甘蔗渣微波制備活性炭吸附劑及其再生研究

吳文炳,陳建發(fā)，林小蘭,江萬祥

(1.漳州師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)系,福建 漳州 363000;2.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 食品與生物工程系，福建 漳州 363000)

活性炭是炭材料的典型代表，是一種優(yōu)質(zhì)的吸附劑，具有獨特的孔隙結(jié)構(gòu)和表面活性官能團(tuán)，有足夠的化學(xué)穩(wěn)定性和一定的機械強度，耐酸堿，耐高溫，不溶于水和有機溶劑，并且能夠再生循環(huán)使用[1～4].微波屬于電磁波的一種，它的波長在1 m～1 mm，頻率在300 MHz～300 GHz的無線電波.微波加熱是一種深入到物料內(nèi)部，由里向外的加熱方法.它通過被加熱體內(nèi)部偶極分子高頻往復(fù)運動，使物料內(nèi)外部同時加熱，同時升溫，僅需傳統(tǒng)加熱方式的幾分之一或幾十分之一就可達(dá)到加熱的目的.原料一經(jīng)微波加熱，活化劑急劇揮發(fā)而產(chǎn)生蒸汽壓，使其內(nèi)部向外部爆炸般地壓出產(chǎn)生無數(shù)的裂縫、小孔.這樣原料較輻射前有更明顯的孔隙結(jié)構(gòu),內(nèi)比表面積更大.微波加熱使活性炭進(jìn)一步活化，提高吸附容量，用這種方法生產(chǎn)活性炭的時間短，耗能低，設(shè)備構(gòu)造簡單[5～7].本文以甘蔗渣為原料，變廢為寶，對微波輻射法獲得活性炭吸附劑進(jìn)行了制備和再生研究，并對醬油模擬廢液進(jìn)行處理比較.

圖1 微波輻射甘蔗渣制備活性炭的工藝流程

表1活化劑對活性炭吸附性能的影響

Tab.1 Effect of activator on property of activated carbon

序號活化劑亞甲基藍(lán)吸附值/mL·g-1碘吸附值/mg·g-1A法焦糖脫色率/%1ZnCl21361163.7108.92H3PO41141160.6104.63NaOH931115.695.3

制備條件：活化劑濃度40%(wt)，料液比為1∶25，浸漬時間為72 h，微波功率720 W，輻射時間12 min

圖2 ZnCl2濃度對活性炭吸附性能及產(chǎn)率的影響

1 材料與方法

1.1 材料與裝置

試劑：甘蔗渣(閩南地區(qū)生產(chǎn))；氯化鋅(分析純)、磷酸(分析純)、氫氧化鈉(分析純)、重鉻酸鉀(分析純)、葡萄糖(分析純)，均為分析純；亞甲基藍(lán)溶液(1.5 g/L)；碘標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.1 mol/L)；鹽酸(36%～38%)；二次蒸餾水；商品醬油(含黃豆、小麥、水、食鹽、糖、焦糖色、香料)；儀器：格蘭仕WD900G型微波爐；722S可見分光光度計；Sartorius電子分析天平；真空干燥箱；HY-3A多用振蕩器.

1.2 試驗工藝與方法

本試驗工藝流程如圖1所示.將10 g甘蔗渣在120℃下烘干，用一定濃度的氯化鋅溶液浸漬后，進(jìn)行微波輻射，使之活化，然后進(jìn)行酸洗(采用1∶20稀釋的稀鹽酸)、漂洗、烘干，最后得到活性炭產(chǎn)品，活性炭再生直接通過微波輻射完成.采用GB/T12496.8-1999標(biāo)準(zhǔn)測定碘的吸附值，GB/T12496.9-1999標(biāo)準(zhǔn)測定A法焦糖脫色率，GB/T12496.10-1999標(biāo)準(zhǔn)測定亞甲基藍(lán)吸附值.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同活化劑的影響

以氯化鋅、磷酸和氫氧化鈉為活化劑制備蔗渣質(zhì)活性炭，產(chǎn)品吸附性能見表1.

由表1可以看出，三種活化劑對碘的吸附效果差別不大；從亞甲基藍(lán)吸附值和A法焦糖脫色率來看，ZnCl2活化的效果最好.總體來說，活化效果順序為ZnCl2>H3PO4>NaOH.

