微波輻照巴旦杏核殼制備活性炭及其吸附性能研究

李 勇，李 慶，劉 嫻

(1.塔里木大學 機械與電氣化工程學院,新疆 阿拉爾 843300； 2.新疆大學 紡織學院,新疆 烏魯木齊 830000；3.西安工程大學 環境工程與化學學院,陜西 西安 710000)

活性炭是由含碳物質制成的外觀黑色內部孔隙結構發達，比表面積大吸附能力強的微晶質炭吸附劑，廣泛應用于污水處理、煙氣脫硫、空氣凈化、化工分離和催化劑等領域[1]。傳統的活性炭制備多以木炭、煤、石油、瀝青、泥煤為原料[2]，由于禁伐森林以及化石燃料不可再生，致使制備活性炭的原料受到限制。理論上，絕大部分含碳物質均可用于制備活性炭，適宜制備活性炭的原料應是固定碳和揮發分含量較高而灰分較少的物質[3]。農林副產品通常具備這一特征且來源廣泛、價格低廉。近年來，以杏核[4]、核桃殼[5]、椰殼[6]和木材加工廢料[7-8]等農業植物質廢棄物為原料制備活性炭材料成為研究開發的熱點。享有“圣果”美譽的巴旦杏，是我國南疆地區特有的干果之一，其種植面積達5.3萬hm2[9]。巴旦杏仁含有豐富的營養成分，且含有很高藥用價值，深受全國各族人民青睞。木質結構的巴旦杏核殼往往被作為垃圾丟棄或焚燒處理。為了對巴旦杏取仁加工過程中所形成的廢棄物巴旦杏核殼這一寶貴生物資源進行綜合開發利用，本研究以巴旦杏核殼為原料，探討了微波法制備巴旦杏核殼活性炭的工藝條件，為開發巴旦杏核殼制備活性炭的新方法進行探索性嘗試。

1 實 驗

1.1 原料及試劑

以市售南疆地區生巴旦杏(AmygdalusCommunisL.)核殼為原料，去離子水清洗，恒溫烘箱105 ℃烘干，粉碎，過篩，取0.90 mm顆粒備用。氯化鋅、碳酸鉀、 85%磷酸、 37%～38%鹽酸和亞甲基藍皆為分析純。活性炭亞甲基藍吸附值的測定采用GB/T 12496.10—1999標準。

1.2 儀 器

WBFY-201微電腦微波化學反應器，予華儀器有限責任公司；電熱鼓風烘箱；721可見光分光光度計，上海精密儀器儀表有限公司；800B低速臺式離心機。

1.3 試驗方法

將10 g巴旦杏核殼按固液比1 ∶3(g ∶mL)浸漬于不同質量分數的磷酸溶液24 h，再置于微波化學反應器(微波最大功率800 W，頻率為2 450 MHz)中微波輻照一定時間使之炭化活化。所得樣品經稀鹽酸酸洗，水洗至中性，再烘干，粉碎既得成品活性炭。

采用L9(34)正交設計表，以活化劑種類、活化劑質量分數、微波功率、輻照時間作為試驗的4個因素，每個因素取3個水平，進行正交試驗。以活性炭得率和亞甲基藍吸附值作為樣品考核指標。

2 結果與分析

2.1 正交試驗結果分析

正交試驗設計及結果分析見表1。

不同制備工藝條件下制得的活性炭性能相差較大。為了判斷所選4個因素對活性炭性能所產生的影響的強弱程度，并確定最佳制備工藝條件，采用極差分析，其結果如表1所示。

由表1可知，比較數據R與R′ 值，活性炭制得率指標為D>C>A>B，亞甲基藍吸附值指標為D>B>A>C。從生產效益角度考慮，活性炭得率越高越好，由表1可知最佳制備工藝條件為A2B1C2D1，即磷酸質量分數30%，微波功率640 W，微波輻照時間8 min。然而亞甲基藍吸附值越高，活性炭的吸附性能越好，由表1可知最佳制備工藝條件為A2B2C3D3，即磷酸質量分數40%，微波功率800 W，微波輻照時間16 min。綜合產品活性炭的得率和亞甲基藍吸附值，可得本試驗條件下的最佳工藝為A2B2C2D3，即磷酸質量分數40%，微波功率640 W，微波輻照時間16 min。在此條件下制得的活性炭亞甲基藍吸附值為231.5 mg/g，得率為56.8%。

