葵瓜子壳和花生壳微波法制备活性炭及其吸附性能的比较

张铁军，欧晓婷，孔令漪，马文康*

（1.广州医科大学生命科学学院，广东广州510000；2.广州医科大学药学院，广东广州510000；3.广州医科大学第三临床学院，广东广州510000）

葵瓜子壳和花生壳微波法制备活性炭及其吸附性能的比较

张铁军1，欧晓婷2，孔令漪3，马文康1*

（1.广州医科大学生命科学学院，广东广州510000；2.广州医科大学药学院，广东广州510000；3.广州医科大学第三临床学院，广东广州510000）

利用葵瓜子壳或花生壳为原料制备活性炭，传统的方法是采用磷酸活化法、氯化锌活化法或氢氧化钾活化法等，再进行高温炭化。为了更好地节约生产成本，减少生产耗时和环境污染，本文探索以葵瓜子壳和花生壳为原料，利用ZnCl2-KCl复合活化和微波辐照制备活性炭，并测定了两种活性炭的吸附能力。结果表明，两者活性炭产率分别为58.67%和46.39%。其亚甲基蓝吸附值分别为311.56mg/g和407.51mg/g，碘吸附值分别为771.04mg/g和991.91mg/g。微波法制备活性炭能降低生产成本，提高吸附能力，更加经济环保。

ZnCl2-KCl联合活化；微波法；活性炭；吸附性能

活性炭是一种具有特殊微晶结构、微细孔发达、表面积巨大、吸附能力强的无定形碳或晶体碳。其广泛用于医药、食品、制糖、味精生产中的脱色和除味[1]。不同品种的活性炭，在石油、化工、轻工、环保和制药等工业中得以广泛应用[2]。其中，木质活性炭价廉、纯度高、比表面积大、吸附能力强，在各领域的应用中备受青睐。然而，木质活性炭的生产需砍伐大量的树木，易造成森林覆盖率减少、水土流失等后果。并且在传统的生产过程中能源消耗严重，而且会排放出大量有害烟气、废液与废渣，对生态环境造成严重的影响。因此，制约了木质活性炭的生产[3]。为节约资源，寻求木质活性炭的替代原料，探索活性炭生产的新方法已成为生产木质活性炭的当务之急。

在现有的活性炭制备方法中，化学活化法主要有磷酸活化法和氯化锌活化法等。其中，氯化锌活化法的工艺成熟，应用较早，其优点是操作方便、生产工艺相对简单、原料的利用率高、产品脱色率高等，但也存在生产成本高、氯化锌回收困难、造成环境污染等问题[4]。采用磷酸作为活化剂制备活性炭，可以克服氯化锌活化在生产工艺上的不足，但该方法对生产装置要求高，一般需要耐高温磷酸腐蚀的材料，而且其制备出的活性炭中灰分含量较高，因而影响了该工艺的规模化应用和推广[5，6]。

目前，有研究报道开心果壳在ZnCl2-KCl-H2O联合法的作用下，可制备出的活性炭且有较好的中孔结构[7]，然而其炭化方法仍为高温炭化。本文以生活中可废弃且更加普遍的葵瓜子壳和花生壳为原料，经氯化锌和氯化钾混合浸渍处理后，采用能耗比高的微波辐照法使其炭化，从而制造出活性炭，并对两种活性炭的吸附能力进行比较，旨在保护环境、开发资源、实现变废为宝，寻求木质活性炭的替代原料，同时为活性炭的制造提供新的途径。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

原料：葵瓜子壳和花生壳来自农贸市场。

试剂：ZnCl2、KCl、K2Cr2O7、Na2S2O3、KⅠ、硫酸、盐酸和固体碘，均为分析纯化学试剂，购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器

UV-1100紫外-可见分光光度计、HH-2数显恒温水浴锅、SXH-140型干燥箱、TH2-82A型台式恒温振荡机、JZ-7114型粉碎机、微波炉和SXZ-10-13型电炉。

