磷酸微波法制備梧桐樹葉活性炭及其性能研究

呂春芳，王婕，高盼盼

(1.長安大學環境科學與工程學院，陜西西安 710054;2.西安工程大學環境與化學工程學院，陜西西安 710048)

在我國很多城市，梧桐樹給道路綠化做出巨大貢獻，然而，隨著深秋季節的到來，大量的梧桐樹葉落滿街頭，如何正確的處置這些天然廢物，給環保部門和清潔人員都帶來一定的困擾。樹葉富含木質素、纖維素、半纖維素和硅等化合物，因此，可以考慮利用梧桐樹葉制備活性炭，以實現廢物資源化效應。由于活性炭微觀結構復雜［1-2］，尤其是天然生物細胞纖維結構的多樣性，直接影響到活化后活性炭的孔隙大小和形狀［3-4］，以及樹葉自身含碳量及傳統制備方法的缺陷，影響了活性炭的性能。研究表明，向其中引入性能良好的活化劑可大大提高活性炭的吸附性能［5］。Menendez等［6］對微波制備活性炭的可行性進行了研究，取得了良好的效果。結合植物本身的特性以及微波輻照的優勢，微波法制備植物類活性炭被證實是一種頗有成效的好方法［7］。

通常制備活性炭的方法有化學活化法、物理活化法、化學物理法。物理活化法雖然污染小，但活性炭的性能較差。化學活化法具有活化時間短、活化反應易控制、產物比表面積大等優點，成為現今高性能活性炭的主要生產方法［8］。

本研究采用微波加熱和化學活化中的磷酸活化結合的方法制備活性炭，通過正交實驗系統地對梧桐樹葉制備活性炭的工藝進行研究。考慮到微波環保技術是微波處理技術與環境資源回收利用技術的新興交叉技術［9-14］。它具有選擇性加熱、加熱速度快且均勻、節能省電、效率高、統時間僅需傳加熱方式的幾分之一或幾十分之一的特點，以此來制備性能良好的梧桐樹葉活性炭，并對其吸附性能進行研究。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

街道道路兩旁的梧桐樹落葉;磷酸、亞甲基藍、堿性湖藍、可溶性淀粉、碘、碘化鉀、硫代硫酸鈉均為分析純。

SVM-1124N微波爐;DHZ-2電熱恒溫振蕩水槽;CMD-20x電熱恒溫鼓風干燥箱;AG285電子分析天平;V-1100可見分光光度計。

1.2 實驗方法

將梧桐樹葉洗干凈，于105℃左右烘干24 h，粉碎過2 mm篩。一定量的干樹葉將其浸泡在磷酸溶液中2 d，瀝干后進行微波輻照，將產物洗滌至中性，烘干后將樣品密封保存。按GB/T 12496.8—1999和GB/T 12496.10—1999標準分析方法測定碘吸附值和亞藍吸附值。

2 結果與討論

2.1 正交實驗設計

以碘吸附值為評價標準，對活性炭性能影響較大的4個因素微波功率、活化時間、磷酸濃度、液固比進行4因素3水平正交實驗，因素水平見表1，結果見表2。

表1 因素水平表Table 1 Factors and levers table

表2 正交實驗結果Table 2 Results of orthogonal tests

由表2可知，對碘值吸附性能影響最大的因素是活化時間，其次是液固比，微波功率影響最小，最佳實驗條件是A2B2C3D2。考慮到D3處于邊界，未出現極大值，因此需進一步考察更大液固比對活性炭吸附性能的影響。

2.2 液固比對活性炭吸附性能的影響

實驗條件:磷酸濃度60%，活化時間280 s，功率 640 W，液固比為 3∶1，5∶1，7∶1，8∶1，9∶1(mL/g)，研究其對活性炭吸附性能的影響，結果見圖1。

圖1 液固比與活性炭吸附性能的關系Fig.1 Relationship of liquid-solid ratio and adsorption properties of activated carbon

由圖1可知，隨液固比的增大，碘值和亞甲基藍值均呈先增大后減小的趨勢，當液固比為7∶1時碘值達到最大，液固比為5∶1時亞甲基藍值達到最大。這是由于隨著液固比的增大，H3PO4分子增多，H3PO4與樹葉中的無機物生成較多的磷酸鹽，起到膨脹的作用，可增大炭微晶的距離。通過洗滌除去磷酸鹽，可以得到孔結構較發達的活性炭。但隨著液固比的增大，溫度升高時，原料中的揮發性組分被過多的液體的攔截，減少了碳層內部形成新孔的幾率，進而影響了活性炭的吸附能力。

由上可知，磷酸微波法制備活性炭的最佳工藝條件是:微波功率640 W，活化時間280 s，液固比為7∶1(mL/g)，磷酸濃度60%。在此工藝條件下多次重復實驗，活性炭的碘吸附值的平均值為538.87 mg/g，亞甲基藍平均值為 15.206 4 mg/g。

2.3 梧桐樹葉活性炭處理城市生活污水的研究

本研究采用靜態吸附實驗。量取100 mL污水，加入一定量的吸附劑，室溫下振蕩2 h，過濾，測定吸附前后污水的COD、TP、TN去除率與活性炭用量的關系，結果見圖2。

由圖2可知，隨著活性炭投加量的增加，對COD的去除率呈逐漸增大的趨勢，在1.5 g后基本保持不變，達到76.85%;而總磷、總氮的去除率則是隨著活性炭投加量的增大先增大后減小，在投加量為1.5 g時，TN和 TP的去除率最大，分別達到71.99%，95.99%。由此可知，此活性炭具有較好的吸附性能。

圖2 活性炭用量與去除率之間的關系Fig.2 The relationship between the removal rate and activated carbon quantity

3 結論

(1)采用磷酸微波法以梧桐樹葉為原料制備活性炭，最佳的制備條件是:微波功率640 W，活化時間280 s，液固比7∶1(mL/g)，磷酸濃度為60%。在最佳條件下制得的活性炭的碘值為538.87mg/g，亞甲基藍值為15.206 4 mg/g。實現了廢物資源化的目的。

(2)梧桐樹葉基活性炭具有良好的吸附性能，用于處理城市污水，用量為1.5 g/100 mL，靜態吸附2 h時，TN、TP的去除率分別可達72%，96%。

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