咖啡渣活性炭的制备及吸附性研究

熊尧 姚明宇 李建宇

摘要    本文以现磨咖啡的废弃渣为材料，采用K2CO3活化法来制备咖啡渣活性炭，考察K2CO3用量、活化时间、温度、氮流量等因素对活性炭得率及咖啡渣活性炭对亚甲基蓝的吸附能力，并且对部分活性炭进行了显微镜（SEM）和元素分析的表征。结果表明，采用K2CO3活化法能够有效制备咖啡渣活性炭，最高得率是26.88%，对亚甲基蓝的最大吸附率为450.0 mg/g，最适宜的K2CO3活化比、活化时间、温度、氮流量分别为1∶1、1.5 h、800 ℃、40 cm3/min。

关键词    咖啡渣;活性炭;得率;吸附能力

中图分类号    TQ424.1        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2020）04-0149-02                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

近年来，咖啡销售量逐年增高，咖啡渣在全世界的年产量约600万t[1]。中国咖啡市场消费量稳定增长，2016年中国咖啡消费总量为2 698.10万t，2017年为3 480.45万t，到2018年达到3 642.86万t。据伦敦国际咖啡组织统计，与全球平均2%的增速相比，中国咖啡消费正在以每年15%的速度增长。预计到2025年，中国将成长为1万亿元的巨型咖啡消费帝国。在生产速溶咖啡的过程中，咖啡干豆经加工后，其重量的2/3为咖啡渣[2]。咖啡渣的处理方式一般为燃烧法及填埋法，并未对其进行有效的回收利用[3]。这种方式在浪费人力物力资源的同时，也会带来新的環境污染[4]。因此，亟待寻找新的途径来解决废弃咖啡渣日益严重的环境问题，咖啡渣资源化利用成为当今研究的新热点。

1    材料与方法

1.1    试验材料

咖啡渣，收集于四川省绵阳市星巴克咖啡厅。采集的咖啡渣经反复洗涤，循环水冲洗至液体清澈，放入70 ℃DHG-9023A电热恒温鼓风干燥箱，24 h后取出，待用。

1.2    试验设计

1.2.1    K2CO3用量对咖啡渣活性炭得率及吸附率的影响。设K2CO3与咖啡渣的质量比分别为1.0∶5.0、1.0∶4.0、1.0∶3.0、1.0∶2.0、1.0∶1.0、1.5∶1.0、2∶1、2.5∶1.0，以活性炭得率和活性炭吸附性为考察指标，考察其对活性炭的影响。

1.2.2    活化温度对活性炭得率及吸附率的影响。设定活化温度分别为600、700、800 ℃，以活性炭得率和活性炭吸附性为考察指标，考察其对活性炭的影响。

1.2.3    活化时间对活性炭的影响。设定活化时间分别为1.0、1.5、2.0 h，以活性炭得率和活性炭吸附性为考察指标，考察其对活性炭的影响。

1.2.4    氮流量对活性炭的影响。设定氮流量分别为40、60、80 cm3/min，以活性炭得率和活性炭吸附性为考察指标，考察其对活性炭的影响。

1.3    咖啡渣的炭化处理

将每一组25 g咖啡渣与一定比例的K2CO3固体颗粒混合均匀，置于高温管式炉（英国，LENTON）中，按设置的炭化条件，进行烧制。将烧制好的粗样品反复用70～80 ℃蒸馏水在布氏漏斗上洗涤，至洗出液pH值6.0～7.0，置于70 ℃烘箱，24 h后取出。将其研磨，过200目筛，筛出的样品用于测定其结构和性质。

1.4    样品吸附性能测定方法

按照GB/T 12496.10—1999进行活性炭对亚甲基蓝溶液吸附性的测定。

亚甲基蓝溶液的配制：称取1.500 g亚甲基蓝固体颗粒，于60～70 ℃缓冲溶液中溶解，冷却至室温，过滤于容量瓶内，用缓冲溶液加至标线。称取0.100 g活性炭，用移液枪吸取5 mL亚甲基蓝溶液，滴入活性炭中，振荡20 min。若溶液变透明，则继续滴加亚甲基蓝;若溶液颜色与4 g CuSO4·5H2O溶于1 000 mL水中的颜色相近，则可用紫外分光光度计（上海，元析仪器）在665 nm下测定吸光度。若超过硫酸铜溶液吸光值的1.5倍或低于0.5倍，则重新测定吸附值。

亚甲基蓝吸附值按下列公式计算：

A=V×C

式中：A为亚甲基蓝吸附值，mg/g;V为活性炭消耗亚甲基蓝的体积，mL;C为亚甲基蓝的浓度，mg/mL。

1.5    数据处理与分析

用SPSS 17.0软件进行统计分析，采用单因素方差分析检验，用Excel 2018作图。

2    结果与分析

2.1    K2CO3用量对咖啡渣活性炭得率及吸附率的影响

如图1所示，随着K2CO3质量从5 g增加到62.5 g，样品得率呈现上升—下降—上升的趋势，这是因为前几组活化剂用量低，咖啡渣的挥发分未被活化剂充分活化成炭，故随活化剂量增大，炭得率也增大。而活性炭得率在 K2CO3质量为12.5～50.0 g时，由于过多的K2CO3进行化学活化反应时生成了CO，使C以CO的形式释放[5]，故得率降低。将活化剂用量增加到62.5 g时，释放的CO对具有物理活性的CO2起稀释作用，促进其对碳骨架进行更均匀、温和的刻蚀造孔和扩孔反应[6]，从而减少了碳的烧失，因而得率升高。如图2所示，随着活化剂质量的增加，样品对亚甲基蓝的吸附性能逐渐增加，其中亚甲基蓝吸附值最高为30 mg/g，最低为13.125 mg/g，由此可见，随着质量比的增加，亚甲基蓝吸附值增加量小，活化剂用量对活性炭吸附性能的影响不显著。

