核桃殼制備活性炭技術在實驗教學中的應用

李樹娜, 方振華, 朱 剛, 霍燕燕, 劉 振, 趙春寶

(西安文理學院 化學工程學院, 陜西 西安 710065)

活性炭是一種優良的多孔吸附材料,具有比表面積高、孔隙發達、化學性能穩定及制造成本低等優點,被廣泛應用于空氣凈化、工業吸附、化工分離及膜分離等領域[1-4]。最初,國內外主要以煤和木材等為原料制備活性炭。但隨著能源危機、環境污染及木材短缺等問題的日益突出,利用來源廣泛的農林廢棄物如秸稈、稻殼、果殼等作為原料制備活性炭成為研究熱點[5-8]。在眾多農林廢棄物中,核桃殼(核桃取仁之后的廢棄物)具有固定碳含量高、揮發性成分多、灰分少等特點,是制備活性炭的良好原料[9-12]；并且我國核桃總產量位居世界前列,大量核桃殼的焚燒或丟棄,造成了資源的極大浪費。

本文結合究成果，將核桃殼制備活性炭技術納入無機材料合成實驗課堂教學,增加了實驗項目的趣味性、探索性和研究性,能夠激發學生的學習興趣、科研熱情和創新意識,提升學生的綜合實踐技能。

1 實驗

1.1 實驗藥品與儀器

試劑藥品：西安本地核桃殼；氫氧化鉀、氫氧化鈉、磷酸和亞甲基藍，都為分析純,國藥集團化學試劑有限公司。

儀器：超聲波清洗機(寧波新芝生物科技股份有限公司)；循環水真空泵(上海亞榮生化儀器廠)；密封型手提式粉碎機(廣州市多順機械設備有限公司)；電熱鼓風干燥箱(上海一恒科學儀器有限公司)；箱式高溫燒結爐(合肥科晶材料技術有限公司)；雙光束紫外可見分光光度計(上海元析儀器有限公司)。

1.2 實驗內容

(1) 核桃殼基活性炭的制備。首先,將核桃殼用蒸餾水反復清洗,去除雜質,烘至絕干,粉碎,過篩；然后,將10～20目的核桃殼顆粒放入炭化爐中,以10 ℃/min的升溫速率升溫至400 ℃,并保溫1 h,冷卻至室溫后取出,制得核桃殼炭化料。

分別配制一定濃度的KOH、NaOH、H3PO4和ZnCl2溶液,并按照一定比例將其分別與核桃殼炭化料均勻混合,室溫下浸漬處理24 h,放于110 ℃電熱鼓風干燥箱中干燥至質量恒定；然后,將浸漬的混合物在馬弗爐中活化,以10 ℃/min的升溫速率升溫至一定溫度,并保持一定時間；最后,將活化得到的樣品用蒸餾水洗滌至pH值接近7,于110 ℃下干燥4 h,得到核桃殼基活性炭,分別記為活性炭-KOH、活性炭-NaOH、活性炭-H3PO4和活性炭-ZnCl2。

(2) 活性炭的分析與表征。活性炭的表面形貌在JSM-7001F掃描電子顯微鏡上觀測,工作電壓200 kV,粉末樣品用導電膠粘到觀察臺上。

(3)活性炭對亞甲基藍的吸附性能測試。配制一定濃度的亞甲基藍溶液,并將一定量的上述核桃殼基活性炭放入亞甲基藍溶液中,在40 ℃下超聲振蕩30 min,過濾；用紫外可見分光光度計測量濾液的吸光度,然后通過標準曲線算得濾液中亞甲基藍的濃度[5]。活性炭樣品對亞甲基藍的吸附率。計算公式如下：

吸附率=100%×(C0-Ct)/C0

式中：C0為吸附前亞甲基藍溶液的濃度,mg/L；Ct為吸附后亞甲基藍溶液的濃度,mg/L。

2 實驗結果及分析

2.1 亞甲基藍溶液標準曲線的繪制

室溫下,配制1、2、3、4、5 mg/L的亞甲基藍標準溶液,用紫外可見分光光度計在665 nm波長下分別測定各溶液的吸光度,并繪制亞甲基藍溶液的標準曲線(見圖1)。

