家庭簡易裝置與原料
　　原理
　　干果殼是含碳十分豐富的物質。在隔絕氧氣的條件下加熱到400℃左右，可以使其炭化，從而獲得活性炭。
　　結構
　　加熱裝置可以使用去掉手柄的帶漏網的舊漏勺、舊瓷缽、砂鍋、帶蓋的搪瓷盆、液化氣灶或鐵爐子等。我們最終選擇了砂鍋來燒果殼，并且采用舊瓷缽來做砂鍋蓋子。砂鍋保溫性好、傳熱均勻、不黑鍋。
　　去雜質裝置可以使用盆、濾網等。
　　原料
　　核桃殼或花生殼等干果殼、洗潔精、白醋、煤灰塊（或粉筆頭）。
　　
　　圖1 核桃殼活性炭粉末（左）、花生殼活性炭粉末（中）與核桃殼活性炭炭粒（右）
　　
　　圖2 不同活性炭吸附二氧化氮能力對比
　　
　　圖3 不同活性炭吸附水中有色物質能力對比
　　制作方法
　　加熱階段
　　在容積為500mL的砂鍋內放入100g搗碎的核桃殼或花生殼，將裝有50g煤灰塊（用來吸附焦油）的濾勺放入砂鍋，蓋上搪瓷缽。用液化氣灶、煤氣灶或鐵爐子對砂鍋進行小火加熱。約5分鐘后，少量水蒸氣和焦油從瓷缽小孔中溢出；加熱15分鐘后，瓷缽小孔中幾乎沒有氣體溢出。
　　當瓷缽小孔中幾乎沒有氣體溢出時，關（停）火，讓砂鍋自然冷卻。拿開瓷缽，倒出黑色的活性炭。將吸附有焦油的煤灰塊（或粉筆頭）妥善丟棄。
　　在這個階段可獲得初步制備的活性炭。核桃殼活性炭呈黑色、有光澤；花生殼活性炭呈黑色（顏色比核桃殼活性炭稍淺）、無光澤、易碎。
　　清除雜質階段
　　首先，放2滴洗潔精和500mL開水在搪瓷盆里，將初步制備的活性炭放入盆中，用竹筷攪拌均勻，待開水涼后，洗去活性炭中的油脂。并用清水沖洗干凈。
　　然后，把白醋倒入裝有活性炭的搪瓷盆中，讓白醋淹沒活性炭，煮30分鐘；然后讓其浸泡1天。過濾，用純凈水洗滌3次。再用純凈水煮炭粒，沸騰15分鐘，棄去鍋內溶液，再換新純凈水煮沸幾次。這樣，就可以除去活性炭初料中不溶于水的雜質。把含有炭粒的溶液過濾后倒在干凈的紙上，置于通風處用吹風機吹干或用微波爐烤干。
　　實驗結果表明：這樣既可去除活性炭中的油脂和不溶于水的雜質，又可疏通炭內微孔，增強其吸附能力。
　　研磨成型階段
　　用擂缽將活性炭搗碎制成炭粒，用濾勺進行過濾，收集活性炭炭粒和粉末。
　　實驗結果：得到大小均勻的顆粒和粉末兩種形態的活性炭。核桃殼活性炭粉末比花生殼活性炭粉末更黑更粗，花生殼活性炭粉末則更灰更細。花生殼活性炭因松脆，容易研磨，可全部制成粉末；核桃殼活性炭更硬，可制成粉末和顆粒兩種形態。
　　使用以上家庭簡易裝置，用1 000g的干果殼，可制取800g的活性炭成品。
　　實驗室驗證及對比自制果殼活性炭效果
　　對紅棕色二氧化氮氣體吸附能力的比較
　　取3個錐形瓶分別貼上1號（核桃殼炭）、2號（花生殼炭）、3號（竹炭）的標簽。在3個錐形瓶中對應裝入3g自制的核桃殼活性炭、3g自制的花生殼活性炭、3g超市買來的竹炭；然后，在3個錐形瓶中各充入等量的二氧化氮。觀察并記錄每瓶中紅棕色褪去的時間。
　　對比結果：花生殼活性炭效果最好，只需要35秒，竹炭其次，需要1分12秒，核桃殼活性炭最差，需要1分32秒（如圖2，所得數據為多次重復實驗的平均值）。
　　對水中有色物質吸附能力的比較
　　取3個礦泉水瓶分別貼1號（核桃殼炭）、2號（花生殼炭）、3號（竹炭）的標簽。在3個礦泉水瓶中各加100mL清水，滴20滴品紅溶液，搖勻；然后，分別加入3g自制的核桃殼活性炭、3g自制的花生殼活性炭竹、3g超市買來的竹炭。靜置一段時間。觀察并比較紅色消失所需的時間。
　　對比結果：花生殼活性炭效果最好，只需要10分鐘，竹炭其次，需要13分鐘，核桃殼活性炭最差，需要19分鐘（如圖3，所得數據為多次重復實驗的平均值）。
　　結論：自制花生殼活性炭的吸附能力最強，效果比超市出售的活性炭好，可以在家庭中使用。
　　
　　圖4 商販制取活性炭的裝置（左）和待售的活性炭（右）
　　自制的活性炭在生活中的充分運用
　　核桃殼活性炭和花生殼活性炭的制作成功，使我們異常興奮和高興。我們決定把自制的活性炭充分運用到生活中去。
　　我們制作了紅辣椒等形狀的布袋，裝入花生殼活性炭，掛在新裝修家中的墻壁上或其他地方，利用它微小且不規則的孔容積，去除空氣中的大分子異物，如苯、醛、氨等，也能消除香煙的尼古丁和家居的異臭。異味布袋自身還能起到很好的裝飾作用。
　　用棉布縫制活性炭包，放在冰箱中，能去除冰箱異味。
　　把活性炭擺放在實驗室里，能夠去除實驗過程中產生的許多有毒、有害氣體。
　　取1個空塑料飲料瓶，剪去底部，瓶口用帶導管的單孔膠塞塞緊，將瓶子倒置，瓶內由上向下分層放置洗凈的膨松棉、紗布、活性炭（裝在絲襪里）等，就得到1個簡易凈水器，可以用來處理家庭、實驗室里的污水。
　　我們發動班級內的同學積極參與到家庭制取活性炭的活動中來，制作出許多精美的活性炭布藝袋。然后，我們在學校推廣該技術并進行活性炭布藝袋義賣活動，全校同學積極參加義賣活動。我們將義賣所得的991元通過老師捐給了我們實驗學校對口幫扶的貧困小學——紫云縣火花鄉喜灣村小學。這次技術推廣和義賣活動，喚醒了全校師生的環保意識，并充分展現了我校師生的愛心。
　　我們還在社會上推廣該技術，讓賣花生的小商販也能變廢為寶，多一條賺錢的途徑，同時也為保護環境作出貢獻。
　　在整個探究創新的過程中，我們學會了發現問題、運用科學原理解決實際問題，學會了面對困難要迎難而上，學會了虛心請教、相互學習、團結合作，學會了自己動手、變廢為寶。身邊的科學與創新，讓我們對學習、對未來充滿了信心。
　　該項目獲得第26屆全國青少年科技創新大賽創新成果競賽項目中學組植物學一等獎。
　　專家評語
　　該項目利用花生殼、核桃殼等廢棄物為原料，通過簡單的設備和簡易的方法制作活性炭，并與市售的活性炭進行了吸附效果的對比。項目選題有一定新意，研究適合中學生的特點，研究過程較完整，研究結果可信。