核桃壳基活性炭的制备及其吸附性能研究*

张 冲 方振华 杨 玲 张常虎 何亚萍

（西安文理学院化学工程学院，陕西西安710065）

核桃壳基活性炭的制备及其
吸附性能研究*

张 冲 方振华 杨 玲 张常虎 何亚萍

（西安文理学院化学工程学院，陕西西安710065）

以核桃壳为原料，经炭化后，在超声波辅助下分别用浓HCl、NaOH、KOH、H3PO4、ZnCl2活化制备出了一系列核桃壳基活性炭材料。研究了活化剂种类、活化浸渍时间、剂料比等因素对核桃壳基活性炭材料亚甲基蓝吸附值的影响。实验结果表明：在300℃炭化20min后，用氢氧化钾活化浸泡90min,剂料比为2∶1时,制备的核桃壳基活性炭材料对亚甲基蓝的吸附效果最好。

核桃壳；活性炭；吸附；亚甲基蓝

活性炭是以煤炭、木材、果壳等含碳材料为原料制备的一类具有发达孔隙结构、较大比表面积、强吸附能力的材料,现已广泛应用于环保、国防、化工、食品等领域[1，2]。针对传统活性炭制备原料木材资源短缺的问题,近几年来以花生壳、果壳、稻草秸秆等来源广泛的农林废弃物为原料制备活性炭已成为重要的研究方法[3，4]。我国核桃总产量位居世界前列[5]，但核桃加工完后，占核桃质量较大部分的核桃壳多被焚烧或丢弃，极大地浪费了资源，而核桃壳基活性炭材料由于是多孔物质，具有较大的比表面积，能与废水充分接触，是一种有效的吸附剂材料[6]。因此，将废弃的核桃壳用于制备活性炭具有非常广阔的应用前景。

本文以核桃壳为原料，经炭化后，在超声波辅助下分别用浓HCl、NaOH、KOH、H3PO4、ZnCl2活化制备出了一系列核桃壳基活性炭材料。考察了活化浸渍时间、剂料比等因素对吸附效果的影响，并对其吸附性能进行了研究。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

TU-1901双光束紫外可见分光光度计，SB-5200DT超声波清洗机，DXF-02C密封型手提式粉碎机。

西安本地核桃壳，NaOH、浓HCl、KOH、H3PO4、ZnCl2均为分析纯。

1.2 核桃壳基活性炭的制备

将核桃壳洗净、干燥、粉碎，过筛。将10～20目的核桃壳颗粒在马弗炉中300℃炭化20min，然后分别与一定量的浓HCl、H3PO4、NaOH、NaOH、ZnCl2混合于50mL比色管中,加水至50mL，40℃下超声震荡1h后过滤[7]，滤渣用去离子水洗涤至中性，干燥后得到核桃壳基活性炭。

1.3 吸附实验

称取一定量的制备好的活性炭，放入250mL锥形瓶中，加入一定浓度的亚甲基蓝溶液，在40℃下超声振荡30min，过滤，测定滤液的吸光度，然后通过标准曲线计算出吸附后亚甲基蓝溶液的浓度[8，9]。去除率的计算公式如下：

式中Co：吸附前亚甲基蓝溶液的浓度，mg·L-1；Ct：吸附后亚甲基蓝溶液的浓度，mg·L-1。

2 结果与讨论

2.1 亚甲基蓝溶液标准曲线的绘制

准确称取1、2、3、4、5mg的亚甲基蓝试剂，在室温下配制成1、2、3、4、5mg·L-1的亚甲基蓝溶液，用TU-1901双光束紫外可见分光光度计在665nm波长下测得亚甲基蓝溶液的标准曲线见图1。

图1 亚甲基蓝溶液的标准曲线Fig.1 Standard curve of methylene blue solution

该标准曲线线性拟合后的方程为：y=0.088x +0.00567,相关系数为0.998，通过该方程即可计算出亚甲基蓝溶液在不同条件下吸附后的剩余浓度，从而计算出亚甲基蓝的去除率。

2.2 活化剂对核桃壳基活性炭吸附性能的影响

实验中固定其它条件不变，分别用浓HCl、H3PO4、NaOH、KOH、ZnCl2活化已炭化后的核桃壳颗粒制得了不同的核桃壳基活性炭颗粒，并考察了不同活化剂活化的活性炭对亚甲基蓝的吸附性能，其结果见图2。

图2 不同活化剂活化的活性炭的吸附能力比较Fig.2 Adsorption capacity of activated carbons with different activators

