蓮蓬殼活性炭的制備及應(yīng)用

楊曉冉李凌凌王逸趙彬

(1.安徽省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，安徽 合肥 230071；2.武漢科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 武漢 430081)

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年都有大量的農(nóng)林廢棄物產(chǎn)生[1]。近年多項(xiàng)研究表明，植物原材料具有特有的多孔結(jié)構(gòu)，有利于活化劑的滲透，且原材料中的纖維素和木質(zhì)素含碳量高，可以較容易制作出優(yōu)良的活性炭[2]。而活性炭具有的發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)可廣泛地應(yīng)用于水凈化處理。長(zhǎng)江以南地區(qū)有著豐富的湖泊淡水資源，蓮的產(chǎn)量較大，蓮蓬除去蓮子后的蓮房占到蓮蓬全重的60%～75%，除用于中藥的制作，大多數(shù)蓮蓬殼都被丟棄，未能被很好的利用。本實(shí)驗(yàn)采用廢棄的蓮蓬殼作為制作活性炭的原材料，活化炭化制取比表面積較大的活性炭，對(duì)水中重金屬和有機(jī)物有良好的吸附能力。既可變廢為寶，大大提高了蓮的綜合利用率，又能達(dá)到保護(hù)環(huán)境與促進(jìn)農(nóng)業(yè)資源再利用的目的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

主要試劑和原料：蓮蓬殼，產(chǎn)自安徽巢湖濕地；亞甲藍(lán)，天津致遠(yuǎn)；六價(jià)鉻，環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所。

主要儀器：TM-2010P馬弗爐，上海盈安美誠科學(xué)儀器有限公司；UV2700可見-紫外分光光度計(jì)，日本島津公司；Xevo TQ-S三重四極桿質(zhì)譜，美國(guó)waters公司；SHZ-P循環(huán)式真空泵，鞏義市英峪予華儀器；ME204E電子天平，梅特勒；S210型pH計(jì)，梅特勒；HSJ-6A恒溫水浴振蕩器，江蘇科析儀器有限公司；Milli-Q Integral5超純水系統(tǒng)，法國(guó)/默克密理博；TS-14S恒溫磁力攪拌器，上海沉匯儀器；MicrometicsASAP-2020比表面積測(cè)定儀，上海麥克儀器；GZX-9420MBE電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司。

1.2 蓮蓬殼活性炭的制備

蓮蓬殼粉的制備，取適量曬干后的蓮蓬殼，清洗除去灰塵和少量殘留的蓮子，放入80℃干燥箱中烘至恒重，用高速粉碎機(jī)粉碎，用60目標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩進(jìn)行篩分并收集蓮蓬殼粉；活化，將蓮蓬殼粉分別與4種活化劑(KOH、K2CO3、H3PO4、ZnCl2)按一定的配比(1∶0.5、1∶1、1∶1.5、1∶2)混合，置于磁力攪拌器上攪拌一定的時(shí)間(2h、3h、4h、5h)后，真空抽濾分離；熱解炭化，將活化好的蓮蓬殼粉于干燥箱中烘至恒重，放入馬弗爐中，升溫至250℃、350℃、450℃、550℃，保溫0.5h、1h、2h、3h后取出，待降至室溫后，用純水浸泡清洗后真空抽濾，反復(fù)多次將活性炭粉洗至中性，干燥箱中烘干至恒重。收集粒徑小于200目的活性炭粉末，裝入帶蓋的潔凈干燥玻璃瓶中備用。見圖1。

圖1 蓮蓬殼活性炭的制作流程

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 蓮蓬殼活性炭對(duì)亞甲藍(lán)吸附值的測(cè)定

參照煤質(zhì)顆粒活性炭試驗(yàn)方法對(duì)亞甲藍(lán)吸附值進(jìn)行測(cè)定[3]，使用分光光度計(jì)于波長(zhǎng)665nm處測(cè)定吸光值，根據(jù)公式(1)計(jì)算亞甲藍(lán)吸附值。

Qe=(C0-Ce)×V/m

(1)

式中，C0為吸附質(zhì)的初始濃度，mg·L-1；Ce為吸附后吸附質(zhì)的濃度，mg·L-1；V為溶液的體積，L；m為吸附劑的用量，g。

1.3.2 蓮蓬殼活性炭對(duì)六價(jià)鉻的吸附實(shí)驗(yàn)

