麥草水解殘渣制備活性炭

吳真　林鹿

摘要：為充分利用麥草資源，降低利用麥草制木糖成本，對麥草甲酸-鹽酸水解殘渣制備活性炭的條件進行探討。結果表明，以麥草甲酸-鹽酸水解殘渣為原料制備活性炭，較佳的活化條件為：活化溫度800 ℃，活化時間0.5 h，此時活性炭的得率為32.09%，脫色力為16 mL亞甲基藍，其脫色效果與外購活性炭基本相當，可以用于對木糖水解液的預脫色。

關鍵詞：麥草；水解殘渣；活性炭

中圖分類號：TQ424.1文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2014）01-0232-02

收稿日期：2013-05-18

基金項目：江蘇省淮安市科技支撐計劃（編號：HASZ2012029）。

作者簡介：吳真（1983—），男，江西九江人，工程師，主要從事植物資源化學研究工作。Tel：（0517）83526983；E-mail：scutwuzhen@126.com。麥草是一種蘊藏著巨大經濟效益的生物質資源，麥草中含有30%左右半纖維素，可利用其制備木糖及木糖醇[1]。工業上一般采用酸法水解工藝水解生物質原料中半纖維素組分制備木糖產品，這一過程往往會產生大量的水解殘渣。水解殘渣的主要組分為含碳量較高的纖維素和木質素，可利用其制備活性炭并重新用于木糖水解液的脫色，可降低木糖生產成本[2]。

我們在前期研究中發現甲酸-鹽酸溶液可在低溫、可循環條件下有效地水解麥草中的纖維素及半纖維素[3]，得到可溶性糖類產物。甲酸本身有催化水解反應的作用，且易于回收，能重復利用。本研究采用甲酸-鹽酸溶液水解麥草半纖維素，水解液用于制備木糖，水解殘渣用于制備活性炭，初步探討活性炭的制備條件。

1材料與方法

1.1材料

麥草取自山東，采用甲酸-鹽酸混合溶液水解麥草，過濾水解液并收集水解殘渣，通風廚中風干。麥草及麥草水解殘渣組分見表1。

1.2方法

1.2.1活性炭制備活性炭的制備一般分為兩步：第一步是在CO2或蒸汽或兩者混合氣體環境中含碳原料的高溫炭化，第二步是焦炭的活化。在化學法活化過程中，化學活化劑既作為脫水機又作為氧化劑，炭化與活化同時進行，減少了實驗步驟，同時活化溫度較低，有利于形成多孔結構[4]。本試驗采用ZnCl2作為活化劑，因ZnCl2能作為電子對的給予體和接受體中心與纖維素復合體的-OH基發生作用，導致纖維素分子間鏈的斷裂，形成鏈狀纖維素分子，極易環構化形成縮合苯環平面狀結構[5]，從而形成微孔、中孔、過度孔發達的縮聚碳。

本試驗設計的麥草水解殘渣制備活性炭工藝為：

粉末活性炭成品

1.2.2活性炭脫色指標測定活性炭的脫色能力用亞甲基藍體積來表征[6]：稱取0.1 g亞甲基藍于250 g蒸餾水中，先取1 mL稀釋至200 mL，此時測得在665 nm處吸光度值為035（標準溶液）。然后移取一定的此溶液加入0.100 g的活性炭中，經充分振蕩后，仍在波長665 nm處測得吸光度值在0.04～0.07范圍內為止，所用亞甲基藍的加入量即為脫色力。

1.2.3自制活性炭與外購活性炭脫色效果比較稱取0.1 g亞甲基藍于250 g蒸餾水中，取4 mL，稀釋至200 mL（50倍），測定吸光度值。分別稱取自制活性炭粉末0.1、0.2、0.3、04、0.5 g（按順序編號1～5）及外購活性炭0.1、0.2、0.3、04、0.5 g（按順序編號6～10）。各加入已經配制好的亞甲基藍10 mL，于665 nm處測量吸光度值，比較自制活性炭與外購活性炭的脫色效果。