圖1 亞甲基藍溶液的標準曲線

2.2 活性炭的表面形貌表征

圖2是以KOH為活化劑的核桃殼基活性炭掃描電鏡照片。由圖2可以看出,活性炭的表面呈現出凹凸不平的表面形貌和許多大小不規則的空隙結構,因此具有一定的吸附能力。

圖2 以KOH為活化劑的核桃殼基活性炭掃描電鏡照片

2.3 活性炭吸附亞甲基藍的性能測試

2.3.1 活化劑對核桃殼基活性炭吸附性能的影響

分別稱取一定量的活性炭-KOH、活性炭-NaOH、活性炭-H3PO4和活性炭-ZnCl2,并將其分別放入相同濃度的亞甲基藍溶液中,在40 ℃下超聲振蕩30 min,過濾；用紫外可見分光光度計測量濾液的吸光度,并根據圖1的標準曲線計算各樣品對亞甲基藍的吸附率,考察活化劑對活性炭樣品吸附性能的影響。圖3給出了各活性炭樣品的亞甲基藍吸附率計算結果。由圖3可以看出,活化劑對活性炭的吸附性能影響顯著，其中,用KOH為活化劑制得的核桃殼基活性炭對亞甲基藍的吸附率最高,表明其吸附效果最好。

圖3 不同活化劑制得的活性炭吸附亞甲基藍性能比較

2.3.2 KOH與炭化料質量比對核桃殼基活性炭吸附性能的影響

保持其他活化條件不變,進一步考察活化劑KOH與炭化料質量比對核桃殼基活性炭吸附性能的影響。表1給出了各樣品對亞甲基藍吸附率的計算結果。由表中數據可知,隨著活化劑KOH與炭化料質量比的增加,活性炭對亞甲基藍的吸附率先增加后減小,當質量比為2∶1時,對亞甲基藍的吸附率最高。

表1 活化劑KOH與炭化料質量比對核桃殼基活性炭吸附性能的影響

2.3.3 活化時間對核桃殼基活性炭吸附性能的影響

選擇活化劑KOH與炭化料質量比為2∶1時制得的活性炭為研究對象,進一步考察活化時間對活性炭樣品吸附亞甲基藍性能的影響。圖4為不同活化時間制得的活性炭亞甲基藍吸附率計算結果。由圖4可知,隨著活化時間的延長,活性炭對亞甲基藍的吸附率呈現先增加后減小的趨勢,活化時間為90 min時得到的活性炭吸附效果最好。90 min之前,隨著活化反應的進行,活性炭的比表面積和孔容積逐漸增加,吸附性能增強；90 min之后,隨著活化反應的進行,可能會引起活性炭的過度燒蝕,并造成部分孔隙塌陷,所以活性炭的吸附性能不斷下降。

圖4 活化時間對核桃殼基活性炭吸附性能的影響

2.4 實驗拓展

可進一步考察浸漬時間、浸漬溫度及活化溫度等對核桃殼基活性炭吸附亞甲基藍性能的影響。此外,還可引導學生以花生殼、杏殼、桃殼及柳絮等為原料制備活性炭,并考察制備原料對活性炭吸附亞甲基藍及有機大分子維生素B12等性能的影響,從而獲取性能優良的活性炭材料。

3 教學特色

該實驗將教師的科研成果納入課堂教學，并結合目前的能源問題、環境問題及生物質轉化利用等科研熱點,能激發學生的研究興趣,培養學生的科研素養,鍛煉學生的實踐動手能力。該實驗以小組(每組4～5人)方式進行,首先,在實驗開始前,要求每組學生查閱文獻資料,設計并提交各自實驗設計及樣品表征方案；之后,實驗教師對每組學生的設計方案進行審閱,指出其中的問題,并指導學生修改完善；最后,學生按照設計的實驗方案制備活性炭樣品,并對制得的樣品進行分析表征及吸附性能測試,對得到的數據進行分析,集體探討活性炭的處理條件與其吸附性能之間的關系。該實驗要求學生獨立設計實驗方案、制備活性炭樣品并用紫外可見分光光度計進行吸附性能測試,充分鍛煉了學生的實驗設計能力和實踐動手能力,強化了學生的綜合實踐技能。

4 結語

生物質的轉化利用是當前的研究熱點,活性炭在環境保護、氣體吸附、醫療及催化等領域有重要應用。該實驗將廢棄的核桃殼轉化為活性炭,涵蓋活性炭的制備、表征及吸附性能測試等多方面的內容；具有與實際生活聯系緊密、研究因素多、新穎性、趣味性及實用性兼具的特點,能激發學生學習興趣,鍛煉學生的綜合實驗技能,為創新思維的形成提供良好的基礎。