咖啡渣活性炭的制備及吸附性研究

熊堯 姚明宇 李建宇

摘要 ? ?本文以現(xiàn)磨咖啡的廢棄渣為材料，采用K2CO3活化法來(lái)制備咖啡渣活性炭，考察K2CO3用量、活化時(shí)間、溫度、氮流量等因素對(duì)活性炭得率及咖啡渣活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附能力，并且對(duì)部分活性炭進(jìn)行了顯微鏡（SEM）和元素分析的表征。結(jié)果表明，采用K2CO3活化法能夠有效制備咖啡渣活性炭，最高得率是26.88%，對(duì)亞甲基藍(lán)的最大吸附率為450.0 mg/g，最適宜的K2CO3活化比、活化時(shí)間、溫度、氮流量分別為1∶1、1.5 h、800 ℃、40 cm3/min。

關(guān)鍵詞 ? ?咖啡渣;活性炭;得率;吸附能力

中圖分類號(hào) ? ?TQ424.1 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?A

文章編號(hào) ? 1007-5739（2020）04-0149-02 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

近年來(lái)，咖啡銷售量逐年增高，咖啡渣在全世界的年產(chǎn)量約600萬(wàn)t[1]。中國(guó)咖啡市場(chǎng)消費(fèi)量穩(wěn)定增長(zhǎng)，2016年中國(guó)咖啡消費(fèi)總量為2 698.10萬(wàn)t，2017年為3 480.45萬(wàn)t，到2018年達(dá)到3 642.86萬(wàn)t。據(jù)倫敦國(guó)際咖啡組織統(tǒng)計(jì)，與全球平均2%的增速相比，中國(guó)咖啡消費(fèi)正在以每年15%的速度增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2025年，中國(guó)將成長(zhǎng)為1萬(wàn)億元的巨型咖啡消費(fèi)帝國(guó)。在生產(chǎn)速溶咖啡的過(guò)程中，咖啡干豆經(jīng)加工后，其重量的2/3為咖啡渣[2]?？Х仍奶幚矸绞揭话銥槿紵疤盥穹ǎ⑽磳?duì)其進(jìn)行有效的回收利用[3]。這種方式在浪費(fèi)人力物力資源的同時(shí)，也會(huì)帶來(lái)新的環(huán)境污染[4]。因此，亟待尋找新的途徑來(lái)解決廢棄咖啡渣日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，咖啡渣資源化利用成為當(dāng)今研究的新熱點(diǎn)。

1 ? ?材料與方法

1.1 ? ?試驗(yàn)材料

咖啡渣，收集于四川省綿陽(yáng)市星巴克咖啡廳。采集的咖啡渣經(jīng)反復(fù)洗滌，循環(huán)水沖洗至液體清澈，放入70 ℃DHG-9023A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，24 h后取出，待用。

1.2 ? ?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 ? ?K2CO3用量對(duì)咖啡渣活性炭得率及吸附率的影響。設(shè)K2CO3與咖啡渣的質(zhì)量比分別為1.0∶5.0、1.0∶4.0、1.0∶3.0、1.0∶2.0、1.0∶1.0、1.5∶1.0、2∶1、2.5∶1.0，以活性炭得率和活性炭吸附性為考察指標(biāo)，考察其對(duì)活性炭的影響。

1.2.2 ? ?活化溫度對(duì)活性炭得率及吸附率的影響。設(shè)定活化溫度分別為600、700、800 ℃，以活性炭得率和活性炭吸附性為考察指標(biāo)，考察其對(duì)活性炭的影響。

1.2.3 ? ?活化時(shí)間對(duì)活性炭的影響。設(shè)定活化時(shí)間分別為1.0、1.5、2.0 h，以活性炭得率和活性炭吸附性為考察指標(biāo)，考察其對(duì)活性炭的影響。

1.2.4 ? ?氮流量對(duì)活性炭的影響。設(shè)定氮流量分別為40、60、80 cm3/min，以活性炭得率和活性炭吸附性為考察指標(biāo)，考察其對(duì)活性炭的影響。