2結果與分析

2.1反應時間和溫度對活性炭得率及其脫色力影響

活化溫度選擇700 、800、900 ℃，活化時間選擇0.5、1.0、2.0 h，考查活化溫度及活化時間對活性炭得率和脫色力的影響，結果（表2）表明，在0.5 ～2 h內，同一溫度下活化時間越長，活性炭產率越低；活性炭的脫色力也隨活化時間的增加呈下降趨勢；800 ℃條件下活化0.5 h，可以得到最大產率的活性炭，此時活性炭的脫色力也最大（16 mL亞甲基藍）。因此，15 % ZnCl2活化麥草水解殘渣制備活性炭的較佳條件為：活化溫度800 ℃，活化時間0.5 h。

2.2自制活性炭與外購活性炭脫色效果比較

由圖1可以看出，利用麥草水解殘渣制備的活性炭脫色效果與外購活性炭基本相當，所以在生產中可以用麥草水解殘渣對水解液進行預脫色，既能達到工藝要求的脫色效果，又

可節約外購活性炭的用量，從而降低木糖的生產成本。

3結論

采用ZnCl2活化麥草甲酸-鹽酸水解殘渣制備活性炭的較佳條件為：活化溫度800 ℃，活化時間0.5 h，此時活性炭的得率為32.09%，脫色力為16 mL亞甲基藍。利用麥草甲酸-鹽酸水解殘渣制備的活性炭，其脫色效果與外購活性炭基本相當，可以用于對木糖生產中的水解液進行預脫色，以降低木糖的生產成本。

參考文獻：

[1]Talebnia F，Karakashev D，Angelidaki I. Production of bioethanol from wheat straw：An overview on pretreatment，hydrolysis and fermentation[J]. Bioresource Technology，2010，101（13）：4744-4753.

[2]Ioannidou O，Zabaniotou A. Agricultural residues as precursors for activated carbon production-A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2007，11（9）：1966-2005.

[3]孫勇，林鹿，龐春生，等. 竹漿纖維溶解過程中的均相水解研究[J]. 生物質化學工程，2007，41（2）：5-10.

[4]Zhao G，Liu J，Wang Y，et al. Effects of elevated CO2 concentration and nitrogen supply on biomass and active carbon of freshwater marsh after two growing seasons in Sanjiang Plain，Northeast China[J]. Journal of Environmental Sciences，2009，21（10）：1393-1399.

[5]Uar S，Erdem M，Tay T. Preparation and characterization of activated carbon produced from pomegranate seeds by ZnCl2 activation[J]. Applied Surface Science，2009，255（21）：8890-8896.

[6]Benadjemia M，Millière L，Reinert L，et al. Preparation，characterization and methylene blue adsorption of phosphoric acid activated carbons from globe artichoke leaves[J]. Fuel Processing Technology，2011，92（6）：1203-1212.張會娟，胡志超，呂小蓮，等. 我國綠豆加工利用概況與發展分析[J]. 江蘇農業科學，2014，42（1）：234-236.endprint

摘要：為充分利用麥草資源，降低利用麥草制木糖成本，對麥草甲酸-鹽酸水解殘渣制備活性炭的條件進行探討。結果表明，以麥草甲酸-鹽酸水解殘渣為原料制備活性炭，較佳的活化條件為：活化溫度800 ℃，活化時間0.5 h，此時活性炭的得率為32.09%，脫色力為16 mL亞甲基藍，其脫色效果與外購活性炭基本相當，可以用于對木糖水解液的預脫色。

關鍵詞：麥草；水解殘渣；活性炭

中圖分類號：TQ424.1文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2014）01-0232-02

收稿日期：2013-05-18

基金項目：江蘇省淮安市科技支撐計劃（編號：HASZ2012029）。

作者簡介：吳真（1983—），男，江西九江人，工程師，主要從事植物資源化學研究工作。Tel：（0517）83526983；E-mail：scutwuzhen@126.com。麥草是一種蘊藏著巨大經濟效益的生物質資源，麥草中含有30%左右半纖維素，可利用其制備木糖及木糖醇[1]。工業上一般采用酸法水解工藝水解生物質原料中半纖維素組分制備木糖產品，這一過程往往會產生大量的水解殘渣。水解殘渣的主要組分為含碳量較高的纖維素和木質素，可利用其制備活性炭并重新用于木糖水解液的脫色，可降低木糖生產成本[2]。

