核桃殼基活性炭的制備及其吸附性能研究*

張 沖 方振華 楊 玲 張?；?何亞萍

（西安文理學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安710065）

核桃殼基活性炭的制備及其
吸附性能研究*

張 沖 方振華 楊 玲 張?；?何亞萍

（西安文理學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安710065）

以核桃殼為原料，經(jīng)炭化后，在超聲波輔助下分別用濃HCl、NaOH、KOH、H3PO4、ZnCl2活化制備出了一系列核桃殼基活性炭材料。研究了活化劑種類、活化浸漬時間、劑料比等因素對核桃殼基活性炭材料亞甲基藍(lán)吸附值的影響。實驗結(jié)果表明：在300℃炭化20min后，用氫氧化鉀活化浸泡90min,劑料比為2∶1時,制備的核桃殼基活性炭材料對亞甲基藍(lán)的吸附效果最好。

核桃殼；活性炭；吸附；亞甲基藍(lán)

活性炭是以煤炭、木材、果殼等含碳材料為原料制備的一類具有發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)、較大比表面積、強吸附能力的材料,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于環(huán)保、國防、化工、食品等領(lǐng)域[1，2]。針對傳統(tǒng)活性炭制備原料木材資源短缺的問題,近幾年來以花生殼、果殼、稻草秸稈等來源廣泛的農(nóng)林廢棄物為原料制備活性炭已成為重要的研究方法[3，4]。我國核桃總產(chǎn)量位居世界前列[5]，但核桃加工完后，占核桃質(zhì)量較大部分的核桃殼多被焚燒或丟棄，極大地浪費了資源，而核桃殼基活性炭材料由于是多孔物質(zhì)，具有較大的比表面積，能與廢水充分接觸，是一種有效的吸附劑材料[6]。因此，將廢棄的核桃殼用于制備活性炭具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

本文以核桃殼為原料，經(jīng)炭化后，在超聲波輔助下分別用濃HCl、NaOH、KOH、H3PO4、ZnCl2活化制備出了一系列核桃殼基活性炭材料?？疾炝嘶罨n時間、劑料比等因素對吸附效果的影響，并對其吸附性能進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

TU-1901雙光束紫外可見分光光度計，SB-5200DT超聲波清洗機，DXF-02C密封型手提式粉碎機。

西安本地核桃殼，NaOH、濃HCl、KOH、H3PO4、ZnCl2均為分析純。

1.2 核桃殼基活性炭的制備

將核桃殼洗凈、干燥、粉碎，過篩。將10～20目的核桃殼顆粒在馬弗爐中300℃炭化20min，然后分別與一定量的濃HCl、H3PO4、NaOH、NaOH、ZnCl2混合于50mL比色管中,加水至50mL，40℃下超聲震蕩1h后過濾[7]，濾渣用去離子水洗滌至中性，干燥后得到核桃殼基活性炭。

1.3 吸附實驗

稱取一定量的制備好的活性炭，放入250mL錐形瓶中，加入一定濃度的亞甲基藍(lán)溶液，在40℃下超聲振蕩30min，過濾，測定濾液的吸光度，然后通過標(biāo)準(zhǔn)曲線計算出吸附后亞甲基藍(lán)溶液的濃度[8，9]。去除率的計算公式如下：

式中Co：吸附前亞甲基藍(lán)溶液的濃度，mg·L-1；Ct：吸附后亞甲基藍(lán)溶液的濃度，mg·L-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 亞甲基藍(lán)溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

準(zhǔn)確稱取1、2、3、4、5mg的亞甲基藍(lán)試劑，在室溫下配制成1、2、3、4、5mg·L-1的亞甲基藍(lán)溶液，用TU-1901雙光束紫外可見分光光度計在665nm波長下測得亞甲基藍(lán)溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1。

圖1 亞甲基藍(lán)溶液的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of methylene blue solution

該標(biāo)準(zhǔn)曲線線性擬合后的方程為：y=0.088x +0.00567,相關(guān)系數(shù)為0.998，通過該方程即可計算出亞甲基藍(lán)溶液在不同條件下吸附后的剩余濃度，從而計算出亞甲基藍(lán)的去除率。

2.2 活化劑對核桃殼基活性炭吸附性能的影響

實驗中固定其它條件不變，分別用濃HCl、H3PO4、NaOH、KOH、ZnCl2活化已炭化后的核桃殼顆粒制得了不同的核桃殼基活性炭顆粒，并考察了不同活化劑活化的活性炭對亞甲基藍(lán)的吸附性能，其結(jié)果見圖2。

圖2 不同活化劑活化的活性炭的吸附能力比較Fig.2 Adsorption capacity of activated carbons with different activators

從圖2中可以看出，用氫KOH作活化劑時，所制得的核桃殼基活性炭對亞甲基藍(lán)的去除率最高，表明用KOH作活化劑來制備的核桃殼基活性炭的吸附效果最好。

2.3 劑料比對亞甲基藍(lán)去除率的影響

劑料比，即純化學(xué)試劑與絕干原料的質(zhì)量比，是制備活性炭工藝過程中重要影響因素之一。實驗中采用KOH做活化劑，固定活化時間為1h，活化溫度為40℃，活性炭添加量為0.5g不變，考察了不同劑料比對亞甲基藍(lán)的去除率的影響，其實驗結(jié)果見圖3。

