甘蔗渣微波制备活性炭吸附剂及其再生研究

吴文炳,陈建发，林小兰,江万祥

(1.漳州师范学院 化学与环境科学系,福建 漳州 363000;2.漳州职业技术学院 食品与生物工程系，福建 漳州 363000)

活性炭是炭材料的典型代表，是一种优质的吸附剂，具有独特的孔隙结构和表面活性官能团，有足够的化学稳定性和一定的机械强度，耐酸碱，耐高温，不溶于水和有机溶剂，并且能够再生循环使用[1～4].微波属于电磁波的一种，它的波长在1 m～1 mm，频率在300 MHz～300 GHz的无线电波.微波加热是一种深入到物料内部，由里向外的加热方法.它通过被加热体内部偶极分子高频往复运动，使物料内外部同时加热，同时升温，仅需传统加热方式的几分之一或几十分之一就可达到加热的目的.原料一经微波加热，活化剂急剧挥发而产生蒸汽压，使其内部向外部爆炸般地压出产生无数的裂缝、小孔.这样原料较辐射前有更明显的孔隙结构,内比表面积更大.微波加热使活性炭进一步活化，提高吸附容量，用这种方法生产活性炭的时间短，耗能低，设备构造简单[5～7].本文以甘蔗渣为原料，变废为宝，对微波辐射法获得活性炭吸附剂进行了制备和再生研究，并对酱油模拟废液进行处理比较.

图1 微波辐射甘蔗渣制备活性炭的工艺流程

表1活化剂对活性炭吸附性能的影响

Tab.1 Effect of activator on property of activated carbon

序号活化剂亚甲基蓝吸附值/mL·g-1碘吸附值/mg·g-1A法焦糖脱色率/%1ZnCl21361163.7108.92H3PO41141160.6104.63NaOH931115.695.3

制备条件：活化剂浓度40%(wt)，料液比为1∶25，浸渍时间为72 h，微波功率720 W，辐射时间12 min

图2 ZnCl2浓度对活性炭吸附性能及产率的影响

1 材料与方法

1.1 材料与装置

试剂：甘蔗渣(闽南地区生产)；氯化锌(分析纯)、磷酸(分析纯)、氢氧化钠(分析纯)、重铬酸钾(分析纯)、葡萄糖(分析纯)，均为分析纯；亚甲基蓝溶液(1.5 g/L)；碘标准溶液(0.1 mol/L)；盐酸(36%～38%)；二次蒸馏水；商品酱油(含黄豆、小麦、水、食盐、糖、焦糖色、香料)；仪器：格兰仕WD900G型微波炉；722S可见分光光度计；Sartorius电子分析天平；真空干燥箱；HY-3A多用振荡器.

1.2 试验工艺与方法

本试验工艺流程如图1所示.将10 g甘蔗渣在120℃下烘干，用一定浓度的氯化锌溶液浸渍后，进行微波辐射，使之活化，然后进行酸洗(采用1∶20稀释的稀盐酸)、漂洗、烘干，最后得到活性炭产品，活性炭再生直接通过微波辐射完成.采用GB/T12496.8-1999标准测定碘的吸附值，GB/T12496.9-1999标准测定A法焦糖脱色率，GB/T12496.10-1999标准测定亚甲基蓝吸附值.

2 结果与分析

2.1 不同活化剂的影响

以氯化锌、磷酸和氢氧化钠为活化剂制备蔗渣质活性炭，产品吸附性能见表1.

由表1可以看出，三种活化剂对碘的吸附效果差别不大；从亚甲基蓝吸附值和A法焦糖脱色率来看，ZnCl2活化的效果最好.总体来说，活化效果顺序为ZnCl2>H3PO4>NaOH.

2.2 氯化锌浓度的影响

固定料液比为1∶25、浸渍时间为72 h、微波功率为720 W、辐射时间为12 min，研究ZnCl2浓度对活性炭亚甲基蓝吸附值、碘吸附值、A法焦糖脱色率和产率的影响，结果见图2.

由图2可知，随着ZnCl2浓度的增加，亚甲基蓝、碘吸附值和A法焦糖脱色率先增加后减少，ZnCl2浓度为40%时，达到最大值.产率随着ZnCl2浓度增加逐渐增加，这可能是由于ZnCl2具有催化有机化合物羟基的消去和脱水作用，使原料中的氢原子和氧原子以水的形式分离出来，更多的保留了原料中的碳元素，随着ZnCl2浓度的提高，原料中的碳元素更多被保留下来，使活性炭的得率提高.综合以上各项指标，最佳ZnCl2的浓度为40%.

2.3 料液比的影响

固定ZnCl2浓度为40%，浸渍时间为72 h，微波功率为720 W，辐射时间为12 min，研究料液比对活性炭亚甲基蓝吸附值、碘吸附值、A法焦糖脱色率和产率的影响，结果如图3所示.

随着料液比的增加，亚甲基蓝和碘吸附值逐渐增大，A法焦糖脱色率和产率也逐渐增加.当料液比为1∶25时，亚甲基蓝吸附值、碘吸附值和A法焦糖脱色率都达到最大值，这可能是因为活化剂溶液中氯化锌占有的体积，近似地等于回收氯化锌后，活性炭所具有的孔隙体积，活性炭的吸附性能不仅取决于微孔比表面积，还与活性炭的比孔容积有关，比孔容积随着料液比的增加而增大[2].