1.3 活性炭样品的制备

将市售葵瓜子壳和花生壳，洗净晒干后粉碎，过20目筛，蒸馏水煮沸0.5h后，110℃烘干后将质量为m0的原料置于40% ZnCl2和6% KCl的混合溶液中，固液比为1.0∶3.5；浸渍24h后，取出滤干，置于石英烧杯后放入微波炉中，700W的微波辐照15～20min，使果壳99%以上炭化，冷却后，用l%稀盐酸洗涤至pH中性后，110℃下烘干，研磨，用200目筛筛分，即得到活性炭产品[7-10]。称质量，记录制得的活性炭的质量m1，则活性炭产率（Y）为：

1.4 亚甲基蓝吸附值测定

1.4.1 亚甲基蓝标准曲线的绘制

分别量取浓度为100mg/L的亚甲基蓝溶液1.00、2.00、3.00、4.00、5.00mL和6.00mL置于50mL容量瓶中，用pH为7.0的磷酸盐缓冲液稀释并定容，利用分光光度计测出在665nm波长处的吸光度，以浓度为横坐标，吸光度为纵坐标绘制亚甲基蓝的标准曲线[11，12]。

1.4.2 亚甲基蓝吸附值测定与计算

称取经粉碎过200目筛的干燥活性炭样品0.100g，置于100.0mL碘量瓶中，加入浓度l 500mg/L的亚甲基蓝溶液50mL。振荡60min、过滤。取滤液0.5mL并置于50mL容量瓶中，用pH为7.0的磷酸盐缓冲液稀释并定容。利用分光光度计测出在665nm波长处的吸光度，根据标准曲线即可求得亚甲基蓝经活性炭吸附后的浓度C（mg/L），则亚甲基蓝吸附值M（mg/g）为：

1.5 碘吸附值的测定

1.5.1 Na2S2O3标准溶液浓度的计算

Na2S2O3标准溶液浓度的计算公式如下：

式（3）中，C为Na2S2O3溶液实际浓度，mol/L；C1为K2Cr2O7溶液的实际浓度，mol/L；10mL为所用K2Cr2O7溶液的体积；V表示滴定时消耗Na2S2O3溶液的体积，mL。

1.5.2 碘标准溶液浓度的计算

碘标准溶液浓度的计算公式如下：

式（4）中，C为碘标准溶液的实际浓度，mol/L；C1为Na2S2O3溶液的实际浓度，mol/L；25mL为所用碘标准溶液的体积；V表示滴定时消耗Na2S2O3溶液的体积，mL。

1.5.3 碘吸附值的测定及计算

称取经粉碎过200目筛的干燥活性炭样品0.100g，置于100mL碘量瓶中，加入10mL盐酸后加热至沸腾，沸腾30s后，冷却至室温，加入50mL碘标准溶液（浓度为C1，mol/L）；振荡30min过滤，取10mL滤液并加入250mL锥形瓶中，补水100mL，用浓度为C2（mol/L）的硫代硫酸钠标准溶液进行滴定，当溶液为淡黄色时，加入2mL淀粉溶液作为指示剂，继续滴定直至溶液变成无色，同时记下消耗的硫代硫酸钠体积V2（mL）[11-13]。碘吸附值N（mg/g）为：

式（5）中，127为碘的摩尔质量，g/mol。

2 结果与分析

2.1 活性炭的产率

根据公式（1）分别计算出制备葵瓜子壳活性炭及花生壳活性炭产率如表1所示。

表1 制备葵瓜子壳活性炭及花生壳活性炭得率

从表1可知，葵瓜子壳活性炭的产率为58.67%，花生壳活性炭的产率为46.39%，葵瓜子壳的活性炭产率比花生壳活性炭的产率高12.28%。

2.2 亚甲基蓝吸附值

亚甲基蓝吸附值和碘吸附值可反映出活性炭的吸附性能。首先需拟合亚甲基蓝和吸光度之间的回归方程，如图1所示，亚甲基蓝浓度和吸光度值的拟合度好，线性相关性强。其标准曲线的回归方程为：A=0.235C+0.187（R2=0.999）。