2.2 氯化鋅濃度的影響

固定料液比為1∶25、浸漬時間為72 h、微波功率為720 W、輻射時間為12 min，研究ZnCl2濃度對活性炭亞甲基藍(lán)吸附值、碘吸附值、A法焦糖脫色率和產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖2.

由圖2可知，隨著ZnCl2濃度的增加，亞甲基藍(lán)、碘吸附值和A法焦糖脫色率先增加后減少，ZnCl2濃度為40%時，達(dá)到最大值.產(chǎn)率隨著ZnCl2濃度增加逐漸增加，這可能是由于ZnCl2具有催化有機化合物羥基的消去和脫水作用，使原料中的氫原子和氧原子以水的形式分離出來，更多的保留了原料中的碳元素，隨著ZnCl2濃度的提高，原料中的碳元素更多被保留下來，使活性炭的得率提高.綜合以上各項指標(biāo)，最佳ZnCl2的濃度為40%.

2.3 料液比的影響

固定ZnCl2濃度為40%，浸漬時間為72 h，微波功率為720 W，輻射時間為12 min，研究料液比對活性炭亞甲基藍(lán)吸附值、碘吸附值、A法焦糖脫色率和產(chǎn)率的影響，結(jié)果如圖3所示.

隨著料液比的增加，亞甲基藍(lán)和碘吸附值逐漸增大，A法焦糖脫色率和產(chǎn)率也逐漸增加.當(dāng)料液比為1∶25時，亞甲基藍(lán)吸附值、碘吸附值和A法焦糖脫色率都達(dá)到最大值，這可能是因為活化劑溶液中氯化鋅占有的體積，近似地等于回收氯化鋅后，活性炭所具有的孔隙體積，活性炭的吸附性能不僅取決于微孔比表面積，還與活性炭的比孔容積有關(guān)，比孔容積隨著料液比的增加而增大[2].

2.4 浸漬時間的影響

固定ZnCl2濃度為40%，料液比為1∶25，微波功率為720 W，輻射時間為12 min，研究浸漬時間對活性炭亞甲基藍(lán)吸附值、碘吸附值、A法焦糖脫色率和產(chǎn)率的影響，結(jié)果如圖4.

隨著浸漬時間的增加，亞甲基藍(lán)和碘的吸附值先增加后減少，浸漬時間為72 h時，亞甲基藍(lán)和碘吸附值均達(dá)到最大值；浸漬時間為72 h時，A法焦糖脫色率也最大.綜合以上的分析，得出最佳浸漬時間為72 h.

2.5 微波功率對活性炭性能的影響

固定ZnCl2濃度為40%，料液比為1∶25，浸漬時間為72 h，輻射時間為12 min，研究微波功率對活性炭亞甲基藍(lán)吸附值、碘吸附值、A法焦糖脫色率和產(chǎn)率的影響，結(jié)果見圖5.

圖3 料液比對活性炭吸附性能及產(chǎn)率的影響

圖4 浸漬時間對活性炭吸附性能及產(chǎn)率的影響

圖5 微波功率對活性炭吸附性能及產(chǎn)率的影響

圖6 輻射時間對活性炭吸附性能及產(chǎn)率的影響

表2再生前后活性炭吸附性能比較

Tab.2 Comparison between activated carbon and regenerated activated carbon on property

項目亞甲基藍(lán)吸附值/mL·g-1碘吸附值/mg·g-1A法焦糖脫色率/%再生前活性炭1361163.7108.9再生后活性炭1051186.4111.5

再生條件：微波功率720 W，輻射時間9 min

增強微波功率，活性炭吸附性能均有所提高.在720 W后，A法焦糖脫色率繼續(xù)增大，而亞甲基藍(lán)值略有下降.這是由于功率增大，活化溫度升高，從而提高了活化效果.但功率過大，活性炭中孔結(jié)構(gòu)受損，逐漸擴(kuò)大為大孔.產(chǎn)率與微波功率呈負(fù)相關(guān)性，主要是參與碳水反應(yīng)的碳原子增加，物料的燒損加劇，使得活性炭的質(zhì)量減少.

2.6 輻射時間對活性炭性能的影響

固定ZnCl2濃度為40%，料液比為1∶25，浸漬時間為72 h，微波功率720 W，研究微波輻射時間對活性炭亞甲基藍(lán)吸附值、碘吸附值、A法焦糖脫色率和產(chǎn)率的影響，如圖6所示.