2.2 吸附條件對亞甲基藍吸附的影響

2.2.1 吸附時間 取上述最佳制備工藝條件下的0.1 g巴旦杏核殼活性炭，加入100 mL質量濃度10 mg/L的亞甲基藍溶液，在303 K下恒溫振蕩3 h。吸附時間分別為5、 10、 20、 30、 45、 60、 120、 180 min，測定巴旦杏核殼活性炭吸附效果。吸附時間對亞甲基藍去除率的影響，如圖1所示。

表1 正交試驗結果與分析

1)kn、R分別為活性炭得率的平均值和極差knandRstands for the average and range of activated carbon yield, respectively;kn′、R′分別為亞甲基藍吸附值的平均值和極差kn′ andR′ stands the average and range of decolorizing capacity for methylene blue

由圖1可知，巴旦杏核殼活性炭對亞甲基藍染料大分子吸附過程分為快速吸附、緩慢吸附和吸附平衡解析3個階段[10]。在吸附前10 min，亞甲基藍去除率增長速度極快，而后隨吸附時間的增長亞甲基藍去除率增長趨緩，直至在180 min后巴旦杏核殼活性炭基本達到平衡狀態。

使用準二級吸附動力學模型[11]分析巴旦杏核殼活性炭對亞甲基藍的吸附過程。以t/q對t做圖對曲線擬合得到線性方程：y=0.051 88x+0.021 72(見圖2)，相關系數R2=0.999 9。由圖2可知，準二級吸附動力學模型能很好的描述巴旦杏核殼活性炭對水溶液中的亞甲基藍分子的吸附動力學過程，由回歸方程可計算出巴旦杏核殼活性炭在30 ℃時的平衡吸附量(Qe)為19.28 mg/g，吸附速率常數k2為2.39。

圖1 吸附時間對吸附的影響

圖3 吸附等溫線

2.2.2 亞甲基藍質量濃度 取質量濃度分別為7.5、 10、 15、 20、 50、 80和100 mg/L的亞甲基藍溶液100 mL，加入最佳制備工藝條件制備的巴旦杏核殼活性炭吸附劑0.1 g，在303 K時振蕩12 h。其等溫曲線如圖3所示。由圖3可知，巴旦杏核殼活性炭吸附亞甲基藍的吸附等溫曲線為Ⅱ類吸附等溫線。隨著濃度升高，巴旦杏核殼活性炭對亞甲基藍的吸附量增加，表明濃度升高促進巴旦杏核殼活性炭對亞甲基藍的吸附。吸附量隨濃度的升高而增加可能是由于吸附劑和吸著物之間的化學交互作用，在濃度稍高時產生了新吸附位點或者加速了亞甲基藍進入吸附劑微孔的內擴散傳輸速率[12]。

將相關數據代入Freundlich和Langmuir吸附等溫方程進行擬合[13]，并以InQe對InCe，1/Qe對1/Ce作圖，如圖4和圖5所示。由圖可知，Freundlich和Langmuir等溫吸附模型線性相關性符合均較好，但Freundlich模型擬合的結果比Langmuir模型擬合結果更好，巴旦杏核殼活性炭對亞甲基藍的吸附性能更好地滿足于Freundlich吸附等溫曲線規律。

圖4 Freundlich吸附等溫方程

3 結 論

3.1 以南疆巴旦杏核殼為原料，采用微波輻照法制備活性炭是可行的。通過正交試驗，確定了最佳制備工藝條件為：原料10 g，固液比1 ∶3(g ∶mL)，磷酸質量分數40%，浸漬24 h，微波功率640 W，微波輻照時間16 min。在此條件下，制得的巴旦杏核殼活性炭的亞甲基藍吸附值達231.5 mg/g，活性炭得率為56.8%。

3.2 巴旦杏核殼活性炭對亞甲基藍的吸附過程符合二級吸附動力學模型。隨著濃度的升高，巴旦杏核殼活性炭對亞甲基藍的吸附量增加。巴旦杏核殼活性炭對亞甲基藍模擬染料廢水的吸附等溫線為Ⅱ類吸附等溫線，Freundlich吸附方程較Langmuir吸附方程能更好擬合吸附過程。

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