板栗殼活性炭的制備及其吸附性能研究

賈獻峰，孫振起，劉紅艷，張金婷

板栗殼活性炭的制備及其吸附性能研究

賈獻峰1,2，孫振起1，劉紅艷1，張金婷1

（1. 唐山師范學院 化學系，河北 唐山 063000；2. 唐山市綠色專用化學品重點實驗室，河北 唐山 063000）

以板栗殼為原料、KOH為活化劑，經(jīng)清洗、干燥、高溫炭化、活化劑浸漬和活化工藝，制備具有一定孔隙結構的生物質活性炭?？疾炝藟A炭比、活化時間和活化溫度對板栗殼活性炭吸附品紅性能的影響。結果表明，板栗殼的炭化得率約為32.0%；板栗殼活性炭具有較為豐富的大孔，孔徑在0.5-5.0 μm；當堿炭比2:1，活化時間1.5 h，活化溫度600oC時所得板栗殼活性炭對品紅的吸附量最高，其值為22.45 mg?g-1。

板栗殼；活性炭；氫氧化鉀；吸附

活性炭獨特的表面活性官能團和較多的孔隙結構使它對氣體、溶液中的有機或無機物質以及膠體顆粒等都有比較強的吸附能力。除此之外，活性炭還有較強的化學穩(wěn)定性以及足夠的機械強度，使用之后也容易再生。因此，活性炭在眾多領域，如食品、醫(yī)藥、化工、環(huán)保等，都得到了很好的應用[1]。

傳統(tǒng)的活性炭大多是由木材、優(yōu)質煤和重質石油制備得到的。傳統(tǒng)的原材料價格昂貴，隨著使用量的加大，資源日益緊張，越來越無法滿足對活性炭的需求，而且生產(chǎn)時產(chǎn)生的廢棄產(chǎn)物也會對環(huán)境造成嚴重的污染[2]。因此，探索活性炭新的材料來源、改進活性炭生產(chǎn)的工藝對提高活性炭的性能、產(chǎn)量和環(huán)境保護有重要意義。

生物質炭指的是廢棄的生物質，在少氧或者無氧的條件下轉化為具有發(fā)達孔隙結構的碳材料。生物質活性炭主要來源有植物生物質、動物生物質和其他生物質。相較于另外兩種生物質，植物生物質來源更為廣泛，原料廉價易得，預處理簡便，制取工藝也較為簡單，且性能優(yōu)越，是新型生物質活性炭制取的理想原材料。用植物生物質為原料不僅能夠減輕對于煤炭和木材的依賴，還能夠增加多孔炭的可持續(xù)發(fā)展。因此，新型活性炭的制取多以植物類生物質為研究方向。如柏松等人[3]用芒果皮制備活性炭，張海燕[4]利用芡實殼制備多孔碳，劉世軍等人[5]用棗核制備活性炭，李婷等人[6]用山竹殼制備活性炭。

板栗殼本身具有一定的褶皺構造，另外表面也有少量的孔隙，本身含碳量豐富，含碳約為34.35%，是制備生物質活性炭的良好可再生原料[7]。唐山市盛產(chǎn)板栗，板栗的銷量良好，但由于板栗殼無法被再次利用，而作為食物殘渣被丟棄，不僅浪費資源，更給城市清理帶來諸多不便。因此，本文利用板栗殼為原材料制備活性炭。

1 實驗部分

1.1 活性炭的制備

板栗殼預處理。將板栗殼處理成大小相近的片狀，置于無水乙醇中超聲清洗后，干燥，備用。

板栗殼炭化。稱取一定量的板栗殼，在氮氣保護下，置于管式氣氛爐800oC炭化1 h。

活性炭制備。配制0.2 g?mL-1的KOH溶液備用；在不同堿炭比條件下，用KOH溶液浸漬炭化后的板栗殼；浸漬后的樣品置于馬弗爐中進行高溫活化，得到板栗殼活性炭。

活化工藝變量控制。浸漬堿炭比為0.5:1，1:1，2:1，3:1，活化溫度控制在600oC、700oC、800oC、900oC，活化時間控制在1 h、1.5 h、2 h、2.5 h。所得樣品命名為CAC-x-y-z，其中x代表活化溫度，y代表堿炭比，z代表活化時間。

