氯化鋅法制備薏米秸稈活性炭工藝研究

龍成梅，成曉東，龍明騰

（黔南民族師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，貴州 都勻 558000）

薏米是貴州省黔西南州特色經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物。幾百年來(lái)，黔西南老百姓有著種植、食用薏米的習(xí)慣。全球七成以上的薏米均來(lái)自黔西南，巨大的薏米產(chǎn)量給農(nóng)民帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)收入，但同時(shí)也產(chǎn)生了大量的薏米秸稈。薏米秸稈大多被直接丟棄和焚燒，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，將其稈制備成活性炭，是廢物資源化和防治環(huán)境污染的有效途徑之一。

活性炭疏松多孔，比表面積大，化學(xué)穩(wěn)定性好，在氣體凈化、廢水處理等許多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［1］。化學(xué)活化法是植物原料制備活性炭的主要方法，本文以氯化鋅為活化劑，制備薏米秸稈活性炭。根據(jù)Lewis酸堿理論，氯化鋅屬于酸，在活化過(guò)程中和秸稈中的含氧基團(tuán)作用可以促進(jìn)脫水脫氫反應(yīng)，導(dǎo)致其碳化生成多孔物質(zhì)［2］。為了制備性能優(yōu)良的薏米秸稈活性炭，以其對(duì)模擬廢水中鉛離子的吸附率為指標(biāo)，通過(guò)正交試驗(yàn)研究薏米秸稈活性炭的制備工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料、試劑與儀器

原料：薏米秸稈來(lái)源于貴州省黔西南州，經(jīng)洗滌、干燥、粉碎后備用。

試劑：氯化鋅、硝酸鉛、鹽酸等，均為分析純。

儀器：電熱鼓風(fēng)干燥箱，SK2-4-10馬弗爐，原子吸收分光光度計(jì)，F(xiàn)A004電子天平，回旋式恒溫振蕩器、集熱式恒溫加熱水浴鍋、磁力攪拌器。

1.2 薏米秸稈活性炭的制備

1）薏米秸稈洗凈、烘干、磨碎，過(guò)60目篩。2）準(zhǔn)確稱取一定量的秸稈粉末，置于瓷坩堝中，加入氯化鋅溶液，混勻，室溫條件浸泡24 h后放入馬弗爐，一定溫度下溫度活化一定時(shí)間。3）取出冷卻至室溫。加入體積分?jǐn)?shù)10%的鹽酸溶液，再用蒸餾水洗滌至pH＝6.5～7。放入烘箱，95℃烘干12 h，粉碎過(guò)160目篩，即得薏米秸稈活性碳。

1.3 吸附實(shí)驗(yàn)

取濃度為100mg·L-1的硝酸鉛溶液25mL具塞錐形瓶中，加入0.25g薏米秸稈，調(diào)節(jié)pH＝4～5，室溫振蕩吸附2h，過(guò)濾，利用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定濾液中鉛離子的含量。活性炭對(duì)鉛離子的吸附率計(jì)算式如下：

式中：C0為Pb2＋初始質(zhì)量濃度，mg·L-1；C為吸附后 Pb2＋質(zhì)量濃度，mg·L-1。

2 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1 料液比的影響

在氯化鋅溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%、活化溫度500℃、活化時(shí)間60 min的條件下，采用不同的料液比制備活性炭，其對(duì)鉛離子的去除率如圖1所示。

圖1 料液比對(duì)吸附率的影響Fig.1 Effects of solid-liquid ratio on adsorption rate

由圖1可知，薏米活性炭的吸附率在1∶1g／mL時(shí)最高，達(dá)到97.35%，隨著料液比增加，吸附率逐漸降低。這是由于適量的氯化鋅擁有脫羥基和脫水作用，使原料中的氫和氧以蒸氣形式溢出，并阻礙了油狀物質(zhì)產(chǎn)生，避免了堵塞，因而構(gòu)成了多孔狀結(jié)構(gòu)，使活性炭具有較高的吸附率［3］。但隨著氯化鋅溶液增多，反而覆蓋了活性炭的孔，使得吸附率降低。因此，最佳料液比為1∶1g／mL。

2.2 氯化鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸附率的影響

在料液比1∶1g／mL、活化溫度500℃、活化時(shí)間60min條件下，探究氯化鋅溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)活性炭吸附率的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，薏米秸稈活性炭的吸附率隨著氯化鋅溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小，這或許是由于活化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高，抑制了生物原料內(nèi)部有機(jī)碳的活化，因而降低了活性炭的吸附率［4］。因此，選擇氯化鋅溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，既節(jié)約溶劑又能獲得較好的效果。

圖2 氯化鋅濃度對(duì)活性炭吸附率的影響Fig.2 Effects of activator concentration on adsorption rate

2.3 活化溫度的影響

在料液比 1∶1g／mL、氯化鋅溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%、活化時(shí)間60min情況下，探究活化溫度對(duì)吸附率的影響，如圖3所示。由圖3可知，薏米秸稈活性炭的吸附率先增后降，在550℃時(shí)最高。這說(shuō)明隨著溫度增加，導(dǎo)致了纖維素分子間碳?xì)滏I的斷裂，使得纖維素分子中的含氧官能團(tuán)等以水蒸汽形式除去，形成孔隙［5］。而溫度過(guò)高，加重微孔隙的燒蝕，孔徑變大，導(dǎo)致吸附性能下降［6］。

圖3 活化溫度對(duì)吸附率的影響Fig.3 Effects of activation temperature on adsorption rate

2.4 活化時(shí)間的影響

在料液比1∶1g／mL、氯化鋅溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%、活化溫度550℃條件下，研究活化時(shí)間對(duì)活性炭吸附率的影響，結(jié)果如圖4所示。薏米秸活性炭的吸附率先增大，隨著活化時(shí)間的延長(zhǎng)又減小。這主要是因?yàn)椋洪_始活化時(shí)間不夠，活化不充分，隨著活化時(shí)間延長(zhǎng)，活化效果逐漸提高。但超過(guò)75min之后，因過(guò)度活化而造成過(guò)度炭化，會(huì)造成孔隙相連、變大或消失，從而降低了吸附率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇活化時(shí)間為75min較為適宜。

圖4 活化時(shí)間吸附率的影響Fig.4 Effects of activation time on adsorption rate

2.5 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

正交實(shí)驗(yàn)因素水平見表1，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of L9（34）orthogonal test

實(shí)驗(yàn)表明，薏米秸稈活性炭對(duì)鉛離子吸附率影響最大的因素是活化時(shí)間，其次是活化劑濃度和料液比，影響最弱的是活化的溫度，即按因素主次排列：D＞B＞A＞C。最佳方案為D3B1A1C3，即活化時(shí)間為90min，活化劑濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，料液比為1∶1，活化溫度500℃，此條件下，薏米秸稈活性炭對(duì)鉛離子的吸附率為98.62%。

3 結(jié)論

氯化鋅活化法制備薏米秸稈活性炭可行，能達(dá)到較好的吸附效果。最佳工藝條件為：活化時(shí)間為90min，活化劑濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，料液比為1∶1g／mL，活化溫度500℃。在該條件下活性碳對(duì)鉛離子的去除率為98.62%。