从图1、2可以看出，活化比对得率和活性炭吸附能力的影响趋势参差不齐。因此，设计2组质量比（1∶2、1∶1）来探究其他因素对活性炭的影响。

2.2    活化温度对活性炭得率及吸附率的影响

如图3、4所示，亚甲基蓝吸附值随活化温度的增加而增大，样品得率则是随着温度的增加而减小。活化温度从600 ℃增加到800 ℃，2组亚甲基蓝吸附值几乎呈现线性增长，说明温度对活性炭的吸附性能有很大的影响。这是因为碳酸钾在高温条件下与咖啡渣进行炭化，产生单质钾和CO2，从而产生造孔作用，有利于炭孔的形成。此外，当温度达到单质钾的沸点762 ℃时，钾会挥发且扩散进炭层[7]，对炭有刻蚀作用，使其形成发达孔隙，提高了咖啡基活性炭的吸附性。2组活性炭得率随着温度的增长而减小，这一结果与Gurten等[8]的结果一样，这是因为活化温度升高，原料发生脱水，气化和消除反应越强烈，导致有机挥发分的释放量增大，故而产率降低。因此，可得出结论，温度对活性炭得率及吸附率的影响非常大。

2.3    活化时间对活性炭得率及吸附率的影响

如图5、6所示，在活化剂质量比为1∶2时，亚甲基蓝吸附值随活化时间的增长而降低，得率则先升高后降低。这是因为在该活化剂量下咖啡渣未被完全活化，且时间越长炭孔就越会出现烧失和拓宽，导致活性炭吸附性和得率的降低。在活化剂质量比为1∶1时，亚甲基蓝吸附值随活化时间的增长而升高，得率则降低。在质量比为1∶1时，其亚甲基蓝吸附性低，但是处于上升阶段，故随着时间的增长，活化剂发生化学反应所产生的气体会起到造孔作用，从而使亚甲基蓝吸附性增大;在质量比为1∶1时，活性炭得率低，并且正处于下降阶段，故随时间的增长，炭孔的烧失程度增大，其得率也就降低。从图中可以看出，得率和吸附率在活化时间的影响下变化小，故活化时间是次要因素。

2.4    氮流量对活性炭的影响

如图7所示，碳酸钾与咖啡渣质量比为1∶2时，随着氮流量的增加，得率逐渐降低，这是因为活化剂的用量不够，咖啡渣未被全部活化，造成得率低。在1∶1时，由于活化剂适量，因而发现氮流量对活性炭的影响很小。从图8可以看出，活性炭对亚甲基蓝的吸附能力随氮流量的增加未发生较大变化，故可以得出结论，氮流量对活性炭的影响很小。

3    结论与讨论

本研究利用废弃咖啡渣为前体，以碳酸钾为活化剂，经物理化学一步法制备活性炭[9-12]。制备高吸附性能咖啡渣的最佳活化参数为：质量比1∶1，活化温度800 ℃，活化时间1.5 h，氮流量40 cm3/min，在最佳活化条件下，亚甲基蓝吸附值为450 mg/g，远大于《木质净水用活性炭》（GB/T 13803.2—199

9）一级品标准（亚甲基蓝吸附值为135 mg/g）。其中，活化温度对活性炭吸附性能的影响最大。

4    参考文献

[1] MUSSATTO S，BALLESTERROS L，MARTINS S，et al.Extraction of antioxidant phenolic compounds from spent coffee grounds[J].Separation and Purification Technology，2011，83：173-179.

[2] 马成愚，张晏静，查向浩，等.KOH活化咖啡渣制备活性炭及其孔结构的影响[J].应用化工，2017，46（12）：2412-2415.

[3] 任杰，孙水裕，韩大健，等.咖啡渣制备活性炭工艺及其吸附性能[J].环境科学学报，2016，36（11）：4127-4136.

[4] 孙启雅，孙悦，张可心，等.咖啡渣去除水中亚甲基蓝性能的研究[J].高师理科学刊，2018，38（6）：49-54.

[5] 陈涵.采用碳酸钾活化法制备油茶壳活性炭[J].福建农林大学学报（自然科学版），2013，42（1）：110-112.

[6] 陈燕丹，陈卫群，黄彪，等.草酸钾与碳酸钾活化法制备红麻秆芯活性炭及其性能比较[J].华中师范大学学报（自然科学版），2012（6）：705-709.

[7] 彭宏，张帅，武李茜，等.木屑型香菇菌菌渣活性炭及其制备方法[J].安全与环境学报，2014，14（6）：210-214.

[8] GURTEN I I，OZMAK M，YAGMUR E，et al.Preparation and characteri-sation of activated carbon from waste tea using[J].Biomass and Bioenergy，2012，37：73-81.

[9] CHING S L，YUSOFF M S，AZIZ H A，et al.Influence of impregnation ratio on coffee ground activated carbon as landfill leachate adsorbent for removal of total iron and orthophosphate[J].Desalination，2011，279（1-3）：225-234.

[10] PASAKORN，JUTAKRIDSADA，CHONTICHA，et al.Adsorption chara-cteristics of activated carbon prepared from spent ground coffee[J].Clean Technologies&Environmental Policy，2016，18（3）：639-645.

[11] 馬晓东，欧阳峰，申东美，等.生物基质活性炭对挥发性有机物的吸附[J].环境工程学报，2013（6）：300-304.

[12] MEKARZIA A，NAMANE A，BENRACHEDI K，et al.Chemical produc-tion and characterisation of activated carbon from waste′coffee grounds′[J].International Journal of Environment and Waste Management，2013，12（2）：154-166.