分級木質(zhì)素基活性炭的制備及其吸附效果研究

摘要： 本研究采用4種有機溶劑對堿木質(zhì)素進行分級，得到4種不同相對分子質(zhì)量的木質(zhì)素級分；以磷酸為活化劑，在高溫條件下制備木質(zhì)素基活性炭（LAC），探討不同制備條件及外部環(huán)境因素對LAC吸附效果的影響。結(jié)果表明，在越高的磷酸含量和活化溫度下，相對分子質(zhì)量較大的木質(zhì)素級分制備的LAC對Cu2+的吸附效果越好。采用1，4-二氧六環(huán)分級的木質(zhì)素級分在浸漬質(zhì)量比2. 5∶1、活化溫度800 ℃下制備的LAC比表面積最大（806. 74 m2/g），吸附效果最好，Cu2+去除率達98. 3%。同時，LAC在不同環(huán)境溫度和pH值下，對Cu2+去除率均保持較高水平；經(jīng)過4次吸附-解吸循環(huán)后，吸附效率達81%以上，解吸效率在73%以上，表明分級木質(zhì)素制備的LAC具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性和可循環(huán)利用性。

關鍵詞：木質(zhì)素；有機溶劑分級；活性炭；重金屬離子

中圖分類號：TS79 文獻標識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 01. 004

中國是農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源豐富[1]。根據(jù)國家局統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國的玉米產(chǎn)量穩(wěn)定在2.5億t/年，水稻產(chǎn)量高達2億t/年，煙草產(chǎn)量300萬t/年，每年產(chǎn)生的玉米芯、稻桿及煙桿等農(nóng)林廢棄物超億噸。其中只有少部分農(nóng)林廢棄物被用作工業(yè)化生產(chǎn)和發(fā)電，大部分得不到有效利用，被用作燃燒產(chǎn)熱或直接填埋，造成了嚴重的環(huán)境污染和資源浪費[2]。

廢棄生物質(zhì)包含木質(zhì)素、纖維素及半纖維素等組分，其中纖維素和半纖維素已廣泛應用于造紙、制糖和生物質(zhì)精煉等方面，然而木質(zhì)素的高值化利用率仍不到2%[3-4]。木質(zhì)素是植物界中儲量僅次于纖維素的第二大生物質(zhì)資源，具有豐富的官能團、剛性的核心骨架和較高的碳含量（30%～40%） [5-6]，是一種理想的碳基材料前體；其中，木質(zhì)素制備活性炭是重要的研究方向之一。Doczekalska等[7]使用研磨后的木質(zhì)素在700 ℃下碳化成活性炭（AC）。Gonzalez-Serrano等[8]使用ZnCl2活化硫酸鹽桉木木質(zhì)素制備活性炭；研究發(fā)現(xiàn)，活性炭比表面積隨活化溫度增加而增加。然而，工業(yè)木質(zhì)素通常存在活性位點少、結(jié)構復雜和相對分子質(zhì)量分布較寬的缺點，限制了其應用，因此需要對木質(zhì)素進行分級處理[9]。木質(zhì)素分級方法主要有超濾法、酸沉淀法、熱解法和有機溶劑萃取法等，每種方法均擁有獨特的優(yōu)勢與局限性。有機溶劑萃取法可依據(jù)木質(zhì)素在不同有機溶劑中的溶解度差異實現(xiàn)木質(zhì)素分級，該方法簡單有效，并且溶劑可以回收利用[10]。

本研究通過4種有機溶劑對堿木質(zhì)素進行順序分級，得到了相對分子質(zhì)量分布較均勻的4種不同相對分子質(zhì)量的木質(zhì)素級分，按照不同質(zhì)量比與磷酸混合，并在400～800 ℃下進行碳化活化，使木質(zhì)素中熱穩(wěn)定性較差的組分降解揮發(fā)，并且利用磷酸出色的造孔能力，得到有致密多孔結(jié)構的木質(zhì)素基活性炭（LAC）。為全面評估LAC的性能，本研究進一步采用凝膠滲透色譜、比表面積分析（BET）、掃描電子顯微鏡等多種方法對LAC進行表征，并開展針對Cu2+的吸附實驗，探究不同木質(zhì)素級分在不同制備條件下的吸附性能及循環(huán)利用能力，旨在為廢棄木質(zhì)素高值化利用提供堅實的理論基礎和實踐指導。