廢棄菠菜葉資源化利用的可行途徑研究

彭超　林威　謝楠　李長旭

摘要：通過碳酸氫鉀活化工藝，將廢棄菠菜葉轉(zhuǎn)化為高性能多孔生物質(zhì)活性炭材料。活化60min制備多孔炭材料比表面積為1 407 m2 g-1，比電容為248 F g-1;所組裝的對稱超級電容器內(nèi)阻為0.37Ω，經(jīng)過5 000次恒流充放電后電容保留率為96.55%。繼而為源于農(nóng)貿(mào)市場廢棄蔬菜葉資源化利用提供一種潛在的可行途徑。

關(guān)鍵詞：菠菜葉;資源化利用;碳酸氫鉀;超級電容器

中圖分類號：X799.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）06-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.06.141

Study on resource utilization of waste spinach leaf

Peng Chao1，Lin Wei2，Xie Nan3，Li Changxu1

（1.Chongqing Yu Jia Environmental Impact Assessment Co.，Ltd.，Chongqing 400010，China;2.Chongqing Ou Te Lin Environmental Protection Engineering Co.，Ltd.，Chongqing 400039，China;3.Zheng He Lü Yuan Testing Technology （Chongqing） Co.，Ltd.，Chongqing 401336，China）

Abstract：Waste spinach leaves are transformed into high-performance porous biomass activated carbon materials through the activation process of potassium bicarbonate.Activation 60 min，the porous carbon material has a specific surface area of 1407 m2 g-1 and the specific capacitance of 248 F g-1; the internal resistance of the assembled symmetric supercapacitor is 0.37Ω，the capacity retention rate is 96.55% after 5000 cycles of charge and discharge. In turn， it provides a potentially feasible way for the resourceful utilization of waste vegetable leaves from the farmers market.

Key words：Spinach leaves;Resource utilization;Potassium bicarbonate;Supercapacitor

1 背景簡介

超級電容器因安全性高、使用溫度范圍寬和循環(huán)壽命長，作為一種新型的電化學(xué)能源儲能器件。具有多孔結(jié)構(gòu)、較高比表面積、成本低廉、電化學(xué)穩(wěn)定性和電導(dǎo)率高等特點的活性炭材料廣泛用作超級電容的電極材料研究[1，2]。生物質(zhì)通過炭化/活化工藝可制備具有高比表面積和最優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)的多孔材料。茶葉渣、柚子皮等生物質(zhì)采用KOH活化制備多孔活性炭獲得了可觀的電化學(xué)電容[3，4]，但其產(chǎn)率低且易腐蝕器皿。Satoshi Mitani等以針狀焦炭為前驅(qū)體，對比氫氧化鉀和碳酸鉀活化發(fā)現(xiàn)：碳酸鉀活化制備材料比電容較高，同時產(chǎn)率亦高且對設(shè)備的腐蝕較小[5]。為了響應(yīng)“無廢城市”中關(guān)于持續(xù)推進(jìn)固體廢物源頭減量和資源化利用，最大限度地減少固體廢物填埋量，將固體廢物對環(huán)境影響降至最低的城市發(fā)展理念。

2 實驗部分

2.1 實驗材料及主要儀器

材料及試劑：廢棄菠菜葉，氬氣，碳酸氫鉀，泡沫鎳，聚四氟乙烯，乙炔黑和導(dǎo)電石墨。

儀器：電子分析天平（TP-114），水平管式爐（GSL-1700X），BET測試儀（ASAP-2000）和電化學(xué)工作站（CHI 660D）。

2.2 菠菜葉基多孔活性炭的制備

從農(nóng)貿(mào)市場收集廢棄菠菜葉，自然風(fēng)干備用。炭化過程：將風(fēng)干菠菜葉在氬氣氛圍中600 ℃并保溫2h，得到炭化產(chǎn)物?；罨^程：炭化產(chǎn)物與碳酸氫鉀按照一定比例混合，在氬氣氛圍中800 ℃并保溫60（30、90）min，得到的樣品BC-60（BC-30和BC-90）。

3 結(jié)果與討論

3.1 菠菜葉多孔活性炭的微觀結(jié)構(gòu)