图1 亚甲基蓝溶液浓度（C）与吸光度（A665）的标准曲线

测定亚甲基蓝经活性炭吸附后的吸光度值，并重复试验3次。根据标准曲线的回归方程可求得经活性炭吸附后剩余亚甲基蓝溶液的浓度，如表2所示，将该浓度代入公式（2）即可求得葵瓜子壳和花生壳活性炭的亚甲基蓝吸附值分别为311.56mg/g和407.51mg/g。

表2 微波法制备活性炭样品的亚甲基蓝吸附值

从表2可以知，利用微波法制备的两种活性炭均有较高的亚甲基蓝吸附值，具有较好的应用价值。其中，花生壳所制备的活性炭吸附值明显高于葵瓜子壳所制备的活性炭，其原因可能是由于花生壳所制备的活性炭样品具有较大比表面积和较多的微孔结构[14]。

2.3 碘吸附值

测定硫代硫酸钠标准液的消耗体积，并重复试验3次。如表3所示，将碘标准液的浓度0.102mol/L、硫代硫酸钠标准液的浓度0.096mol/L以及硫代硫酸钠标准液的消耗体积代入公式（3），即可分别求得葵瓜子壳和花生壳活性炭的碘吸附值，分别为771.04mg/g和991.91mg/g。与亚甲基蓝吸附值结果一致的是，花生壳活性炭的碘吸附值明显高于葵瓜子壳活性炭。

表3 微波法制备活性炭样品的碘吸附值

3 结论

以葵瓜子壳和花生壳为原料，利用ZnCl2-KCl联合活化和微波辐照制得活性炭为活性炭的制备开辟了一条新的途径，微波法具有加热快、热效率高、便于控制、设备体积小以及环境污染小等优点。亚甲基蓝和碘的吸附试验证实了该法制得的活性炭具有较好的吸附性，该方法在保护环境、开发资源、实现变废为宝等方面具有积极的作用，有良好的应用前景。

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Study on Preparation of Activated Carbon using Microwave Method from Submerged Shells and Peanut Shells and Comparision of the Adsorption Property

Zhang Tie-jun1,Ou Xiao-ting2,Kong Ling-yi3,Ma Wen-kang1*
(1.School of Life Sciences,Guangzhou Medical University,Guangdong Guangzhou 510000;2.School of Pharmaceutical Sciences,Guangzhou Medical University,Guangdong Guangzhou 510000;3.The Third Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University,Guangdong Guangzhou 510000)

In the past,the preparation of activated carbon by using sunflower seed shell or peanut shell as raw material is activated by phosphoric acid,zinc chloride activation or potassium hydroxide activation combined with high temperature carbonization.In order to save the cost of production,reduce production time and environmental pollution,this paper explored the feasibility of activated carbon preparation by using sunflower seed shell and peanut shell as raw material,which was activation by ZnCl2-KCl and formed by microwave irradiation.Activated carbon yield of two kinds of raw materials were 58.67% and 46.39%.The adsorption capacities of two kinds of activated carbon were measured.The adsorption value of methylene blue was 311.56 mg/g and 407.51 mg/g,and the iodine adsorption value was 771.04 mg/g and 991.91 mg/g,respectively.The preparation of activated carbon by microwave method can reduce production cost,improve production efficiency,and is more economical and environment-friendly.

ZnCl2-KCl combined activation method;Microwave method;Activated carbon;Adsorption property

TQ424.1

A

2096-0387（2017）03-0009-04

国家自然科学基金（31501169）；广东省自然科学基金（2016A030310274）；广州市属高校科研项目（1201430264）；广州医科大学校级科研项目（2013C10）。

张铁军（1982-），男，江苏盐城人，博士，讲师，研究方向：生物化学与分子生物学的教学与科研。

马文康（1984-），男，湖北沙市人，研究生，实验师，研究方向：分子药理学。