1.2 活性炭的表征

對板栗殼活性炭產(chǎn)品的宏觀形貌進行表征，計算其炭化得率。

式中：1為炭化后的質量，g；2為炭化前的質量，g；為炭化得率，%。

采用場發(fā)射掃描電鏡（SIGMA300）觀察板栗殼活性炭的微觀結構。

1.3 吸附性能研究

采用活性炭吸附酸性品紅鈉鹽的方法測試板栗殼活性炭的吸附性能。

活性炭吸附酸性品紅鈉鹽溶液。配制500 mg?L-1的酸性品紅鈉鹽溶液于250 mL容量瓶中。用5 mL吸量管取配制好的品紅溶液5 mL，稀釋到50 mg?L-1，置于250 mL錐形瓶中，稱量0.1 g活性炭成品與之混合，用保鮮膜密封錐形瓶瓶口。在溫度為40oC、轉速為190 r?min-1條件下放于振蕩器中震蕩30 min，取出錐形瓶靜置，將上清液倒入50 mL比色管中。

酸性品紅標準溶液的配制。用上述配制的500 mg?L-1品紅溶液稀釋不同倍數(shù)配制10 mg?L-1、20 mg?L-1、30 mg?L-1、40 mg?L-1、50 mg?L-1的品紅標準溶液。

用紫外分光光度儀測定品紅溶液吸光度，將溶液的吸光度用標準曲線方程轉化為酸性品紅溶液的濃度，最后轉化成吸附量。吸附量

式中：為吸附量，mg?g-1；0、i分別為吸附前和吸附后濃度，mg?L-1；為吸附原液體積，L；為吸附劑質量，g。

2 結果與討論

2.1 板栗殼活性炭的結構

表1 板栗殼的炭化得率

表1列出了幾組板栗殼樣品的炭化得率。由表1中結果可知，在同一炭化溫度條件下，板栗殼樣品的炭化得率相近，板栗殼的炭化得率約為32.0%，說明板栗殼具有較高的炭化得率，可以作為活性炭的原材料。

2.1.1 宏觀形貌

圖1是板栗殼活性炭樣品的宏觀形貌圖。從圖1中可以看出，活化后的板栗殼呈現(xiàn)黑色，并較好地保持了片狀形貌，未出現(xiàn)嚴重的破碎現(xiàn)象，說明板栗殼具有一定的機械強度。

圖1 板栗殼活性炭的宏觀形貌照片

2.1.2 微觀結構SEM

圖2為典型板栗殼活性炭樣品外表面的SEM圖，其中圖2(a)為炭化樣品的SEM圖。從圖中可以觀察到，板栗殼炭化后的樣品表面微觀結構較致密，孔隙結構相對較少。隨著進一步與KOH作用和高溫活化，板栗殼活性炭中出現(xiàn)了較多的微米級孔，孔徑在0.5-5.0 μm。對比2(b) 和2(c)可知，當堿炭比為2:1，活化時間為1.5 h時，600oC的活性炭樣品比800oC的活性炭樣品的大孔隙要多，說明活化溫度要適宜，溫度過高會導致孔結構的塌陷。對比圖2(c)和2(d)可知，同樣在600oC，活化時間為1.5 h時，堿炭比為3:1的板栗殼活性炭的孔徑較大，說明隨著堿炭比的增加，活化過程中碳與KOH反應較劇烈，導致產(chǎn)生更大的孔隙。

圖2 典型板栗殼活性炭樣品外表面SEM圖：(a)炭化樣品，(b) CAC-800-2-1.5，(c) CAC-600-2-1.5，(d) CAC-600-3-1.5

圖3為炭化和活化后板栗殼樣品的截面SEM圖。從圖中可以看出，炭化和活化后板栗殼樣品的斷層中存在微米孔道結構，相比炭化樣品，活化后板栗殼樣品的孔徑較大，同時斷層的微觀結構更加緊密，這可能是由于在高溫活化過程中樣品產(chǎn)生一定程度的體積收縮而導致的。

2.2 板栗殼活性炭的吸附性能研究

2.2.1 酸性品紅標準曲線

圖4 酸性品紅鈉鹽溶液吸光度標準曲線圖

圖4是酸性品紅鈉鹽溶液的吸光度標準曲線圖。由圖可見，其標準曲線方程為

=0.005 9-0.004 1。

2.2.2 堿炭比對吸附性能的影響

圖5 不同堿炭比對板栗殼活性炭吸附性能影響

圖5為堿炭比對板栗殼活性炭吸附性能影響圖。由圖可知，板栗殼的炭化樣品對酸性品紅吸附量很低，僅為8.30 mg?g-1，而活化后的板栗殼活性炭對品紅的吸附量有顯著的提高?；罨蟮陌謇鯕せ钚蕴课搅侩S著堿炭比的增加，先增加后減小，在堿炭比為2:1時達到最大值22.45 mg?g-1。與炭化樣品相比，板栗殼活性炭中具有較多的微觀孔隙結構，可以更多地吸附品紅。但是，堿炭比過大，活化過程中碳與KOH反應劇烈生成更多的大孔，導致吸附效果有所下降。