圖3 劑料比對活性炭吸附能力的影響Fig.3 Effect of material-to-agent ratio on the adsorption capacity of activated carbon

由圖3可知，當(dāng)劑料比較小，即KOH量較少時，其活性炭吸附亞甲基藍(lán)的效果較差，吸附率較低。隨著劑料比的增大，亞甲基藍(lán)的去除率不斷增大，當(dāng)劑料比為2∶1時，亞甲基藍(lán)的去除率達(dá)到最大為83%。然后隨著KOH量繼續(xù)增大時，亞甲基藍(lán)去除率先有所下降，然后趨于不變。

2.4 活化浸漬時間對亞甲基藍(lán)去除率的影響

在活化溫度為40℃、活化時間為1h、浸漬比為2∶1,活性炭添加量0.5g保持不變的條件下，考察了不同活化浸漬時間對亞甲基藍(lán)去除率的影響，實驗結(jié)果見圖4。

圖4 活化浸漬時間對活性炭吸附性能的影響Fig.4 Effect of activated time on the adsorption performance of activated carbon

由圖4可知，隨著活化浸漬時間的延長，核桃殼活性材料對亞甲基藍(lán)的吸附率呈現(xiàn)出先增后減的變化規(guī)律。當(dāng)活化浸漬時間為90min時，亞甲基藍(lán)的去除率達(dá)到最大為88%。

3 結(jié)論

以核桃殼為原料，經(jīng)炭化后，在超聲波輔助下分別用濃HCl、NaOH、KOH、H3PO4、ZnCl2活化制備吸附性能較好的核桃殼基活性炭方案是可行的。研究結(jié)果表明：用KOH活化浸泡90min,劑料比為2∶1時,制備的核桃殼基活性炭材料對亞甲基藍(lán)的吸附效果最好。是一種開發(fā)利用農(nóng)林廢棄物資源的新途徑。

［1］米鐵,胡葉立,余新明.活性炭制備及其應(yīng)用進(jìn)展［J］.江漢大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2013,（6）:5-12.

［2］夏明.核桃殼基活性炭的制備及其性能研究［D］.石河子大學(xué), 2013.

［3］林冠烽.磷酸法自成型木質(zhì)顆?；钚蕴康闹苽溥^程與機理研究［D］.中國林業(yè)科學(xué)研究院,2013.

［4］廖欽洪,劉慶業(yè),蒙冕武,等.稻殼基活性炭的制備及其對亞甲基藍(lán)吸附的研究［J］.環(huán)境工程學(xué)報,2011,（11）:2447-2452.

［5］余瓊粉,李明,寧平,等.核桃殼活性炭的制備及其在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用［J］.化學(xué)工業(yè)與工程，2011,（6）:63-67+73.

［6］夏明,李江兵,郭瑞麗.核桃殼基活性炭處理含苯酚廢水的效果及動力學(xué)研究［J］.環(huán)境與健康雜志,2013,（10）:919-921.

［7］李琛,葛紅光,劉軍海,等.超聲波輔助活性炭吸附處理高濃度食品廢水的研究［J］.食品工業(yè)科技,2014,（11）:202-205；209.

［8］馮云曉,李青彬,臘明.花生殼活性炭的制備及其對亞甲基藍(lán)吸附效果研究［J］.化學(xué)研究與應(yīng)用,2014,（7）:1107-1111.

［9］李榮華,張院民,張增強,等.農(nóng)業(yè)廢棄物核桃殼粉對Cr（Ⅵ）的吸附特征研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2009,（8）:1693-1700.

Research on preparation and absorption capacity of walnut shell-based activated carbon*

ZHANG Chong，F(xiàn)ANG Zhen-hua，YANG ling，ZHANG Chang-hu，HE Ya-ping
（College of Chemical Engineering,Xi'an University,Xi'an 710065，China）

A series of walnut shell-based activated carbon materials were prepared by carbonization,ultrasonic-assisted techniques and chemical activation with HCl,NaOH,KOH,H3PO4,ZnCl2,as activator.Through the study of the absorption capacity of methylene blue,the effects of activating agent,activation time and the material ratio on the methylene blue absorption value of walnut shell-based activated carbon materials were investigated. The results showed that the optimal technical conditions were as follows:carbonization time was 20 minutes,carbonization temperature was 300℃,activation time was 90 minutes with KOH,the material ratio was 2:1.

walnut shell；activated carbon；absorption；methylene blue

TQ424

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20161266

2016-10-31

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201511080592）；西安市科技計劃創(chuàng)新基金“文理專項”項目（CXY1531WL26；CXY15 31WL32；CXY1531WL34；CXY1443WL27）；國家自然基金項目（No.21445004）

張沖（1993-），男，陜西省漢中市人，本科。

導(dǎo)師簡介：方振華（1983-），男，湖北監(jiān)利縣人，研究方向：功能材料的開發(fā)與應(yīng)用。