核桃壳制备活性炭技术在实验教学中的应用

李树娜, 方振华, 朱 刚, 霍燕燕, 刘 振, 赵春宝

(西安文理学院 化学工程学院, 陕西 西安 710065)

活性炭是一种优良的多孔吸附材料,具有比表面积高、孔隙发达、化学性能稳定及制造成本低等优点,被广泛应用于空气净化、工业吸附、化工分离及膜分离等领域[1-4]。最初,国内外主要以煤和木材等为原料制备活性炭。但随着能源危机、环境污染及木材短缺等问题的日益突出,利用来源广泛的农林废弃物如秸秆、稻壳、果壳等作为原料制备活性炭成为研究热点[5-8]。在众多农林废弃物中,核桃壳(核桃取仁之后的废弃物)具有固定碳含量高、挥发性成分多、灰分少等特点,是制备活性炭的良好原料[9-12]；并且我国核桃总产量位居世界前列,大量核桃壳的焚烧或丢弃,造成了资源的极大浪费。

本文结合究成果，将核桃壳制备活性炭技术纳入无机材料合成实验课堂教学,增加了实验项目的趣味性、探索性和研究性,能够激发学生的学习兴趣、科研热情和创新意识,提升学生的综合实践技能。

1 实验

1.1 实验药品与仪器

试剂药品：西安本地核桃壳；氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸和亚甲基蓝，都为分析纯,国药集团化学试剂有限公司。

仪器：超声波清洗机(宁波新芝生物科技股份有限公司)；循环水真空泵(上海亚荣生化仪器厂)；密封型手提式粉碎机(广州市多顺机械设备有限公司)；电热鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)；箱式高温烧结炉(合肥科晶材料技术有限公司)；双光束紫外可见分光光度计(上海元析仪器有限公司)。

1.2 实验内容

(1) 核桃壳基活性炭的制备。首先,将核桃壳用蒸馏水反复清洗,去除杂质,烘至绝干,粉碎,过筛；然后,将10～20目的核桃壳颗粒放入炭化炉中,以10 ℃/min的升温速率升温至400 ℃,并保温1 h,冷却至室温后取出,制得核桃壳炭化料。

分别配制一定浓度的KOH、NaOH、H3PO4和ZnCl2溶液,并按照一定比例将其分别与核桃壳炭化料均匀混合,室温下浸渍处理24 h,放于110 ℃电热鼓风干燥箱中干燥至质量恒定；然后,将浸渍的混合物在马弗炉中活化,以10 ℃/min的升温速率升温至一定温度,并保持一定时间；最后,将活化得到的样品用蒸馏水洗涤至pH值接近7,于110 ℃下干燥4 h,得到核桃壳基活性炭,分别记为活性炭-KOH、活性炭-NaOH、活性炭-H3PO4和活性炭-ZnCl2。

(2) 活性炭的分析与表征。活性炭的表面形貌在JSM-7001F扫描电子显微镜上观测,工作电压200 kV,粉末样品用导电胶粘到观察台上。

(3)活性炭对亚甲基蓝的吸附性能测试。配制一定浓度的亚甲基蓝溶液,并将一定量的上述核桃壳基活性炭放入亚甲基蓝溶液中,在40 ℃下超声振荡30 min,过滤；用紫外可见分光光度计测量滤液的吸光度,然后通过标准曲线算得滤液中亚甲基蓝的浓度[5]。活性炭样品对亚甲基蓝的吸附率。计算公式如下：

吸附率=100%×(C0-Ct)/C0

式中：C0为吸附前亚甲基蓝溶液的浓度,mg/L；Ct为吸附后亚甲基蓝溶液的浓度,mg/L。

2 实验结果及分析

2.1 亚甲基蓝溶液标准曲线的绘制

室温下,配制1、2、3、4、5 mg/L的亚甲基蓝标准溶液,用紫外可见分光光度计在665 nm波长下分别测定各溶液的吸光度,并绘制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

