核桃殼制備活性炭技術在實驗教學中的應用

李樹娜, 方振華, 朱 剛, 霍燕燕, 劉 振, 趙春寶

(西安文理學院 化學工程學院, 陜西 西安 710065)

活性炭是一種優(yōu)良的多孔吸附材料,具有比表面積高、孔隙發(fā)達、化學性能穩(wěn)定及制造成本低等優(yōu)點,被廣泛應用于空氣凈化、工業(yè)吸附、化工分離及膜分離等領域[1-4]。最初,國內(nèi)外主要以煤和木材等為原料制備活性炭。但隨著能源危機、環(huán)境污染及木材短缺等問題的日益突出,利用來源廣泛的農(nóng)林廢棄物如秸稈、稻殼、果殼等作為原料制備活性炭成為研究熱點[5-8]。在眾多農(nóng)林廢棄物中,核桃殼(核桃取仁之后的廢棄物)具有固定碳含量高、揮發(fā)性成分多、灰分少等特點,是制備活性炭的良好原料[9-12]；并且我國核桃總產(chǎn)量位居世界前列,大量核桃殼的焚燒或丟棄,造成了資源的極大浪費。

本文結合究成果，將核桃殼制備活性炭技術納入無機材料合成實驗課堂教學,增加了實驗項目的趣味性、探索性和研究性,能夠激發(fā)學生的學習興趣、科研熱情和創(chuàng)新意識,提升學生的綜合實踐技能。

1 實驗

1.1 實驗藥品與儀器

試劑藥品：西安本地核桃殼；氫氧化鉀、氫氧化鈉、磷酸和亞甲基藍，都為分析純,國藥集團化學試劑有限公司。

儀器：超聲波清洗機(寧波新芝生物科技股份有限公司)；循環(huán)水真空泵(上海亞榮生化儀器廠)；密封型手提式粉碎機(廣州市多順機械設備有限公司)；電熱鼓風干燥箱(上海一恒科學儀器有限公司)；箱式高溫燒結爐(合肥科晶材料技術有限公司)；雙光束紫外可見分光光度計(上海元析儀器有限公司)。

1.2 實驗內(nèi)容

(1) 核桃殼基活性炭的制備。首先,將核桃殼用蒸餾水反復清洗,去除雜質(zhì),烘至絕干,粉碎,過篩；然后,將10～20目的核桃殼顆粒放入炭化爐中,以10 ℃/min的升溫速率升溫至400 ℃,并保溫1 h,冷卻至室溫后取出,制得核桃殼炭化料。

分別配制一定濃度的KOH、NaOH、H3PO4和ZnCl2溶液,并按照一定比例將其分別與核桃殼炭化料均勻混合,室溫下浸漬處理24 h,放于110 ℃電熱鼓風干燥箱中干燥至質(zhì)量恒定；然后,將浸漬的混合物在馬弗爐中活化,以10 ℃/min的升溫速率升溫至一定溫度,并保持一定時間；最后,將活化得到的樣品用蒸餾水洗滌至pH值接近7,于110 ℃下干燥4 h,得到核桃殼基活性炭,分別記為活性炭-KOH、活性炭-NaOH、活性炭-H3PO4和活性炭-ZnCl2。

(2) 活性炭的分析與表征。活性炭的表面形貌在JSM-7001F掃描電子顯微鏡上觀測,工作電壓200 kV,粉末樣品用導電膠粘到觀察臺上。

(3)活性炭對亞甲基藍的吸附性能測試。配制一定濃度的亞甲基藍溶液,并將一定量的上述核桃殼基活性炭放入亞甲基藍溶液中,在40 ℃下超聲振蕩30 min,過濾；用紫外可見分光光度計測量濾液的吸光度,然后通過標準曲線算得濾液中亞甲基藍的濃度[5]?；钚蕴繕悠穼喖谆{的吸附率。計算公式如下：

吸附率=100%×(C0-Ct)/C0

式中：C0為吸附前亞甲基藍溶液的濃度,mg/L；Ct為吸附后亞甲基藍溶液的濃度,mg/L。

2 實驗結果及分析

2.1 亞甲基藍溶液標準曲線的繪制

室溫下,配制1、2、3、4、5 mg/L的亞甲基藍標準溶液,用紫外可見分光光度計在665 nm波長下分別測定各溶液的吸光度,并繪制亞甲基藍溶液的標準曲線(見圖1)。

圖1 亞甲基藍溶液的標準曲線

2.2 活性炭的表面形貌表征

圖2是以KOH為活化劑的核桃殼基活性炭掃描電鏡照片。由圖2可以看出,活性炭的表面呈現(xiàn)出凹凸不平的表面形貌和許多大小不規(guī)則的空隙結構,因此具有一定的吸附能力。

