莲蓬壳活性炭的制备及应用

杨晓冉李凌凌王逸赵彬

(1.安徽省生态环境监测中心，安徽 合肥 230071；2.武汉科技大学化学与化工学院，湖北 武汉 430081)

我国是农业大国，每年都有大量的农林废弃物产生[1]。近年多项研究表明，植物原材料具有特有的多孔结构，有利于活化剂的渗透，且原材料中的纤维素和木质素含碳量高，可以较容易制作出优良的活性炭[2]。而活性炭具有的发达孔隙结构可广泛地应用于水净化处理。长江以南地区有着丰富的湖泊淡水资源，莲的产量较大，莲蓬除去莲子后的莲房占到莲蓬全重的60%～75%，除用于中药的制作，大多数莲蓬壳都被丢弃，未能被很好的利用。本实验采用废弃的莲蓬壳作为制作活性炭的原材料，活化炭化制取比表面积较大的活性炭，对水中重金属和有机物有良好的吸附能力。既可变废为宝，大大提高了莲的综合利用率，又能达到保护环境与促进农业资源再利用的目的。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

主要试剂和原料：莲蓬壳，产自安徽巢湖湿地；亚甲蓝，天津致远；六价铬，环境保护部标准样品研究所。

主要仪器：TM-2010P马弗炉，上海盈安美诚科学仪器有限公司；UV2700可见-紫外分光光度计，日本岛津公司；Xevo TQ-S三重四极杆质谱，美国waters公司；SHZ-P循环式真空泵，巩义市英峪予华仪器；ME204E电子天平，梅特勒；S210型pH计，梅特勒；HSJ-6A恒温水浴振荡器，江苏科析仪器有限公司；Milli-Q Integral5超纯水系统，法国/默克密理博；TS-14S恒温磁力搅拌器，上海沉汇仪器；MicrometicsASAP-2020比表面积测定仪，上海麦克仪器；GZX-9420MBE电热恒温鼓风干燥箱，上海博迅实业有限公司。

1.2 莲蓬壳活性炭的制备

莲蓬壳粉的制备，取适量晒干后的莲蓬壳，清洗除去灰尘和少量残留的莲子，放入80℃干燥箱中烘至恒重，用高速粉碎机粉碎，用60目标准检验筛进行筛分并收集莲蓬壳粉；活化，将莲蓬壳粉分别与4种活化剂(KOH、K2CO3、H3PO4、ZnCl2)按一定的配比(1∶0.5、1∶1、1∶1.5、1∶2)混合，置于磁力搅拌器上搅拌一定的时间(2h、3h、4h、5h)后，真空抽滤分离；热解炭化，将活化好的莲蓬壳粉于干燥箱中烘至恒重，放入马弗炉中，升温至250℃、350℃、450℃、550℃，保温0.5h、1h、2h、3h后取出，待降至室温后，用纯水浸泡清洗后真空抽滤，反复多次将活性炭粉洗至中性，干燥箱中烘干至恒重。收集粒径小于200目的活性炭粉末，装入带盖的洁净干燥玻璃瓶中备用。见图1。

图1 莲蓬壳活性炭的制作流程

1.3 实验方法

1.3.1 莲蓬壳活性炭对亚甲蓝吸附值的测定

参照煤质颗粒活性炭试验方法对亚甲蓝吸附值进行测定[3]，使用分光光度计于波长665nm处测定吸光值，根据公式(1)计算亚甲蓝吸附值。

Qe=(C0-Ce)×V/m

(1)

式中，C0为吸附质的初始浓度，mg·L-1；Ce为吸附后吸附质的浓度，mg·L-1；V为溶液的体积，L；m为吸附剂的用量，g。

1.3.2 莲蓬壳活性炭对六价铬的吸附实验

参照二苯碳酰二肼分光光度法对六价铬进行测定[4]，在酸性溶液中，Cr(VI)与二苯碳酰二肼反应生成紫红色络合物，使用分光光度计在波长540nm处测定吸光值，并根据公式(1)计算六价铬的平衡吸附量。

1.3.3 莲蓬壳活性炭对微囊藻毒素(MC-LR)的吸附实验

参照高效液相色谱串联质谱法采用四级杆质谱仪对微囊藻毒素(MC-LR)进行测定[5]。

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果

莲蓬壳粉的活化和炭化步骤对制备的活性炭吸附性能有较大的影响，因此对活化剂种类、活化剂配比、活化时间、炭化温度和炭化时间5因素4水平进行正交试验，通过对亚甲蓝吸附值进行测定，确定各因素对莲蓬壳活性炭吸附性能的影响。本实验设计L16(45)正交表，各因素水平如表1所示，试验结果如表2所示。其中，K为不同因素相同水平的均值，极差为相同因素不同水平的均值中最大值与最小值之差。

表1 莲蓬壳活性炭正交试验因素水平表

从表2可以看出，极差值最大的是炭化时间和炭化温度，因此这2个因素是影响莲蓬壳活性炭吸附量的关键因子，其次是活化时间、活化剂种类和活化剂配比。通过对均值的比较可以看出，A4B2C2D1E3为最优制备条件。即在活化剂为氯化锌且与莲蓬壳粉配比为1∶1.5，活化时间为3h，在350℃下炭化0.5h，制得的活性炭对亚甲蓝吸附值最高。

表2 正交试验结果表

2.2 莲蓬壳活性炭的表面特征

通过对莲蓬壳活性炭进行扫描电镜分析，如图2所示，活性炭SEM图中有大量无定型颗粒，具有较多的片层状堆叠结构，导致其比表面积较大，可以对污染物有较好的吸附作用。

图2 莲蓬壳活性炭的SEM图

2.3 莲蓬壳活性炭对水中六价铬的吸附作用

配制浓度为30mg·L-1的六价铬溶液，活性炭投加量为1g·L-1，在20℃充分振荡反应，每隔一定的时间取样过滤后测定滤液中剩余的六价铬浓度，计算处理效率和吸附量。如图3所示，反应的前50min吸附量随时间快速上升，之后缓慢增长，并在120min左右接近平衡。主要原因是吸附初期莲蓬壳活性炭内部的孔隙率较高，有利于吸附的进行。最大平衡吸附量为29.3mg·g-1，处理效率为97.7%。

图3 莲蓬壳活性炭对水中六价铬的吸附

2.4 莲蓬壳活性炭对微囊藻毒素的吸附作用

配制浓度为400μg·L-1的微囊藻毒素(MC-LR)溶液，莲蓬壳活性炭投加量为1g·L-1，在20℃充分振荡反应，每隔5min取样过滤，测定滤液中剩余的MC-LR浓度。如图4所示，在吸附反应的25min左右莲蓬壳活性炭对微囊藻毒素(MC-LR)的吸附效率接近100%。

图4 莲蓬壳活性炭对MC-LR的吸附

3 结论

莲蓬壳活性炭的最佳制备条件是活化剂为氯化锌且与莲蓬壳粉配比为1∶1.5，活化时间为3h，在350℃下炭化0.5h，制得的活性炭对亚甲蓝吸附值最高。

莲蓬壳活性炭对水中的六价铬和微囊藻毒素(MC-LR)有良好的吸附能力，在20℃，投加量为1g·L-1时，对30mg·L-1的六价铬溶液的最大吸附效率为97.7%，平衡吸附量为29.3mg·L-1；对400μg·L-1的MC-LR溶液的处理效率接近100%。