圖1a為自然風(fēng)干的廢棄菠菜葉（插圖為新鮮的菠菜葉）。圖1b，高溫炭化后的SEM表面為塊體狀;對比圖1b，活化30min炭材料表面開始呈現(xiàn)顆粒狀，見圖1c;活化60min的圖1d中炭材料表面完全分布著顆粒狀。

圖2a，在相同壓力下，隨著活化時間的延長，其炭材料吸附量對應(yīng)增加;材料均呈現(xiàn)中孔結(jié)構(gòu)的IV型滯留曲線。圖2b表明BC-30、BC-60和BC-90在微孔范圍內(nèi)的最大吸附量的孔徑分別為0.93 nm，1.18 nm和1.19 nm。隨著活化時間的延長，微孔尺寸在逐漸增大;當(dāng)活化時間為90min時，BC-90樣品中孔徑為1nm到5nm范圍內(nèi)的孔結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)部分，而BC-30和BC-60主要的孔尺寸分布在小于1.26 nm范圍內(nèi)。

3.2 菠菜葉多孔活性炭的電容行為

圖3a中，3種炭材料在相同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線未發(fā)生極化現(xiàn)象。圖3b表明在電流密度為1 A g-1時，BC-60、BC-90和BC-30的比電容分別為248 F g-1，206 F g-1和175 F g-1。我們利用孔尺寸分布關(guān)系來解釋：BC-30微孔集中在0.93 nm附近，BC-60的微孔集中在1.18 nm附近，說明BC-30比電容偏低的原因在于孔尺寸不利于電極-電解液界面形成完整的雙電層電容;BC-90樣品微孔占比少，介孔占比大導(dǎo)致其比電容偏小。

3.3 對稱超級電容器的電容性能

圖4可得出，在低頻范圍中，BC-60超級電容器的擴散曲線的斜率較大，表明其擁有較理想的雙電層電容行為。從高頻區(qū)域（插圖）中可以讀出BC-60超級電容器內(nèi)阻為0.37Ω;半圓弧直徑較小，表明電極材料在電極-電解液界面的電荷傳遞阻抗較小。

4 結(jié)論

以農(nóng)貿(mào)市場廢棄菠菜葉為生物質(zhì)碳源，采用碳酸氫鉀活化60min制備的多孔活性炭材料的比電容248 F g-1。所組裝的對稱超級電容器內(nèi)阻0.37Ω;經(jīng)過5 000次恒流充放電的電容保留率為96.55%。為農(nóng)貿(mào)市場廢棄蔬菜葉的綜合利用奠定堅實基礎(chǔ)，同時落實“無廢城市”中關(guān)于農(nóng)貿(mào)市場固體廢物源頭資源化和減量化可行理念。

參考文獻(xiàn)

[1]陳列春.超級電容器電極材料的制備與研究[D]廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2008.

[2]Zhe Tang， Chunhua Tang， Hao Gong. A high enengy density asymmetric supercapacitor from nano-architectured Ni（OH）2/carbon nanotube electrodes[J]. Adv. Funct. Mater.2012（22）： 1272-1278.

[3]Xu Zhang， Chao Peng， Rutao Wang， Junwei Lang. High-performance supercapacitors based on novel carbons derived from sterculia lychnophora[J].RSC Adv.， 2015（5）：32159-32167.

[4]Chao Peng， Junwei Lang， Shan Xu， Xiaolai Wang. Oxygen-enriched activated carbons from pomelo peel in high energy density supercapacitors[J]. RSC Adv.， 2014（4）：54662-54667.

[5]Satoshi Mitani， Sang-Ick Lee， Koji Saito， et al. Activation of coal tar derived needle coke with K2CO3 into an active carbon of low surface area and its performance as unique electrode of electric double-layer capacitor[J].Carbon， 2005（43）：2960-2967.

收稿日期：2020-05-01

作者簡介：彭超（1987-），漢族，碩士研究生，中級工程師，研究方向為生物質(zhì)活性炭的制備及應(yīng)用研究和污染場地環(huán)境調(diào)查、風(fēng)險評估和治理修復(fù)。

通訊作者：謝楠