1.3 ? ?咖啡渣的炭化處理

將每一組25 g咖啡渣與一定比例的K2CO3固體顆粒混合均勻，置于高溫管式爐（英國(guó)，LENTON）中，按設(shè)置的炭化條件，進(jìn)行燒制。將燒制好的粗樣品反復(fù)用70～80 ℃蒸餾水在布氏漏斗上洗滌，至洗出液pH值6.0～7.0，置于70 ℃烘箱，24 h后取出。將其研磨，過(guò)200目篩，篩出的樣品用于測(cè)定其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

1.4 ? ?樣品吸附性能測(cè)定方法

按照GB/T 12496.10—1999進(jìn)行活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)溶液吸附性的測(cè)定。

亞甲基藍(lán)溶液的配制：稱取1.500 g亞甲基藍(lán)固體顆粒，于60～70 ℃緩沖溶液中溶解，冷卻至室溫，過(guò)濾于容量瓶?jī)?nèi)，用緩沖溶液加至標(biāo)線。稱取0.100 g活性炭，用移液槍吸取5 mL亞甲基藍(lán)溶液，滴入活性炭中，振蕩20 min。若溶液變透明，則繼續(xù)滴加亞甲基藍(lán);若溶液顏色與4 g CuSO4·5H2O溶于1 000 mL水中的顏色相近，則可用紫外分光光度計(jì)（上海，元析儀器）在665 nm下測(cè)定吸光度。若超過(guò)硫酸銅溶液吸光值的1.5倍或低于0.5倍，則重新測(cè)定吸附值。

亞甲基藍(lán)吸附值按下列公式計(jì)算：

A=V×C

式中：A為亞甲基藍(lán)吸附值，mg/g;V為活性炭消耗亞甲基藍(lán)的體積，mL;C為亞甲基藍(lán)的濃度，mg/mL。

1.5 ? ?數(shù)據(jù)處理與分析

用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析檢驗(yàn)，用Excel 2018作圖。

2 ? ?結(jié)果與分析

2.1 ? ?K2CO3用量對(duì)咖啡渣活性炭得率及吸附率的影響

如圖1所示，隨著K2CO3質(zhì)量從5 g增加到62.5 g，樣品得率呈現(xiàn)上升—下降—上升的趨勢(shì)，這是因?yàn)榍皫捉M活化劑用量低，咖啡渣的揮發(fā)分未被活化劑充分活化成炭，故隨活化劑量增大，炭得率也增大。而活性炭得率在 K2CO3質(zhì)量為12.5～50.0 g時(shí)，由于過(guò)多的K2CO3進(jìn)行化學(xué)活化反應(yīng)時(shí)生成了CO，使C以CO的形式釋放[5]，故得率降低。將活化劑用量增加到62.5 g時(shí)，釋放的CO對(duì)具有物理活性的CO2起稀釋作用，促進(jìn)其對(duì)碳骨架進(jìn)行更均勻、溫和的刻蝕造孔和擴(kuò)孔反應(yīng)[6]，從而減少了碳的燒失，因而得率升高。如圖2所示，隨著活化劑質(zhì)量的增加，樣品對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附性能逐漸增加，其中亞甲基藍(lán)吸附值最高為30 mg/g，最低為13.125 mg/g，由此可見(jiàn)，隨著質(zhì)量比的增加，亞甲基藍(lán)吸附值增加量小，活化劑用量對(duì)活性炭吸附性能的影響不顯著。

從圖1、2可以看出，活化比對(duì)得率和活性炭吸附能力的影響趨勢(shì)參差不齊。因此，設(shè)計(jì)2組質(zhì)量比（1∶2、1∶1）來(lái)探究其他因素對(duì)活性炭的影響。