2.2 活性炭的表面形貌表征

图2是以KOH为活化剂的核桃壳基活性炭扫描电镜照片。由图2可以看出,活性炭的表面呈现出凹凸不平的表面形貌和许多大小不规则的空隙结构,因此具有一定的吸附能力。

图2 以KOH为活化剂的核桃壳基活性炭扫描电镜照片

2.3 活性炭吸附亚甲基蓝的性能测试

2.3.1 活化剂对核桃壳基活性炭吸附性能的影响

分别称取一定量的活性炭-KOH、活性炭-NaOH、活性炭-H3PO4和活性炭-ZnCl2,并将其分别放入相同浓度的亚甲基蓝溶液中,在40 ℃下超声振荡30 min,过滤；用紫外可见分光光度计测量滤液的吸光度,并根据图1的标准曲线计算各样品对亚甲基蓝的吸附率,考察活化剂对活性炭样品吸附性能的影响。图3给出了各活性炭样品的亚甲基蓝吸附率计算结果。由图3可以看出,活化剂对活性炭的吸附性能影响显著，其中,用KOH为活化剂制得的核桃壳基活性炭对亚甲基蓝的吸附率最高,表明其吸附效果最好。

图3 不同活化剂制得的活性炭吸附亚甲基蓝性能比较

2.3.2 KOH与炭化料质量比对核桃壳基活性炭吸附性能的影响

保持其他活化条件不变,进一步考察活化剂KOH与炭化料质量比对核桃壳基活性炭吸附性能的影响。表1给出了各样品对亚甲基蓝吸附率的计算结果。由表中数据可知,随着活化剂KOH与炭化料质量比的增加,活性炭对亚甲基蓝的吸附率先增加后减小,当质量比为2∶1时,对亚甲基蓝的吸附率最高。

表1 活化剂KOH与炭化料质量比对核桃壳基活性炭吸附性能的影响

2.3.3 活化时间对核桃壳基活性炭吸附性能的影响

选择活化剂KOH与炭化料质量比为2∶1时制得的活性炭为研究对象,进一步考察活化时间对活性炭样品吸附亚甲基蓝性能的影响。图4为不同活化时间制得的活性炭亚甲基蓝吸附率计算结果。由图4可知,随着活化时间的延长,活性炭对亚甲基蓝的吸附率呈现先增加后减小的趋势,活化时间为90 min时得到的活性炭吸附效果最好。90 min之前,随着活化反应的进行,活性炭的比表面积和孔容积逐渐增加,吸附性能增强；90 min之后,随着活化反应的进行,可能会引起活性炭的过度烧蚀,并造成部分孔隙塌陷,所以活性炭的吸附性能不断下降。

图4 活化时间对核桃壳基活性炭吸附性能的影响

2.4 实验拓展

可进一步考察浸渍时间、浸渍温度及活化温度等对核桃壳基活性炭吸附亚甲基蓝性能的影响。此外,还可引导学生以花生壳、杏壳、桃壳及柳絮等为原料制备活性炭,并考察制备原料对活性炭吸附亚甲基蓝及有机大分子维生素B12等性能的影响,从而获取性能优良的活性炭材料。

3 教学特色

该实验将教师的科研成果纳入课堂教学，并结合目前的能源问题、环境问题及生物质转化利用等科研热点,能激发学生的研究兴趣,培养学生的科研素养,锻炼学生的实践动手能力。该实验以小组(每组4～5人)方式进行,首先,在实验开始前,要求每组学生查阅文献资料,设计并提交各自实验设计及样品表征方案；之后,实验教师对每组学生的设计方案进行审阅,指出其中的问题,并指导学生修改完善；最后,学生按照设计的实验方案制备活性炭样品,并对制得的样品进行分析表征及吸附性能测试,对得到的数据进行分析,集体探讨活性炭的处理条件与其吸附性能之间的关系。该实验要求学生独立设计实验方案、制备活性炭样品并用紫外可见分光光度计进行吸附性能测试,充分锻炼了学生的实验设计能力和实践动手能力,强化了学生的综合实践技能。

4 结语

生物质的转化利用是当前的研究热点,活性炭在环境保护、气体吸附、医疗及催化等领域有重要应用。该实验将废弃的核桃壳转化为活性炭,涵盖活性炭的制备、表征及吸附性能测试等多方面的内容；具有与实际生活联系紧密、研究因素多、新颖性、趣味性及实用性兼具的特点,能激发学生学习兴趣,锻炼学生的综合实验技能,为创新思维的形成提供良好的基础。