番茄秸秆制备生物活性炭的相关研究

王淼　孙晓丽　刘金秀

摘 要：以番茄秸秆为原材料，通氮气制备番茄生物活性炭。结果表明，番茄秸秆在温度为200℃时，活性炭产率最高，此后随着温度的增高灰分含量逐渐升高;在温度达到500℃时，番茄秸秆制备的生物炭pH值达到峰值;红外光谱发现，生物炭的制备是“软碳质”到“硬碳质”的过程，在较高温度下制备的生物炭可能具有较高的稳定性;随着温度的升高，比表面积增加，在较低热解温度条件下，生物炭的孔隙度升高。

關键词：番茄秸秆;生物活性炭;pH值;灰分含量

我国每年数以吨计的农作物秸秆就地焚烧，给环境造成了较大的负担。现阶段，国内外学家提出制备生物炭这一方案用以解决农作物秸秆的回收与利用。一方面其制造成本低廉，一方面活性炭用途广泛，可在医药、食品等方面继续发挥作用。本文即是以番茄秸秆为原材料，对其制备生物活性炭进行研究。

1 实验

1.1 器材及材料

器材：管式气氛炉、比表孔面积及孔径测量仪、电子天平、傅里叶气象光谱仪、pH值测量仪、电热恒温鼓风干燥箱、通风橱、紫外分光光度计、马弗炉、密封袋、研钵、剪刀、坩埚、干燥器。

材料：番茄秸秆、蒸馏水、氮气、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、硼砂。

1.2 实验过程

1.2.1 预处理

取番茄秸秆的主要枝干，对其进行冲洗;后用剪刀剪至1-2cm左右的长度;先自然风干2天后放置于干燥箱105℃下干燥12h;粉碎干燥的秸秆并称重，将大小一致的颗粒装袋密封标记。

1.2.2 制备过程

①管式炉预热烘炉，4h由室温升至200℃、2h 200℃-400℃、2h400-600℃（注意事项：管式炉每天都使用时无需再次烘炉;若隔三天未使用，则需再次烘炉）;②番茄秸秆炭化，取2.0g番茄秸秆放入管式炉，通入氮气保护气，速率为1L/min，方式为从左到右水平通入，全过程保护气不停止通入并稳定通入量;200℃烘干秸秆1h，去除水分;40min内升至200℃，再以10℃·min-1的速度升至设定温度;在炭化温度炭化2h;最后，降至室温后取出产品并保存于干燥器中。

1.2.3 计算番茄秸秆制备生物活性炭的产率、灰分

1.3 表征

pH值检测，200℃～600℃生物炭水溶液的配置与pH值测定;绘制pH值和温度的曲线;红外光谱分析。用傅里叶变换红外光谱仪测定生物炭的红外光谱;根据频率确定组成成分;比表面积及孔径测量。

2 结果与讨论

2.1 番茄秸秆制备生物活性炭的产率、灰分

选取0.30g番茄秸秆活性炭成品，置于干燥箱中于110℃干燥1h，将刚玉舟在800℃灼烧20min，待刚玉舟冷却后加入干燥好的试样，将刚玉舟和试样加热至800℃灼烧2h，干燥器中冷却至室温后进行灰分称重。

由表1得，番茄秸秆在温度为200℃时，产率最高;随着温度的增高灰分含量逐渐升高。

2.2 温度对番茄秸秆制备生物炭pH值的影响

本研究以不同温度烧制而成的番茄活性炭加入蒸馏水煮沸30min后检测其pH值，如表2。

由表2可得，番茄秸秆制备的生物炭pH值在500℃时达到峰值。绘制成番茄活性炭的pH值和温度的曲线如图1。

2.3 番茄秸秆活性炭红外光谱分析

将番茄秸秆原料以1：700与溴化钾混合，放入玛瑙研钵中，研磨充分;将研磨好的样品取少量均匀的铺在压片模具中，在压力20MPa下压片1min后取下;放入傅立叶红外测量仪中检测;300℃-600℃生物炭样品分别重复以上步骤，绘制红外光谱图。如图2。

由图2，生物炭的制备是“软碳质”到“硬碳质”的过程，在较高温度下制备的生物炭可能具有较高的稳定性。

2.4比表面积及孔径测量

热解温度在300℃～600℃范围内，随着温度的升高，比表面积增加，同温度条件下微孔结构的发育和中孔含量逐渐增加的趋势有关。

3 讨论

结果表明，番茄生物炭产率最高是在温度为200℃时，此后随着温度的增高灰分含量逐渐升高;在温度达到500℃时，番茄秸秆制备的生物炭pH值达到峰值;根据红外光谱发现，生物炭的制备是“软碳质”到“硬碳质”的过程，在较高温度下制备的生物炭可能具有较高的稳定性;随着温度的升高，活性炭的比表面积增加，在较低热解温度条件下，生物炭的孔隙度升高。

参考文献：

[1]蔡金玲，李二平，胡晴，陈浩云，余志元，周强，Liang Jin.秸秆——污泥基活性炭的制备及其对吸附Pb～（2+）的研究[J].工业水处理，2019，39（05）：53-57.

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