2.2.3 活化時間對吸附性能的影響

圖6為活化時間對板栗殼活性炭吸附性能影響圖。由圖可知，炭化樣品對酸性品紅吸附量最低，活化之后的板栗殼活性炭的吸附量隨著活化時間的增加先增加后減小最后又稍有增加，在活化時間1.5 h時達到最大吸附量，22.45 mg?g-1。這是由于隨著活化時間增加，板栗殼活性炭的比表面積也隨之增大，表面也變得凹凸不平，微孔數(shù)量增多，吸附性能提高。但是時間過長會導致活性炭過分活化，碳骨架遭到破壞，部分中孔和微孔轉變?yōu)榇罂?，導致吸附效果變差?/p>

圖6 活化時間對板栗殼活性炭吸附性能的影響

2.2.4 活化溫度對吸附性能的影響

圖7 活化溫度對板栗殼活性炭吸附性能的影響

圖7為活化溫度對板栗殼活性炭吸附性能影響圖。由圖可知，炭化樣品對酸性品紅吸附量最低，板栗殼活性炭對品紅的吸附量隨著活化溫度的增加而略微減小，當活化溫度為600 ℃時，板栗殼活性炭對品紅有最大吸附量，22.45 mg?g-1。當活化溫度超過600 ℃時，活化樣品的官能團或者孔隙結構遭到一定程度的破壞，從而導致板栗殼活性炭的吸附性能略微降低。

3 結論

以板栗殼為原料，KOH為活化劑，經(jīng)過清洗、干燥、炭化、KOH浸漬和活化等工藝，制備了板栗殼活性炭。板栗殼的炭化得率約為32.0%，板栗殼活性炭的大孔孔徑在0.5-5.0 μm。與炭化樣品相比，板栗殼活性炭對品紅吸附量有明顯提高：板栗殼炭化樣品對品紅的吸附量僅為8.30 mg?g-1；當活化工藝條件為堿炭比2:1、活化時間1.5 h、活化溫度600oC時，板栗殼活性炭樣品對品紅的吸附量為22.45 mg?g-1。

[1] 蔣劍春,孫康.活性炭制備技術及應用研究綜述[J].林產(chǎn)化學與工業(yè),2017,37(1):1-13.

[2] 張利波,劉曉海,彭金輝,等.微波加熱核桃殼制取活性炭及孔結構表征[J].化學工業(yè)與工程技術,2006,27(4): 18-22.

[3] 柏松,梁健,蔡勤,等.氯化鋅活化芒果皮制備活性炭及其吸附性能[J].江蘇農業(yè)科學,2015,43(5):331-333.

[4] 張海燕.芡實殼制備生物質多孔碳材料及其吸附性能優(yōu)化研究[D].北京:中國地質大學,2018.

[5] 劉世軍,高森,唐志書,等.氯化鋅活化制備棗核活性炭研究[J].應用化工,2017,46(2):299-305.

[6] 李婷,李欣桐,李敏,等.山竹殼基生物質活性炭的制備及其吸附性能研究[J].化工新型材料,2018,46(2):213- 216.

[7] 劉理根,陳俊,夏全球.板栗殼活性炭的制備方法[J].湖北農業(yè)科學,2008,54(3):337-339.

Study on the Preparation of Activated Carbon from Chestnut Shell and its Adsorption Performance

JIA Xian-feng1,2, SUN Zhen-qi1, LIU Hong-yan1, ZHANG Jin-ting1

(1. Department of Chemistry, Tangshan Normal University, Tangshan 063000, China;2. Tangshan Key Laboratory of Green Specialty Chemicals, Tangshan 063000, China)

With chestnut shell as the raw material and potassium hydroxide as the activator, a series of biomass based activated carbon were prepared by cleaning, drying, high temperature carbonizing, activator impregnating and activation treating. The effects of alkali-carbon ratio, activation time and temperature on the activation rate and adsorption capacity of fuchsin were investigated. The results show that the carbonization rate of chestnut shell is about 32.0%. The chestnut shell based activated carbon has abundant large pores with different shapes, with the pore diameter between 0.5 and 5 μm. Under the activation conditions of alkali-carbon ratio of 2:1, activation time of 1.5 h and activation temperature of 600oC, the adsorption capacity of fuchsin is the highest, and the value is 22.45 mg?g-1.

chestnut shell; activated carbon; potassium hydroxide; adsorption

TQ424.1

A

1009-9115(2020)03-0039-04

10.3969/j.issn.1009-9115.2020.03.009

唐山市科學技術研究與發(fā)展計劃項目（18130230a），唐山師范學院博士基金項目（2018A08），唐山師范學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（CX201809）

2019-10-25

2020-04-03

賈獻峰（1989-），男，河北邯鄲人，博士，講師，研究方向為新型炭材料。

（責任編輯、校對：琚行松）