磷酸微波法制備梧桐樹葉活性炭及其性能研究

呂春芳，王婕，高盼盼

(1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710054;2.西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安 710048)

在我國很多城市，梧桐樹給道路綠化做出巨大貢獻(xiàn)，然而，隨著深秋季節(jié)的到來，大量的梧桐樹葉落滿街頭，如何正確的處置這些天然廢物，給環(huán)保部門和清潔人員都帶來一定的困擾。樹葉富含木質(zhì)素、纖維素、半纖維素和硅等化合物，因此，可以考慮利用梧桐樹葉制備活性炭，以實(shí)現(xiàn)廢物資源化效應(yīng)。由于活性炭微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜［1-2］，尤其是天然生物細(xì)胞纖維結(jié)構(gòu)的多樣性，直接影響到活化后活性炭的孔隙大小和形狀［3-4］，以及樹葉自身含碳量及傳統(tǒng)制備方法的缺陷，影響了活性炭的性能。研究表明，向其中引入性能良好的活化劑可大大提高活性炭的吸附性能［5］。Menendez等［6］對微波制備活性炭的可行性進(jìn)行了研究，取得了良好的效果。結(jié)合植物本身的特性以及微波輻照的優(yōu)勢，微波法制備植物類活性炭被證實(shí)是一種頗有成效的好方法［7］。

通常制備活性炭的方法有化學(xué)活化法、物理活化法、化學(xué)物理法。物理活化法雖然污染小，但活性炭的性能較差?；瘜W(xué)活化法具有活化時(shí)間短、活化反應(yīng)易控制、產(chǎn)物比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)今高性能活性炭的主要生產(chǎn)方法［8］。

本研究采用微波加熱和化學(xué)活化中的磷酸活化結(jié)合的方法制備活性炭，通過正交實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地對梧桐樹葉制備活性炭的工藝進(jìn)行研究?？紤]到微波環(huán)保技術(shù)是微波處理技術(shù)與環(huán)境資源回收利用技術(shù)的新興交叉技術(shù)［9-14］。它具有選擇性加熱、加熱速度快且均勻、節(jié)能省電、效率高、統(tǒng)時(shí)間僅需傳加熱方式的幾分之一或幾十分之一的特點(diǎn)，以此來制備性能良好的梧桐樹葉活性炭，并對其吸附性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

街道道路兩旁的梧桐樹落葉;磷酸、亞甲基藍(lán)、堿性湖藍(lán)、可溶性淀粉、碘、碘化鉀、硫代硫酸鈉均為分析純。

SVM-1124N微波爐;DHZ-2電熱恒溫振蕩水槽;CMD-20x電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱;AG285電子分析天平;V-1100可見分光光度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將梧桐樹葉洗干凈，于105℃左右烘干24 h，粉碎過2 mm篩。一定量的干樹葉將其浸泡在磷酸溶液中2 d，瀝干后進(jìn)行微波輻照，將產(chǎn)物洗滌至中性，烘干后將樣品密封保存。按GB/T 12496.8—1999和GB/T 12496.10—1999標(biāo)準(zhǔn)分析方法測定碘吸附值和亞藍(lán)吸附值。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

以碘吸附值為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對活性炭性能影響較大的4個(gè)因素微波功率、活化時(shí)間、磷酸濃度、液固比進(jìn)行4因素3水平正交實(shí)驗(yàn)，因素水平見表1，結(jié)果見表2。

表1 因素水平表Table 1 Factors and levers table

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

由表2可知，對碘值吸附性能影響最大的因素是活化時(shí)間，其次是液固比，微波功率影響最小，最佳實(shí)驗(yàn)條件是A2B2C3D2。考慮到D3處于邊界，未出現(xiàn)極大值，因此需進(jìn)一步考察更大液固比對活性炭吸附性能的影響。

2.2 液固比對活性炭吸附性能的影響

實(shí)驗(yàn)條件:磷酸濃度60%，活化時(shí)間280 s，功率 640 W，液固比為 3∶1，5∶1，7∶1，8∶1，9∶1(mL/g)，研究其對活性炭吸附性能的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 液固比與活性炭吸附性能的關(guān)系Fig.1 Relationship of liquid-solid ratio and adsorption properties of activated carbon

由圖1可知，隨液固比的增大，碘值和亞甲基藍(lán)值均呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)液固比為7∶1時(shí)碘值達(dá)到最大，液固比為5∶1時(shí)亞甲基藍(lán)值達(dá)到最大。這是由于隨著液固比的增大，H3PO4分子增多，H3PO4與樹葉中的無機(jī)物生成較多的磷酸鹽，起到膨脹的作用，可增大炭微晶的距離。通過洗滌除去磷酸鹽，可以得到孔結(jié)構(gòu)較發(fā)達(dá)的活性炭。但隨著液固比的增大，溫度升高時(shí)，原料中的揮發(fā)性組分被過多的液體的攔截，減少了碳層內(nèi)部形成新孔的幾率，進(jìn)而影響了活性炭的吸附能力。

由上可知，磷酸微波法制備活性炭的最佳工藝條件是:微波功率640 W，活化時(shí)間280 s，液固比為7∶1(mL/g)，磷酸濃度60%。在此工藝條件下多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，活性炭的碘吸附值的平均值為538.87 mg/g，亞甲基藍(lán)平均值為 15.206 4 mg/g。

2.3 梧桐樹葉活性炭處理城市生活污水的研究

本研究采用靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)。量取100 mL污水，加入一定量的吸附劑，室溫下振蕩2 h，過濾，測定吸附前后污水的COD、TP、TN去除率與活性炭用量的關(guān)系，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，隨著活性炭投加量的增加，對COD的去除率呈逐漸增大的趨勢，在1.5 g后基本保持不變，達(dá)到76.85%;而總磷、總氮的去除率則是隨著活性炭投加量的增大先增大后減小，在投加量為1.5 g時(shí)，TN和 TP的去除率最大，分別達(dá)到71.99%，95.99%。由此可知，此活性炭具有較好的吸附性能。

圖2 活性炭用量與去除率之間的關(guān)系Fig.2 The relationship between the removal rate and activated carbon quantity

3 結(jié)論

(1)采用磷酸微波法以梧桐樹葉為原料制備活性炭，最佳的制備條件是:微波功率640 W，活化時(shí)間280 s，液固比7∶1(mL/g)，磷酸濃度為60%。在最佳條件下制得的活性炭的碘值為538.87mg/g，亞甲基藍(lán)值為15.206 4 mg/g。實(shí)現(xiàn)了廢物資源化的目的。

(2)梧桐樹葉基活性炭具有良好的吸附性能，用于處理城市污水，用量為1.5 g/100 mL，靜態(tài)吸附2 h時(shí)，TN、TP的去除率分別可達(dá)72%，96%。

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