分級木質素基活性炭的制備及其吸附效果研究

摘要： 本研究采用4種有機溶劑對堿木質素進行分級，得到4種不同相對分子質量的木質素級分；以磷酸為活化劑，在高溫條件下制備木質素基活性炭（LAC），探討不同制備條件及外部環境因素對LAC吸附效果的影響。結果表明，在越高的磷酸含量和活化溫度下，相對分子質量較大的木質素級分制備的LAC對Cu2+的吸附效果越好。采用1，4-二氧六環分級的木質素級分在浸漬質量比2. 5∶1、活化溫度800 ℃下制備的LAC比表面積最大（806. 74 m2/g），吸附效果最好，Cu2+去除率達98. 3%。同時，LAC在不同環境溫度和pH值下，對Cu2+去除率均保持較高水平；經過4次吸附-解吸循環后，吸附效率達81%以上，解吸效率在73%以上，表明分級木質素制備的LAC具有良好的環境穩定性和可循環利用性。

關鍵詞：木質素；有機溶劑分級；活性炭；重金屬離子

中圖分類號：TS79 文獻標識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 01. 004

中國是農業大國，生物質資源豐富[1]。根據國家局統計數據，我國的玉米產量穩定在2.5億t/年，水稻產量高達2億t/年，煙草產量300萬t/年，每年產生的玉米芯、稻桿及煙桿等農林廢棄物超億噸。其中只有少部分農林廢棄物被用作工業化生產和發電，大部分得不到有效利用，被用作燃燒產熱或直接填埋，造成了嚴重的環境污染和資源浪費[2]。

廢棄生物質包含木質素、纖維素及半纖維素等組分，其中纖維素和半纖維素已廣泛應用于造紙、制糖和生物質精煉等方面，然而木質素的高值化利用率仍不到2%[3-4]。木質素是植物界中儲量僅次于纖維素的第二大生物質資源，具有豐富的官能團、剛性的核心骨架和較高的碳含量（30%～40%） [5-6]，是一種理想的碳基材料前體；其中，木質素制備活性炭是重要的研究方向之一。Doczekalska等[7]使用研磨后的木質素在700 ℃下碳化成活性炭（AC）。Gonzalez-Serrano等[8]使用ZnCl2活化硫酸鹽桉木木質素制備活性炭；研究發現，活性炭比表面積隨活化溫度增加而增加。然而，工業木質素通常存在活性位點少、結構復雜和相對分子質量分布較寬的缺點，限制了其應用，因此需要對木質素進行分級處理[9]。木質素分級方法主要有超濾法、酸沉淀法、熱解法和有機溶劑萃取法等，每種方法均擁有獨特的優勢與局限性。有機溶劑萃取法可依據木質素在不同有機溶劑中的溶解度差異實現木質素分級，該方法簡單有效，并且溶劑可以回收利用[10]。

本研究通過4種有機溶劑對堿木質素進行順序分級，得到了相對分子質量分布較均勻的4種不同相對分子質量的木質素級分，按照不同質量比與磷酸混合，并在400～800 ℃下進行碳化活化，使木質素中熱穩定性較差的組分降解揮發，并且利用磷酸出色的造孔能力，得到有致密多孔結構的木質素基活性炭（LAC）。為全面評估LAC的性能，本研究進一步采用凝膠滲透色譜、比表面積分析（BET）、掃描電子顯微鏡等多種方法對LAC進行表征，并開展針對Cu2+的吸附實驗，探究不同木質素級分在不同制備條件下的吸附性能及循環利用能力，旨在為廢棄木質素高值化利用提供堅實的理論基礎和實踐指導。