2.2 ? ?活化溫度對(duì)活性炭得率及吸附率的影響

如圖3、4所示，亞甲基藍(lán)吸附值隨活化溫度的增加而增大，樣品得率則是隨著溫度的增加而減小。活化溫度從600 ℃增加到800 ℃，2組亞甲基藍(lán)吸附值幾乎呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，說(shuō)明溫度對(duì)活性炭的吸附性能有很大的影響。這是因?yàn)樘妓徕浽诟邷貤l件下與咖啡渣進(jìn)行炭化，產(chǎn)生單質(zhì)鉀和CO2，從而產(chǎn)生造孔作用，有利于炭孔的形成。此外，當(dāng)溫度達(dá)到單質(zhì)鉀的沸點(diǎn)762 ℃時(shí)，鉀會(huì)揮發(fā)且擴(kuò)散進(jìn)炭層[7]，對(duì)炭有刻蝕作用，使其形成發(fā)達(dá)孔隙，提高了咖啡基活性炭的吸附性。2組活性炭得率隨著溫度的增長(zhǎng)而減小，這一結(jié)果與Gurten等[8]的結(jié)果一樣，這是因?yàn)榛罨瘻囟壬?，原料發(fā)生脫水，氣化和消除反應(yīng)越強(qiáng)烈，導(dǎo)致有機(jī)揮發(fā)分的釋放量增大，故而產(chǎn)率降低。因此，可得出結(jié)論，溫度對(duì)活性炭得率及吸附率的影響非常大。

2.3 ? ?活化時(shí)間對(duì)活性炭得率及吸附率的影響

如圖5、6所示，在活化劑質(zhì)量比為1∶2時(shí)，亞甲基藍(lán)吸附值隨活化時(shí)間的增長(zhǎng)而降低，得率則先升高后降低。這是因?yàn)樵谠摶罨瘎┝肯驴Х仍幢煌耆罨?，且時(shí)間越長(zhǎng)炭孔就越會(huì)出現(xiàn)燒失和拓寬，導(dǎo)致活性炭吸附性和得率的降低。在活化劑質(zhì)量比為1∶1時(shí)，亞甲基藍(lán)吸附值隨活化時(shí)間的增長(zhǎng)而升高，得率則降低。在質(zhì)量比為1∶1時(shí)，其亞甲基藍(lán)吸附性低，但是處于上升階段，故隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，活化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體會(huì)起到造孔作用，從而使亞甲基藍(lán)吸附性增大;在質(zhì)量比為1∶1時(shí)，活性炭得率低，并且正處于下降階段，故隨時(shí)間的增長(zhǎng)，炭孔的燒失程度增大，其得率也就降低。從圖中可以看出，得率和吸附率在活化時(shí)間的影響下變化小，故活化時(shí)間是次要因素。

2.4 ? ?氮流量對(duì)活性炭的影響

如圖7所示，碳酸鉀與咖啡渣質(zhì)量比為1∶2時(shí)，隨著氮流量的增加，得率逐漸降低，這是因?yàn)榛罨瘎┑挠昧坎粔颍Х仍幢蝗炕罨斐傻寐实?。?∶1時(shí)，由于活化劑適量，因而發(fā)現(xiàn)氮流量對(duì)活性炭的影響很小。從圖8可以看出，活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附能力隨氮流量的增加未發(fā)生較大變化，故可以得出結(jié)論，氮流量對(duì)活性炭的影響很小。

3 ? ?結(jié)論與討論

本研究利用廢棄咖啡渣為前體，以碳酸鉀為活化劑，經(jīng)物理化學(xué)一步法制備活性炭[9-12]。制備高吸附性能咖啡渣的最佳活化參數(shù)為：質(zhì)量比1∶1，活化溫度800 ℃，活化時(shí)間1.5 h，氮流量40 cm3/min，在最佳活化條件下，亞甲基藍(lán)吸附值為450 mg/g，遠(yuǎn)大于《木質(zhì)凈水用活性炭》（GB/T 13803.2—199

9）一級(jí)品標(biāo)準(zhǔn)（亞甲基藍(lán)吸附值為135 mg/g）。其中，活化溫度對(duì)活性炭吸附性能的影響最大。

4 ? ?參考文獻(xiàn)

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