我們在前期研究中發現甲酸-鹽酸溶液可在低溫、可循環條件下有效地水解麥草中的纖維素及半纖維素[3]，得到可溶性糖類產物。甲酸本身有催化水解反應的作用，且易于回收，能重復利用。本研究采用甲酸-鹽酸溶液水解麥草半纖維素，水解液用于制備木糖，水解殘渣用于制備活性炭，初步探討活性炭的制備條件。

1材料與方法

1.1材料

麥草取自山東，采用甲酸-鹽酸混合溶液水解麥草，過濾水解液并收集水解殘渣，通風廚中風干。麥草及麥草水解殘渣組分見表1。

1.2方法

1.2.1活性炭制備活性炭的制備一般分為兩步：第一步是在CO2或蒸汽或兩者混合氣體環境中含碳原料的高溫炭化，第二步是焦炭的活化。在化學法活化過程中，化學活化劑既作為脫水機又作為氧化劑，炭化與活化同時進行，減少了實驗步驟，同時活化溫度較低，有利于形成多孔結構[4]。本試驗采用ZnCl2作為活化劑，因ZnCl2能作為電子對的給予體和接受體中心與纖維素復合體的-OH基發生作用，導致纖維素分子間鏈的斷裂，形成鏈狀纖維素分子，極易環構化形成縮合苯環平面狀結構[5]，從而形成微孔、中孔、過度孔發達的縮聚碳。

本試驗設計的麥草水解殘渣制備活性炭工藝為：

粉末活性炭成品

1.2.2活性炭脫色指標測定活性炭的脫色能力用亞甲基藍體積來表征[6]：稱取0.1 g亞甲基藍于250 g蒸餾水中，先取1 mL稀釋至200 mL，此時測得在665 nm處吸光度值為035（標準溶液）。然后移取一定的此溶液加入0.100 g的活性炭中，經充分振蕩后，仍在波長665 nm處測得吸光度值在0.04～0.07范圍內為止，所用亞甲基藍的加入量即為脫色力。

1.2.3自制活性炭與外購活性炭脫色效果比較稱取0.1 g亞甲基藍于250 g蒸餾水中，取4 mL，稀釋至200 mL（50倍），測定吸光度值。分別稱取自制活性炭粉末0.1、0.2、0.3、04、0.5 g（按順序編號1～5）及外購活性炭0.1、0.2、0.3、04、0.5 g（按順序編號6～10）。各加入已經配制好的亞甲基藍10 mL，于665 nm處測量吸光度值，比較自制活性炭與外購活性炭的脫色效果。

2結果與分析

2.1反應時間和溫度對活性炭得率及其脫色力影響

活化溫度選擇700 、800、900 ℃，活化時間選擇0.5、1.0、2.0 h，考查活化溫度及活化時間對活性炭得率和脫色力的影響，結果（表2）表明，在0.5 ～2 h內，同一溫度下活化時間越長，活性炭產率越低；活性炭的脫色力也隨活化時間的增加呈下降趨勢；800 ℃條件下活化0.5 h，可以得到最大產率的活性炭，此時活性炭的脫色力也最大（16 mL亞甲基藍）。因此，15 % ZnCl2活化麥草水解殘渣制備活性炭的較佳條件為：活化溫度800 ℃，活化時間0.5 h。

2.2自制活性炭與外購活性炭脫色效果比較

由圖1可以看出，利用麥草水解殘渣制備的活性炭脫色效果與外購活性炭基本相當，所以在生產中可以用麥草水解殘渣對水解液進行預脫色，既能達到工藝要求的脫色效果，又

可節約外購活性炭的用量，從而降低木糖的生產成本。

3結論

采用ZnCl2活化麥草甲酸-鹽酸水解殘渣制備活性炭的較佳條件為：活化溫度800 ℃，活化時間0.5 h，此時活性炭的得率為32.09%，脫色力為16 mL亞甲基藍。利用麥草甲酸-鹽酸水解殘渣制備的活性炭，其脫色效果與外購活性炭基本相當，可以用于對木糖生產中的水解液進行預脫色，以降低木糖的生產成本。

參考文獻：

[1]Talebnia F，Karakashev D，Angelidaki I. Production of bioethanol from wheat straw：An overview on pretreatment，hydrolysis and fermentation[J]. Bioresource Technology，2010，101（13）：4744-4753.

