大型海藻細基江蘺制備活性炭的研究

胡 章，陳錦燕，周昭勇，溫譽彤，李思東，吳湛霞

(廣東海洋大學理學院應用化學系，廣東 湛江 524088)

活性炭的制備原料主要有三大類：植物類原料、礦物類原料和其它含碳廢棄物。其中植物類原料來源最為廣泛，如傳統的優質木材、鋸木屑、椰殼、棕桐核、竹子、核桃殼、果核、甘蔗渣、糠醛渣等[1～5]。

大型海藻是海洋生態系統中的一類重要生物類群，每年通過光合作用可固定8×1010t碳，生產1.46×1011t生物質[6]，廣泛用作食品、飼料、瓊膠工業原料和土壤肥料等，是非常重要的可再生資源。我國海藻產量居世界首位，主要品種有海帶、紫菜、裙帶菜、麒麟菜、石花菜、羊棲菜、江蘺等10多種。目前，對大型海藻的開發利用水平較高的國家主要有日本、美國、英國、加拿大、挪威等，而中國卻相對滯后。因此，針對我國豐富的海藻資源及有限的開發利用狀況，積極拓展海藻的利用途徑意義重大。

作者在此以中國南海盛產的大型海藻細基江蘺(Gracilariatenuistipitata)為原料，采用磷酸活化法制備活性炭，通過對活性炭的碘吸附值、亞甲基藍脫色力和得率的分析，優化活性炭的制備工藝條件，以開拓大型海藻制備活性炭的新途徑。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

細基江蘺采自廣東湛江調順島海域，自來水清洗后蒸餾水潤洗，自然風干，粉碎至20目，備用。

磷酸、磷酸二氫鉀、高錳酸鉀、亞甲基藍、淀粉、碘、硫代硫酸鈉均為分析純。

SK-4-10型馬弗爐，上海樹立儀器儀表有限公司；Spectrum-100型傅立葉變換紅外光譜儀，美國Perkin-Elmer公司；UV-1800型紫外可見分光光度計，上海菁華科技儀器有限公司。

1.2 活性炭的制備

稱取5 g細基江蘺粉置于小燒杯中，按一定比例加入40%的磷酸溶液浸漬一定時間后，小心傾去浸漬液；將濕藻物轉移至離心杯，加入蒸餾水，用玻璃棒不斷攪拌至混濁液分布均勻，于4000 r·min-1離心5 min，傾去上層清液；再加入蒸餾水，重復操作2次，傾去上層清液，將沉淀轉移至燒杯中，于105 ℃烘10 h；將獲得的干燥物置于馬弗爐中，在一定溫度下活化一定時間，室溫冷卻；用蒸餾水清洗活化物至清洗液pH值接近7，120 ℃下烘干，即得活性炭。

1.3 測試與表征

活性炭碘吸附值及亞甲基藍脫色力的測定分別參照GB/T 12496.8-1999和GB/T 12496.10-1999進行。

紅外光譜采用KBr壓片法在紅外光譜儀上測定。分辨率為4 cm-1，掃描次數為32次，測試范圍為450～4000 cm-1。

2 結果與討論

2.1 活性炭制備工藝條件的優化

以浸漬比(磷酸與細基江蘺粉的質量比，下同)、浸漬時間、活化溫度、活化時間為考察因素，以碘吸附值、亞甲基藍脫色力和得率為考核指標，進行L9(34)正交實驗以優化細基江蘺制備活性炭的工藝條件，每次實驗重復3次。正交實驗結果與分析見表1、表2。

表1 正交實驗結果

表2 正交實驗分析

就活性炭的碘吸附值而言，碘吸附值越高,活性炭的吸附性能越好。由表2可看出，各因素對碘吸附值的影響大小依次為D>B>C>A，即活化時間的影響最大，浸漬時間和活化溫度次之，浸漬比的影響最小；制備碘吸附值性能優的活性炭的最佳工藝條件為A2B2C3D2，即浸漬比2∶1、浸漬時間9 h、活化溫度600 ℃、活化時間50 min。

就活性炭的亞甲基藍脫色力而言，亞甲基藍脫色力值越高,活性炭的吸附性能越好。由表2可看出，各因素對亞甲基藍脫色力的影響大小依次為A>D>B>C，即浸漬比的影響最大，活化時間和浸漬時間次之，活化溫度的影響最小；制備亞甲基藍脫色力性能優的活性炭的最佳工藝條件為A1B2C2D2，即浸漬比1∶1、浸漬時間9 h、活化溫度500 ℃、活化時間50 min。

就活性炭的得率而言，得率越高,制備活性炭的經濟價值就越大。由表2可看出，各因素對得率的影響大小依次為A>D>C>B，即浸漬比的影響最大，活化時間和活化溫度次之，浸漬時間的影響最小；制備高得率活性炭的最佳工藝條件為A3B3C1D2,即浸漬比3∶1、浸漬時間10 h、活化溫度400 ℃、活化時間50 min。

綜合考慮碘吸附值、亞甲基藍脫色力及得率，確定細基江蘺制備活性炭的最佳工藝條件為A1B2C1D2，即浸漬比1∶1、浸漬時間9 h、活化溫度400 ℃、活化時間50 min，在此條件下，活性炭的碘吸附值為1049.75 mg·g-1、亞甲基藍脫色力為123 mL·g-1、得率為37.7%。

2.2 活性炭的紅外光譜分析(圖1)

圖1 活性炭的紅外光譜

由圖1可看出，3200 cm-1附近出現了峰形較寬的吸收峰，這與羥基(-OH)官能團相關，說明活性炭表面可能同時存在醇、羧酸和酚類等化學官能團，也有可能是活性炭分子吸收部分水分所致；2350 cm-1處的吸收峰歸屬于CO2在活性炭表面的物理吸附[7]；1715 cm-1處的吸收峰通常是由醛、酮、內酯等的羰基(-C=O)引起的；1600 cm-1處的吸收峰歸屬于芳香環或碳碳雙鍵(C=C)的伸縮振動，表明活性炭制備過程中有含羰基物質生成和前體物的芳香化發生[8]；1200 cm-1處為醚鍵(-C-O-C-)特征吸收峰，表明活性炭產品中有醚類官能團存在；980～1160 cm-1處的吸收峰歸屬于磷酸酯中的磷氧雙鍵(-P=O)的彎曲振動、磷氧碳鏈(-P-O-C-)中的碳氧鍵(-C-O-)彎曲振動或-P=OOH鍵的彎曲振動，表明活性炭產品中存在含磷基團的化合物[9]，這是由于本實驗采用的是磷酸法活化制備活性炭，所以在FTIR譜圖上出現了相關峰。

3 結論

以大型海藻細基江蘺為原料制備活性炭，通過正交實驗確定其最佳工藝條件為：浸漬比1∶1、 浸漬時間9 h、活化溫度400 ℃、活化時間50 min，在此條件下，活性炭的碘吸附值為1049.75 mg·g-1、亞甲基藍脫色力為123 mL·g-1、得率為37.7%。紅外光譜分析表明，制備的活性炭表面可能存在醇或酚羥基、吸附CO2、羰基、芳香環、碳碳雙鍵、醚鍵和含磷基團等多種官能團。

參考文獻：

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