圖2 以KOH為活化劑的核桃殼基活性炭掃描電鏡照片

2.3 活性炭吸附亞甲基藍的性能測試

2.3.1 活化劑對核桃殼基活性炭吸附性能的影響

分別稱取一定量的活性炭-KOH、活性炭-NaOH、活性炭-H3PO4和活性炭-ZnCl2,并將其分別放入相同濃度的亞甲基藍溶液中,在40 ℃下超聲振蕩30 min,過濾；用紫外可見分光光度計測量濾液的吸光度,并根據(jù)圖1的標準曲線計算各樣品對亞甲基藍的吸附率,考察活化劑對活性炭樣品吸附性能的影響。圖3給出了各活性炭樣品的亞甲基藍吸附率計算結果。由圖3可以看出,活化劑對活性炭的吸附性能影響顯著，其中,用KOH為活化劑制得的核桃殼基活性炭對亞甲基藍的吸附率最高,表明其吸附效果最好。

圖3 不同活化劑制得的活性炭吸附亞甲基藍性能比較

2.3.2 KOH與炭化料質(zhì)量比對核桃殼基活性炭吸附性能的影響

保持其他活化條件不變,進一步考察活化劑KOH與炭化料質(zhì)量比對核桃殼基活性炭吸附性能的影響。表1給出了各樣品對亞甲基藍吸附率的計算結果。由表中數(shù)據(jù)可知,隨著活化劑KOH與炭化料質(zhì)量比的增加,活性炭對亞甲基藍的吸附率先增加后減小,當質(zhì)量比為2∶1時,對亞甲基藍的吸附率最高。

表1 活化劑KOH與炭化料質(zhì)量比對核桃殼基活性炭吸附性能的影響

2.3.3 活化時間對核桃殼基活性炭吸附性能的影響

選擇活化劑KOH與炭化料質(zhì)量比為2∶1時制得的活性炭為研究對象,進一步考察活化時間對活性炭樣品吸附亞甲基藍性能的影響。圖4為不同活化時間制得的活性炭亞甲基藍吸附率計算結果。由圖4可知,隨著活化時間的延長,活性炭對亞甲基藍的吸附率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,活化時間為90 min時得到的活性炭吸附效果最好。90 min之前,隨著活化反應的進行,活性炭的比表面積和孔容積逐漸增加,吸附性能增強；90 min之后,隨著活化反應的進行,可能會引起活性炭的過度燒蝕,并造成部分孔隙塌陷,所以活性炭的吸附性能不斷下降。

圖4 活化時間對核桃殼基活性炭吸附性能的影響

2.4 實驗拓展

可進一步考察浸漬時間、浸漬溫度及活化溫度等對核桃殼基活性炭吸附亞甲基藍性能的影響。此外,還可引導學生以花生殼、杏殼、桃殼及柳絮等為原料制備活性炭,并考察制備原料對活性炭吸附亞甲基藍及有機大分子維生素B12等性能的影響,從而獲取性能優(yōu)良的活性炭材料。

3 教學特色

該實驗將教師的科研成果納入課堂教學，并結合目前的能源問題、環(huán)境問題及生物質(zhì)轉化利用等科研熱點,能激發(fā)學生的研究興趣,培養(yǎng)學生的科研素養(yǎng),鍛煉學生的實踐動手能力。該實驗以小組(每組4～5人)方式進行,首先,在實驗開始前,要求每組學生查閱文獻資料,設計并提交各自實驗設計及樣品表征方案；之后,實驗教師對每組學生的設計方案進行審閱,指出其中的問題,并指導學生修改完善；最后,學生按照設計的實驗方案制備活性炭樣品,并對制得的樣品進行分析表征及吸附性能測試,對得到的數(shù)據(jù)進行分析,集體探討活性炭的處理條件與其吸附性能之間的關系。該實驗要求學生獨立設計實驗方案、制備活性炭樣品并用紫外可見分光光度計進行吸附性能測試,充分鍛煉了學生的實驗設計能力和實踐動手能力,強化了學生的綜合實踐技能。

4 結語

生物質(zhì)的轉化利用是當前的研究熱點,活性炭在環(huán)境保護、氣體吸附、醫(yī)療及催化等領域有重要應用。該實驗將廢棄的核桃殼轉化為活性炭,涵蓋活性炭的制備、表征及吸附性能測試等多方面的內(nèi)容；具有與實際生活聯(lián)系緊密、研究因素多、新穎性、趣味性及實用性兼具的特點,能激發(fā)學生學習興趣,鍛煉學生的綜合實驗技能,為創(chuàng)新思維的形成提供良好的基礎。