參照二苯碳酰二肼分光光度法對(duì)六價(jià)鉻進(jìn)行測(cè)定[4]，在酸性溶液中，Cr(VI)與二苯碳酰二肼反應(yīng)生成紫紅色絡(luò)合物，使用分光光度計(jì)在波長(zhǎng)540nm處測(cè)定吸光值，并根據(jù)公式(1)計(jì)算六價(jià)鉻的平衡吸附量。

1.3.3 蓮蓬殼活性炭對(duì)微囊藻毒素(MC-LR)的吸附實(shí)驗(yàn)

參照高效液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法采用四級(jí)桿質(zhì)譜儀對(duì)微囊藻毒素(MC-LR)進(jìn)行測(cè)定[5]。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

蓮蓬殼粉的活化和炭化步驟對(duì)制備的活性炭吸附性能有較大的影響，因此對(duì)活化劑種類、活化劑配比、活化時(shí)間、炭化溫度和炭化時(shí)間5因素4水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，通過對(duì)亞甲藍(lán)吸附值進(jìn)行測(cè)定，確定各因素對(duì)蓮蓬殼活性炭吸附性能的影響。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)L16(45)正交表，各因素水平如表1所示，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。其中，K為不同因素相同水平的均值，極差為相同因素不同水平的均值中最大值與最小值之差。

表1 蓮蓬殼活性炭正交試驗(yàn)因素水平表

從表2可以看出，極差值最大的是炭化時(shí)間和炭化溫度，因此這2個(gè)因素是影響蓮蓬殼活性炭吸附量的關(guān)鍵因子，其次是活化時(shí)間、活化劑種類和活化劑配比。通過對(duì)均值的比較可以看出，A4B2C2D1E3為最優(yōu)制備條件。即在活化劑為氯化鋅且與蓮蓬殼粉配比為1∶1.5，活化時(shí)間為3h，在350℃下炭化0.5h，制得的活性炭對(duì)亞甲藍(lán)吸附值最高。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果表

2.2 蓮蓬殼活性炭的表面特征

通過對(duì)蓮蓬殼活性炭進(jìn)行掃描電鏡分析，如圖2所示，活性炭SEM圖中有大量無定型顆粒，具有較多的片層狀堆疊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其比表面積較大，可以對(duì)污染物有較好的吸附作用。

圖2 蓮蓬殼活性炭的SEM圖

2.3 蓮蓬殼活性炭對(duì)水中六價(jià)鉻的吸附作用

配制濃度為30mg·L-1的六價(jià)鉻溶液，活性炭投加量為1g·L-1，在20℃充分振蕩反應(yīng)，每隔一定的時(shí)間取樣過濾后測(cè)定濾液中剩余的六價(jià)鉻濃度，計(jì)算處理效率和吸附量。如圖3所示，反應(yīng)的前50min吸附量隨時(shí)間快速上升，之后緩慢增長(zhǎng)，并在120min左右接近平衡。主要原因是吸附初期蓮蓬殼活性炭?jī)?nèi)部的孔隙率較高，有利于吸附的進(jìn)行。最大平衡吸附量為29.3mg·g-1，處理效率為97.7%。

圖3 蓮蓬殼活性炭對(duì)水中六價(jià)鉻的吸附

2.4 蓮蓬殼活性炭對(duì)微囊藻毒素的吸附作用

配制濃度為400μg·L-1的微囊藻毒素(MC-LR)溶液，蓮蓬殼活性炭投加量為1g·L-1，在20℃充分振蕩反應(yīng)，每隔5min取樣過濾，測(cè)定濾液中剩余的MC-LR濃度。如圖4所示，在吸附反應(yīng)的25min左右蓮蓬殼活性炭對(duì)微囊藻毒素(MC-LR)的吸附效率接近100%。

圖4 蓮蓬殼活性炭對(duì)MC-LR的吸附

3 結(jié)論

蓮蓬殼活性炭的最佳制備條件是活化劑為氯化鋅且與蓮蓬殼粉配比為1∶1.5，活化時(shí)間為3h，在350℃下炭化0.5h，制得的活性炭對(duì)亞甲藍(lán)吸附值最高。

蓮蓬殼活性炭對(duì)水中的六價(jià)鉻和微囊藻毒素(MC-LR)有良好的吸附能力，在20℃，投加量為1g·L-1時(shí)，對(duì)30mg·L-1的六價(jià)鉻溶液的最大吸附效率為97.7%，平衡吸附量為29.3mg·L-1；對(duì)400μg·L-1的MC-LR溶液的處理效率接近100%。