2.4 浸渍时间的影响

固定ZnCl2浓度为40%，料液比为1∶25，微波功率为720 W，辐射时间为12 min，研究浸渍时间对活性炭亚甲基蓝吸附值、碘吸附值、A法焦糖脱色率和产率的影响，结果如图4.

随着浸渍时间的增加，亚甲基蓝和碘的吸附值先增加后减少，浸渍时间为72 h时，亚甲基蓝和碘吸附值均达到最大值；浸渍时间为72 h时，A法焦糖脱色率也最大.综合以上的分析，得出最佳浸渍时间为72 h.

2.5 微波功率对活性炭性能的影响

固定ZnCl2浓度为40%，料液比为1∶25，浸渍时间为72 h，辐射时间为12 min，研究微波功率对活性炭亚甲基蓝吸附值、碘吸附值、A法焦糖脱色率和产率的影响，结果见图5.

图3 料液比对活性炭吸附性能及产率的影响

图4 浸渍时间对活性炭吸附性能及产率的影响

图5 微波功率对活性炭吸附性能及产率的影响

图6 辐射时间对活性炭吸附性能及产率的影响

表2再生前后活性炭吸附性能比较

Tab.2 Comparison between activated carbon and regenerated activated carbon on property

项目亚甲基蓝吸附值/mL·g-1碘吸附值/mg·g-1A法焦糖脱色率/%再生前活性炭1361163.7108.9再生后活性炭1051186.4111.5

再生条件：微波功率720 W，辐射时间9 min

增强微波功率，活性炭吸附性能均有所提高.在720 W后，A法焦糖脱色率继续增大，而亚甲基蓝值略有下降.这是由于功率增大，活化温度升高，从而提高了活化效果.但功率过大，活性炭中孔结构受损，逐渐扩大为大孔.产率与微波功率呈负相关性，主要是参与碳水反应的碳原子增加，物料的烧损加剧，使得活性炭的质量减少.

2.6 辐射时间对活性炭性能的影响

固定ZnCl2浓度为40%，料液比为1∶25，浸渍时间为72 h，微波功率720 W，研究微波辐射时间对活性炭亚甲基蓝吸附值、碘吸附值、A法焦糖脱色率和产率的影响，如图6所示.

适当延长辐射时间，可提高活性炭吸附性能.继续增加辐射时长，碘吸附值先下降，随后亚甲基蓝吸附值降低，A法焦糖脱色率略有升高，这是由于加大时间，炭化和活化程度加深，产生的蒸汽压变大，生成的微孔和中孔数增多，但辐射时间过长，使温度较高且活化程度过深，原来的微孔和中孔不断被扩大，微孔向中孔发展，中孔向大孔发展，微孔转化为中孔的速度小于中孔转化为大孔的速度，所以亚甲基蓝和碘吸附值降低，A法焦糖脱色率升高.而活性炭的产率随辐射时间的延长而降低，这是因为炭化程度加深，烧失率和灰分增加，从而降低产率.

研究表明，甘蔗渣微波制备活性炭吸附剂的最佳工艺条件为ZnCl2浓度40%，料液比1∶25，浸渍时间72 h，微波功率720 W，辐射时间12 min.其吸附性能为：亚甲基蓝吸附值136 mL/g,碘吸附值1 163.7 mg/g，A法焦糖脱色率108.9%.

2.7 活性炭再生前后比较

最佳工艺条件下获得的活性炭在酱油模拟废液中进行吸附试验，处理时间为30 min，废水处理量为150 mL/g.吸附后的活性炭通过再生，再生前后活性炭的吸附性能比较结果如表2所示.再生前后活性炭(1g)在不同废液浓度下的吸附试验结果如图7所示.

从表2可以看出，活性炭再生后亚甲基蓝吸附值有所下降，但仍优于国家一级品指标；而碘吸附值和A法焦糖脱色率均略有提高.从废液吸附试验可知，再生后活性炭的脱色率比再生前总体提高.由图7可知，在静态吸附试验中，再生后活性炭对酱油废液的脱色率均优于再生前活性炭，并且酱油废液浓度越高，脱色优势越明显.

3 结论

1)从甘蔗质活性炭吸附性能比较来看，选用活化剂的活化效果顺序为：ZnCl2>H3PO4>NaOH.

2)微波法制备活性炭吸附剂的最佳工艺条件为：氯化锌溶液浓度40%，料液比1∶25，浸渍时间72 h，微波功率720 W，辐射时间12 min.相应活性炭的亚甲基蓝吸附值为136 mL/g，碘的吸附值为1 163.7 mg/g，A法焦糖脱色率为108.9%，均优于国家一级品指标.

3)活性炭用于酱油模拟废液处理后，采用微波再生，获得再生活性炭的亚甲基蓝吸附值为105 mL/g，碘的吸附值为1 186.4 mg/g，A法焦糖脱色率为111.5%，仍优于国家一级品指标，并且再生活性炭对酱油废液具有更佳的处理效果，可用于食品行业废水处理.

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