適當(dāng)延長輻射時間，可提高活性炭吸附性能.繼續(xù)增加輻射時長，碘吸附值先下降，隨后亞甲基藍(lán)吸附值降低，A法焦糖脫色率略有升高，這是由于加大時間，炭化和活化程度加深，產(chǎn)生的蒸汽壓變大，生成的微孔和中孔數(shù)增多，但輻射時間過長，使溫度較高且活化程度過深，原來的微孔和中孔不斷被擴(kuò)大，微孔向中孔發(fā)展，中孔向大孔發(fā)展，微孔轉(zhuǎn)化為中孔的速度小于中孔轉(zhuǎn)化為大孔的速度，所以亞甲基藍(lán)和碘吸附值降低，A法焦糖脫色率升高.而活性炭的產(chǎn)率隨輻射時間的延長而降低，這是因為炭化程度加深，燒失率和灰分增加，從而降低產(chǎn)率.

研究表明，甘蔗渣微波制備活性炭吸附劑的最佳工藝條件為ZnCl2濃度40%，料液比1∶25，浸漬時間72 h，微波功率720 W，輻射時間12 min.其吸附性能為：亞甲基藍(lán)吸附值136 mL/g,碘吸附值1 163.7 mg/g，A法焦糖脫色率108.9%.

2.7 活性炭再生前后比較

最佳工藝條件下獲得的活性炭在醬油模擬廢液中進(jìn)行吸附試驗，處理時間為30 min，廢水處理量為150 mL/g.吸附后的活性炭通過再生，再生前后活性炭的吸附性能比較結(jié)果如表2所示.再生前后活性炭(1g)在不同廢液濃度下的吸附試驗結(jié)果如圖7所示.

從表2可以看出，活性炭再生后亞甲基藍(lán)吸附值有所下降，但仍優(yōu)于國家一級品指標(biāo)；而碘吸附值和A法焦糖脫色率均略有提高.從廢液吸附試驗可知，再生后活性炭的脫色率比再生前總體提高.由圖7可知，在靜態(tài)吸附試驗中，再生后活性炭對醬油廢液的脫色率均優(yōu)于再生前活性炭，并且醬油廢液濃度越高，脫色優(yōu)勢越明顯.

3 結(jié)論

1)從甘蔗質(zhì)活性炭吸附性能比較來看，選用活化劑的活化效果順序為：ZnCl2>H3PO4>NaOH.

2)微波法制備活性炭吸附劑的最佳工藝條件為：氯化鋅溶液濃度40%，料液比1∶25，浸漬時間72 h，微波功率720 W，輻射時間12 min.相應(yīng)活性炭的亞甲基藍(lán)吸附值為136 mL/g，碘的吸附值為1 163.7 mg/g，A法焦糖脫色率為108.9%，均優(yōu)于國家一級品指標(biāo).

3)活性炭用于醬油模擬廢液處理后，采用微波再生，獲得再生活性炭的亞甲基藍(lán)吸附值為105 mL/g，碘的吸附值為1 186.4 mg/g，A法焦糖脫色率為111.5%，仍優(yōu)于國家一級品指標(biāo)，并且再生活性炭對醬油廢液具有更佳的處理效果，可用于食品行業(yè)廢水處理.

[1]閔恩澤，吳巍.綠色化學(xué)與化工[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：65-66.

[2]立本英機，安部郁夫.活性炭材料的應(yīng)用技術(shù)[M].高尚愚,譯.南京：東南大學(xué)出版社,2002：6-7.

[3]范延臻，王寶貞.活性炭材料表面化學(xué)[J].煤炭轉(zhuǎn)化，2000，23(4)：26-30.

[4]解強，張香蘭，李蘭廷，等.活性炭孔結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)：理論、方法與實踐[J].新型炭材料，2005，20(2)：8-10.

[5]葉平偉，欒志強，張忠良，等.微波加熱對活性炭表面性質(zhì)的影響[J].炭素技術(shù)，2004，23(2)：5-9.

[6]彭金輝，張世敏，張利波.微波輻照稻桿制造活性炭[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，1999(3)：88-90.

[7]彭金輝，張世敏，張利波.微波輻照玉米芯制取活性炭[J].林產(chǎn)化工通訊，1999(3)：22-24.

[8]劉一星.木質(zhì)棄廢物再生循環(huán)利用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：5-6.