氯化锌法制备薏米秸秆活性炭工艺研究

龙成梅，成晓东，龙明腾

（黔南民族师范学院化学化工学院，贵州 都匀 558000）

薏米是贵州省黔西南州特色经济农作物。几百年来，黔西南老百姓有着种植、食用薏米的习惯。全球七成以上的薏米均来自黔西南，巨大的薏米产量给农民带来良好的经济收入，但同时也产生了大量的薏米秸秆。薏米秸秆大多被直接丢弃和焚烧，造成资源浪费和环境污染，将其秆制备成活性炭，是废物资源化和防治环境污染的有效途径之一。

活性炭疏松多孔，比表面积大，化学稳定性好，在气体净化、废水处理等许多领域应用广泛［1］。化学活化法是植物原料制备活性炭的主要方法，本文以氯化锌为活化剂，制备薏米秸秆活性炭。根据Lewis酸碱理论，氯化锌属于酸，在活化过程中和秸秆中的含氧基团作用可以促进脱水脱氢反应，导致其碳化生成多孔物质［2］。为了制备性能优良的薏米秸秆活性炭，以其对模拟废水中铅离子的吸附率为指标，通过正交试验研究薏米秸秆活性炭的制备工艺条件。

1 实验

1.1 原料、试剂与仪器

原料：薏米秸秆来源于贵州省黔西南州，经洗涤、干燥、粉碎后备用。

试剂：氯化锌、硝酸铅、盐酸等，均为分析纯。

仪器：电热鼓风干燥箱，SK2-4-10马弗炉，原子吸收分光光度计，FA004电子天平，回旋式恒温振荡器、集热式恒温加热水浴锅、磁力搅拌器。

1.2 薏米秸秆活性炭的制备

1）薏米秸秆洗净、烘干、磨碎，过60目筛。2）准确称取一定量的秸秆粉末，置于瓷坩埚中，加入氯化锌溶液，混匀，室温条件浸泡24 h后放入马弗炉，一定温度下温度活化一定时间。3）取出冷却至室温。加入体积分数10%的盐酸溶液，再用蒸馏水洗涤至pH＝6.5～7。放入烘箱，95℃烘干12 h，粉碎过160目筛，即得薏米秸秆活性碳。

1.3 吸附实验

取浓度为100mg·L-1的硝酸铅溶液25mL具塞锥形瓶中，加入0.25g薏米秸秆，调节pH＝4～5，室温振荡吸附2h，过滤，利用原子吸收分光光度计测定滤液中铅离子的含量。活性炭对铅离子的吸附率计算式如下：

式中：C0为Pb2＋初始质量浓度，mg·L-1；C为吸附后 Pb2＋质量浓度，mg·L-1。

2 单因素实验

2.1 料液比的影响

在氯化锌溶液质量分数为50%、活化温度500℃、活化时间60 min的条件下，采用不同的料液比制备活性炭，其对铅离子的去除率如图1所示。

图1 料液比对吸附率的影响Fig.1 Effects of solid-liquid ratio on adsorption rate

由图1可知，薏米活性炭的吸附率在1∶1g／mL时最高，达到97.35%，随着料液比增加，吸附率逐渐降低。这是由于适量的氯化锌拥有脱羟基和脱水作用，使原料中的氢和氧以蒸气形式溢出，并阻碍了油状物质产生，避免了堵塞，因而构成了多孔状结构，使活性炭具有较高的吸附率［3］。但随着氯化锌溶液增多，反而覆盖了活性炭的孔，使得吸附率降低。因此，最佳料液比为1∶1g／mL。

2.2 氯化锌质量分数对吸附率的影响

在料液比1∶1g／mL、活化温度500℃、活化时间60min条件下，探究氯化锌溶液质量分数对活性炭吸附率的影响，结果如图2所示。由图2可知，薏米秸秆活性炭的吸附率随着氯化锌溶液质量分数的增大而减小，这或许是由于活化剂质量分数过高，抑制了生物原料内部有机碳的活化，因而降低了活性炭的吸附率［4］。因此，选择氯化锌溶液质量分数为30%，既节约溶剂又能获得较好的效果。

图2 氯化锌浓度对活性炭吸附率的影响Fig.2 Effects of activator concentration on adsorption rate

2.3 活化温度的影响

在料液比 1∶1g／mL、氯化锌溶液质量分数30%、活化时间60min情况下，探究活化温度对吸附率的影响，如图3所示。由图3可知，薏米秸秆活性炭的吸附率先增后降，在550℃时最高。这说明随着温度增加，导致了纤维素分子间碳氢键的断裂，使得纤维素分子中的含氧官能团等以水蒸汽形式除去，形成孔隙［5］。而温度过高，加重微孔隙的烧蚀，孔径变大，导致吸附性能下降［6］。

图3 活化温度对吸附率的影响Fig.3 Effects of activation temperature on adsorption rate

2.4 活化时间的影响

在料液比1∶1g／mL、氯化锌溶液质量分数为30%、活化温度550℃条件下，研究活化时间对活性炭吸附率的影响，结果如图4所示。薏米秸活性炭的吸附率先增大，随着活化时间的延长又减小。这主要是因为：开始活化时间不够，活化不充分，随着活化时间延长，活化效果逐渐提高。但超过75min之后，因过度活化而造成过度炭化，会造成孔隙相连、变大或消失，从而降低了吸附率。根据实验结果，选择活化时间为75min较为适宜。

图4 活化时间吸附率的影响Fig.4 Effects of activation time on adsorption rate

2.5 正交实验结果

正交实验因素水平见表1，正交实验结果见表2。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

表2 正交实验结果Table 2 Results of L9（34）orthogonal test

实验表明，薏米秸秆活性炭对铅离子吸附率影响最大的因素是活化时间，其次是活化剂浓度和料液比，影响最弱的是活化的温度，即按因素主次排列：D＞B＞A＞C。最佳方案为D3B1A1C3，即活化时间为90min，活化剂浓度质量分数为30%，料液比为1∶1，活化温度500℃，此条件下，薏米秸秆活性炭对铅离子的吸附率为98.62%。

3 结论

氯化锌活化法制备薏米秸秆活性炭可行，能达到较好的吸附效果。最佳工艺条件为：活化时间为90min，活化剂浓度质量分数为30%，料液比为1∶1g／mL，活化温度500℃。在该条件下活性碳对铅离子的去除率为98.62%。