氯化鋅法制備薏米秸稈活性炭工藝研究

龍成梅，成曉東，龍明騰

（黔南民族師范學院化學化工學院，貴州 都勻 558000）

薏米是貴州省黔西南州特色經濟農作物。幾百年來，黔西南老百姓有著種植、食用薏米的習慣。全球七成以上的薏米均來自黔西南，巨大的薏米產量給農民帶來良好的經濟收入，但同時也產生了大量的薏米秸稈。薏米秸稈大多被直接丟棄和焚燒，造成資源浪費和環境污染，將其稈制備成活性炭，是廢物資源化和防治環境污染的有效途徑之一。

活性炭疏松多孔，比表面積大，化學穩定性好，在氣體凈化、廢水處理等許多領域應用廣泛［1］。化學活化法是植物原料制備活性炭的主要方法，本文以氯化鋅為活化劑，制備薏米秸稈活性炭。根據Lewis酸堿理論，氯化鋅屬于酸，在活化過程中和秸稈中的含氧基團作用可以促進脫水脫氫反應，導致其碳化生成多孔物質［2］。為了制備性能優良的薏米秸稈活性炭，以其對模擬廢水中鉛離子的吸附率為指標，通過正交試驗研究薏米秸稈活性炭的制備工藝條件。

1 實驗

1.1 原料、試劑與儀器

原料：薏米秸稈來源于貴州省黔西南州，經洗滌、干燥、粉碎后備用。

試劑：氯化鋅、硝酸鉛、鹽酸等，均為分析純。

儀器：電熱鼓風干燥箱，SK2-4-10馬弗爐，原子吸收分光光度計，FA004電子天平，回旋式恒溫振蕩器、集熱式恒溫加熱水浴鍋、磁力攪拌器。

1.2 薏米秸稈活性炭的制備

1）薏米秸稈洗凈、烘干、磨碎，過60目篩。2）準確稱取一定量的秸稈粉末，置于瓷坩堝中，加入氯化鋅溶液，混勻，室溫條件浸泡24 h后放入馬弗爐，一定溫度下溫度活化一定時間。3）取出冷卻至室溫。加入體積分數10%的鹽酸溶液，再用蒸餾水洗滌至pH＝6.5～7。放入烘箱，95℃烘干12 h，粉碎過160目篩，即得薏米秸稈活性碳。

1.3 吸附實驗

取濃度為100mg·L-1的硝酸鉛溶液25mL具塞錐形瓶中，加入0.25g薏米秸稈，調節pH＝4～5，室溫振蕩吸附2h，過濾，利用原子吸收分光光度計測定濾液中鉛離子的含量。活性炭對鉛離子的吸附率計算式如下：

式中：C0為Pb2＋初始質量濃度，mg·L-1；C為吸附后 Pb2＋質量濃度，mg·L-1。

2 單因素實驗

2.1 料液比的影響

在氯化鋅溶液質量分數為50%、活化溫度500℃、活化時間60 min的條件下，采用不同的料液比制備活性炭，其對鉛離子的去除率如圖1所示。

圖1 料液比對吸附率的影響Fig.1 Effects of solid-liquid ratio on adsorption rate

由圖1可知，薏米活性炭的吸附率在1∶1g／mL時最高，達到97.35%，隨著料液比增加，吸附率逐漸降低。這是由于適量的氯化鋅擁有脫羥基和脫水作用，使原料中的氫和氧以蒸氣形式溢出，并阻礙了油狀物質產生，避免了堵塞，因而構成了多孔狀結構，使活性炭具有較高的吸附率［3］。但隨著氯化鋅溶液增多，反而覆蓋了活性炭的孔，使得吸附率降低。因此，最佳料液比為1∶1g／mL。

2.2 氯化鋅質量分數對吸附率的影響

在料液比1∶1g／mL、活化溫度500℃、活化時間60min條件下，探究氯化鋅溶液質量分數對活性炭吸附率的影響，結果如圖2所示。由圖2可知，薏米秸稈活性炭的吸附率隨著氯化鋅溶液質量分數的增大而減小，這或許是由于活化劑質量分數過高，抑制了生物原料內部有機碳的活化，因而降低了活性炭的吸附率［4］。因此，選擇氯化鋅溶液質量分數為30%，既節約溶劑又能獲得較好的效果。

圖2 氯化鋅濃度對活性炭吸附率的影響Fig.2 Effects of activator concentration on adsorption rate

2.3 活化溫度的影響

在料液比 1∶1g／mL、氯化鋅溶液質量分數30%、活化時間60min情況下，探究活化溫度對吸附率的影響，如圖3所示。由圖3可知，薏米秸稈活性炭的吸附率先增后降，在550℃時最高。這說明隨著溫度增加，導致了纖維素分子間碳氫鍵的斷裂，使得纖維素分子中的含氧官能團等以水蒸汽形式除去，形成孔隙［5］。而溫度過高，加重微孔隙的燒蝕，孔徑變大，導致吸附性能下降［6］。

圖3 活化溫度對吸附率的影響Fig.3 Effects of activation temperature on adsorption rate

2.4 活化時間的影響

在料液比1∶1g／mL、氯化鋅溶液質量分數為30%、活化溫度550℃條件下，研究活化時間對活性炭吸附率的影響，結果如圖4所示。薏米秸活性炭的吸附率先增大，隨著活化時間的延長又減小。這主要是因為：開始活化時間不夠，活化不充分，隨著活化時間延長，活化效果逐漸提高。但超過75min之后，因過度活化而造成過度炭化，會造成孔隙相連、變大或消失，從而降低了吸附率。根據實驗結果，選擇活化時間為75min較為適宜。

圖4 活化時間吸附率的影響Fig.4 Effects of activation time on adsorption rate

2.5 正交實驗結果

正交實驗因素水平見表1，正交實驗結果見表2。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

表2 正交實驗結果Table 2 Results of L9（34）orthogonal test

實驗表明，薏米秸稈活性炭對鉛離子吸附率影響最大的因素是活化時間，其次是活化劑濃度和料液比，影響最弱的是活化的溫度，即按因素主次排列：D＞B＞A＞C。最佳方案為D3B1A1C3，即活化時間為90min，活化劑濃度質量分數為30%，料液比為1∶1，活化溫度500℃，此條件下，薏米秸稈活性炭對鉛離子的吸附率為98.62%。

3 結論

氯化鋅活化法制備薏米秸稈活性炭可行，能達到較好的吸附效果。最佳工藝條件為：活化時間為90min，活化劑濃度質量分數為30%，料液比為1∶1g／mL，活化溫度500℃。在該條件下活性碳對鉛離子的去除率為98.62%。