从图2中可以看出，用氢KOH作活化剂时，所制得的核桃壳基活性炭对亚甲基蓝的去除率最高，表明用KOH作活化剂来制备的核桃壳基活性炭的吸附效果最好。

2.3 剂料比对亚甲基蓝去除率的影响

剂料比，即纯化学试剂与绝干原料的质量比，是制备活性炭工艺过程中重要影响因素之一。实验中采用KOH做活化剂，固定活化时间为1h，活化温度为40℃，活性炭添加量为0.5g不变，考察了不同剂料比对亚甲基蓝的去除率的影响，其实验结果见图3。

图3 剂料比对活性炭吸附能力的影响Fig.3 Effect of material-to-agent ratio on the adsorption capacity of activated carbon

由图3可知，当剂料比较小，即KOH量较少时，其活性炭吸附亚甲基蓝的效果较差，吸附率较低。随着剂料比的增大，亚甲基蓝的去除率不断增大，当剂料比为2∶1时，亚甲基蓝的去除率达到最大为83%。然后随着KOH量继续增大时，亚甲基蓝去除率先有所下降，然后趋于不变。

2.4 活化浸渍时间对亚甲基蓝去除率的影响

在活化温度为40℃、活化时间为1h、浸渍比为2∶1,活性炭添加量0.5g保持不变的条件下，考察了不同活化浸渍时间对亚甲基蓝去除率的影响，实验结果见图4。

图4 活化浸渍时间对活性炭吸附性能的影响Fig.4 Effect of activated time on the adsorption performance of activated carbon

由图4可知，随着活化浸渍时间的延长，核桃壳活性材料对亚甲基蓝的吸附率呈现出先增后减的变化规律。当活化浸渍时间为90min时，亚甲基蓝的去除率达到最大为88%。

3 结论

以核桃壳为原料，经炭化后，在超声波辅助下分别用浓HCl、NaOH、KOH、H3PO4、ZnCl2活化制备吸附性能较好的核桃壳基活性炭方案是可行的。研究结果表明：用KOH活化浸泡90min,剂料比为2∶1时,制备的核桃壳基活性炭材料对亚甲基蓝的吸附效果最好。是一种开发利用农林废弃物资源的新途径。

［1］米铁,胡叶立,余新明.活性炭制备及其应用进展［J］.江汉大学学报（自然科学版）,2013,（6）:5-12.

［2］夏明.核桃壳基活性炭的制备及其性能研究［D］.石河子大学, 2013.

［3］林冠烽.磷酸法自成型木质颗粒活性炭的制备过程与机理研究［D］.中国林业科学研究院,2013.

［4］廖钦洪,刘庆业,蒙冕武,等.稻壳基活性炭的制备及其对亚甲基蓝吸附的研究［J］.环境工程学报,2011,（11）:2447-2452.

［5］余琼粉,李明,宁平,等.核桃壳活性炭的制备及其在环境保护中的应用［J］.化学工业与工程，2011,（6）:63-67+73.

［6］夏明,李江兵,郭瑞丽.核桃壳基活性炭处理含苯酚废水的效果及动力学研究［J］.环境与健康杂志,2013,（10）:919-921.

［7］李琛,葛红光,刘军海,等.超声波辅助活性炭吸附处理高浓度食品废水的研究［J］.食品工业科技,2014,（11）:202-205；209.

［8］冯云晓,李青彬,腊明.花生壳活性炭的制备及其对亚甲基蓝吸附效果研究［J］.化学研究与应用,2014,（7）:1107-1111.

［9］李荣华,张院民,张增强,等.农业废弃物核桃壳粉对Cr（Ⅵ）的吸附特征研究［J］.农业环境科学学报,2009,（8）:1693-1700.

Research on preparation and absorption capacity of walnut shell-based activated carbon*

ZHANG Chong，FANG Zhen-hua，YANG ling，ZHANG Chang-hu，HE Ya-ping
（College of Chemical Engineering,Xi'an University,Xi'an 710065，China）

A series of walnut shell-based activated carbon materials were prepared by carbonization,ultrasonic-assisted techniques and chemical activation with HCl,NaOH,KOH,H3PO4,ZnCl2,as activator.Through the study of the absorption capacity of methylene blue,the effects of activating agent,activation time and the material ratio on the methylene blue absorption value of walnut shell-based activated carbon materials were investigated. The results showed that the optimal technical conditions were as follows:carbonization time was 20 minutes,carbonization temperature was 300℃,activation time was 90 minutes with KOH,the material ratio was 2:1.

walnut shell；activated carbon；absorption；methylene blue

TQ424

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20161266

2016-10-31

大学生创新创业训练计划项目（201511080592）；西安市科技计划创新基金“文理专项”项目（CXY1531WL26；CXY15 31WL32；CXY1531WL34；CXY1443WL27）；国家自然基金项目（No.21445004）

张冲（1993-），男，陕西省汉中市人，本科。

导师简介：方振华（1983-），男，湖北监利县人，研究方向：功能材料的开发与应用。