[2]Ioannidou O，Zabaniotou A. Agricultural residues as precursors for activated carbon production-A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2007，11（9）：1966-2005.

[3]孫勇，林鹿，龐春生，等. 竹漿纖維溶解過程中的均相水解研究[J]. 生物質化學工程，2007，41（2）：5-10.

[4]Zhao G，Liu J，Wang Y，et al. Effects of elevated CO2 concentration and nitrogen supply on biomass and active carbon of freshwater marsh after two growing seasons in Sanjiang Plain，Northeast China[J]. Journal of Environmental Sciences，2009，21（10）：1393-1399.

[5]Uar S，Erdem M，Tay T. Preparation and characterization of activated carbon produced from pomegranate seeds by ZnCl2 activation[J]. Applied Surface Science，2009，255（21）：8890-8896.

[6]Benadjemia M，Millière L，Reinert L，et al. Preparation，characterization and methylene blue adsorption of phosphoric acid activated carbons from globe artichoke leaves[J]. Fuel Processing Technology，2011，92（6）：1203-1212.張會娟，胡志超，呂小蓮，等. 我國綠豆加工利用概況與發展分析[J]. 江蘇農業科學，2014，42（1）：234-236.endprint

摘要：為充分利用麥草資源，降低利用麥草制木糖成本，對麥草甲酸-鹽酸水解殘渣制備活性炭的條件進行探討。結果表明，以麥草甲酸-鹽酸水解殘渣為原料制備活性炭，較佳的活化條件為：活化溫度800 ℃，活化時間0.5 h，此時活性炭的得率為32.09%，脫色力為16 mL亞甲基藍，其脫色效果與外購活性炭基本相當，可以用于對木糖水解液的預脫色。

關鍵詞：麥草；水解殘渣；活性炭

中圖分類號：TQ424.1文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2014）01-0232-02

收稿日期：2013-05-18

基金項目：江蘇省淮安市科技支撐計劃（編號：HASZ2012029）。

作者簡介：吳真（1983—），男，江西九江人，工程師，主要從事植物資源化學研究工作。Tel：（0517）83526983；E-mail：scutwuzhen@126.com。麥草是一種蘊藏著巨大經濟效益的生物質資源，麥草中含有30%左右半纖維素，可利用其制備木糖及木糖醇[1]。工業上一般采用酸法水解工藝水解生物質原料中半纖維素組分制備木糖產品，這一過程往往會產生大量的水解殘渣。水解殘渣的主要組分為含碳量較高的纖維素和木質素，可利用其制備活性炭并重新用于木糖水解液的脫色，可降低木糖生產成本[2]。

我們在前期研究中發現甲酸-鹽酸溶液可在低溫、可循環條件下有效地水解麥草中的纖維素及半纖維素[3]，得到可溶性糖類產物。甲酸本身有催化水解反應的作用，且易于回收，能重復利用。本研究采用甲酸-鹽酸溶液水解麥草半纖維素，水解液用于制備木糖，水解殘渣用于制備活性炭，初步探討活性炭的制備條件。

1材料與方法

1.1材料

麥草取自山東，采用甲酸-鹽酸混合溶液水解麥草，過濾水解液并收集水解殘渣，通風廚中風干。麥草及麥草水解殘渣組分見表1。

1.2方法

1.2.1活性炭制備活性炭的制備一般分為兩步：第一步是在CO2或蒸汽或兩者混合氣體環境中含碳原料的高溫炭化，第二步是焦炭的活化。在化學法活化過程中，化學活化劑既作為脫水機又作為氧化劑，炭化與活化同時進行，減少了實驗步驟，同時活化溫度較低，有利于形成多孔結構[4]。本試驗采用ZnCl2作為活化劑，因ZnCl2能作為電子對的給予體和接受體中心與纖維素復合體的-OH基發生作用，導致纖維素分子間鏈的斷裂，形成鏈狀纖維素分子，極易環構化形成縮合苯環平面狀結構[5]，從而形成微孔、中孔、過度孔發達的縮聚碳。

本試驗設計的麥草水解殘渣制備活性炭工藝為：

粉末活性炭成品

1.2.2活性炭脫色指標測定活性炭的脫色能力用亞甲基藍體積來表征[6]：稱取0.1 g亞甲基藍于250 g蒸餾水中，先取1 mL稀釋至200 mL，此時測得在665 nm處吸光度值為035（標準溶液）。然后移取一定的此溶液加入0.100 g的活性炭中，經充分振蕩后，仍在波長665 nm處測得吸光度值在0.04～0.07范圍內為止，所用亞甲基藍的加入量即為脫色力。

1.2.3自制活性炭與外購活性炭脫色效果比較稱取0.1 g亞甲基藍于250 g蒸餾水中，取4 mL，稀釋至200 mL（50倍），測定吸光度值。分別稱取自制活性炭粉末0.1、0.2、0.3、04、0.5 g（按順序編號1～5）及外購活性炭0.1、0.2、0.3、04、0.5 g（按順序編號6～10）。各加入已經配制好的亞甲基藍10 mL，于665 nm處測量吸光度值，比較自制活性炭與外購活性炭的脫色效果。

2結果與分析

2.1反應時間和溫度對活性炭得率及其脫色力影響

活化溫度選擇700 、800、900 ℃，活化時間選擇0.5、1.0、2.0 h，考查活化溫度及活化時間對活性炭得率和脫色力的影響，結果（表2）表明，在0.5 ～2 h內，同一溫度下活化時間越長，活性炭產率越低；活性炭的脫色力也隨活化時間的增加呈下降趨勢；800 ℃條件下活化0.5 h，可以得到最大產率的活性炭，此時活性炭的脫色力也最大（16 mL亞甲基藍）。因此，15 % ZnCl2活化麥草水解殘渣制備活性炭的較佳條件為：活化溫度800 ℃，活化時間0.5 h。

2.2自制活性炭與外購活性炭脫色效果比較

由圖1可以看出，利用麥草水解殘渣制備的活性炭脫色效果與外購活性炭基本相當，所以在生產中可以用麥草水解殘渣對水解液進行預脫色，既能達到工藝要求的脫色效果，又

可節約外購活性炭的用量，從而降低木糖的生產成本。

3結論

采用ZnCl2活化麥草甲酸-鹽酸水解殘渣制備活性炭的較佳條件為：活化溫度800 ℃，活化時間0.5 h，此時活性炭的得率為32.09%，脫色力為16 mL亞甲基藍。利用麥草甲酸-鹽酸水解殘渣制備的活性炭，其脫色效果與外購活性炭基本相當，可以用于對木糖生產中的水解液進行預脫色，以降低木糖的生產成本。

參考文獻：

[1]Talebnia F，Karakashev D，Angelidaki I. Production of bioethanol from wheat straw：An overview on pretreatment，hydrolysis and fermentation[J]. Bioresource Technology，2010，101（13）：4744-4753.

[2]Ioannidou O，Zabaniotou A. Agricultural residues as precursors for activated carbon production-A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2007，11（9）：1966-2005.

[3]孫勇，林鹿，龐春生，等. 竹漿纖維溶解過程中的均相水解研究[J]. 生物質化學工程，2007，41（2）：5-10.

[4]Zhao G，Liu J，Wang Y，et al. Effects of elevated CO2 concentration and nitrogen supply on biomass and active carbon of freshwater marsh after two growing seasons in Sanjiang Plain，Northeast China[J]. Journal of Environmental Sciences，2009，21（10）：1393-1399.

[5]Uar S，Erdem M，Tay T. Preparation and characterization of activated carbon produced from pomegranate seeds by ZnCl2 activation[J]. Applied Surface Science，2009，255（21）：8890-8896.

[6]Benadjemia M，Millière L，Reinert L，et al. Preparation，characterization and methylene blue adsorption of phosphoric acid activated carbons from globe artichoke leaves[J]. Fuel Processing Technology，2011，92（6）：1203-1212.張會娟，胡志超，呂小蓮，等. 我國綠豆加工利用概況與發展分析[J]. 江蘇農業科學，2014，42（1）：234-236.endprint