ZnCl2法制備的甘蔗渣活性炭對實驗室有機(jī)廢液的吸附特性

公維潔 屈軍艷 李婉芝

摘要[目的]研究在不同條件下制得的海南甘蔗渣活性炭對有機(jī)實驗室廢水的處理能力。[方法]以ZnCl2為活化劑，采用L16（43）正交試驗法，研究以甘蔗渣為原材料制備活性炭的工藝，及其對實驗室有機(jī)廢液的吸附特性。[結(jié)果]影響活化效果的因素主次順序為ZnCl2溶液質(zhì)量濃度、料液比、活化時間。在500 ℃時最佳活化的工藝條件為活化劑ZnCl2溶液質(zhì)量濃度180 g/L、料液比1.5、活化時間60 min，在該條件下制得的甘蔗渣活性炭對有機(jī)實驗室廢液的處理效果最好，活性炭粒徑在 100～120 目為宜。[結(jié)論]該研究可為實驗室有機(jī)廢液處理提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞甘蔗渣；活性炭；有機(jī)廢液；ZnCl2活化

中圖分類號X703文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）14-0054-03

Abstract[Objective]To study the processing capacity of Hainan bagasse activated carbon on organic wastewater from under different conditions.[Method]Taking ZnCl2 as activator，using L16（43）orthogonal test，the preparation of activated carbon from bagasse as raw material，and the adsorption characteristics of organic waste liquid in the laboratory was studied.[Result]The results showed that the concentration of ZnCl2 was the most important factor to influence the adsorptive capacity of activated carbons.The optimal preparation condition was obtained as follows：activation temperature of 500℃，impregnation ratio of 1.5，activator concentration of 180 g/L and activation time of 60 min.In this condition，the bagasse activated carbon has the best performance on the treatment of liquid organic wastes and the suitable size of which was 100-120 mesh.[Conclusion]This study can provide scientific basis for the treatment of organic wastewater in laboratory.

Key wordsBagasse；Activated carbon；Organic wastewater；ZnCl2 activation

海南省是我國的甘蔗糖產(chǎn)區(qū)，蔗渣資源巨大。甘蔗渣主要組成成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，富含碳元素，是潛在的生物質(zhì)吸附劑資源[1-3]。甘蔗渣活性炭常用的制備方法有物理活化法和化學(xué)活化法[4-5]。物理活化法制備工藝條件簡單，易于操作，對設(shè)備要求不高，不會引起環(huán)境污染，通常有超聲波活化法、低溫等離子活化法、微波輻射活化法等。化學(xué)活化法可制得比表面積高、吸附性能優(yōu)良的活性炭。化學(xué)活化法常用的活化劑有酸類試劑（如H3PO4、H2SO4）、堿類試劑（如NaOH、KOH）、鹽類試劑（如ZnCl2、K2CO3）等，其中ZnCl2法是最常用的活性炭制備方法，其制備的活性炭可以改變吸附劑表面官能團(tuán)的類型和數(shù)量，還可以調(diào)控孔隙結(jié)構(gòu)，制得的活性炭產(chǎn)率高、活化溫度低等優(yōu)點[6]。因此，筆者在原有的試驗基礎(chǔ)上[7]，以ZnCl2為活化劑，采用正交試驗法系統(tǒng)地研究了甘蔗渣為原材料制備活性炭的工藝及其對實驗室有機(jī)廢液的吸附特性。

1材料與方法

1.1試驗材料試劑：ZnCl2，甲苯，苯，丙酮，乙酸乙酯，苯酚，所有試劑均為分析純。 材料：原料甘蔗渣選自海南當(dāng)?shù)馗收帷x器與設(shè)備：分析天平，奧豪斯儀器（上海）有限公司；調(diào)溫電熱套，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，金壇市盛藍(lán)儀器制造有限公司；循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；真空干燥箱，金壇市盛藍(lán)儀器制造有限公司；紫外可見分光光度計，島津企業(yè)管理（中國）有限公司。

1.2試驗方法

1.2.1甘蔗渣樣品初步處理。挑選原料甘蔗，將甘蔗皮剝掉，去節(jié)，切成小段狀，反復(fù)洗凈后放入榨汁機(jī)中將其榨成所需要的甘蔗渣。將蔗渣在水中浸泡，洗凈后再將其放到水中加熱至沸騰5～10 min，過濾，然后繼續(xù)用蒸餾水煮沸，過濾，反復(fù)操作2～3次，最后將其置于烘干箱中烘干，溫度設(shè)定在105 ℃，直至完全干燥后放入瓶中保存。

1.2.2活性炭的制備。

1.2.2.1炭粒的制取。取適量處理后的甘蔗渣，將其放入高溫碳化爐中，放置均勻，連接好裝置后設(shè)定溫度，初始溫度設(shè)為30 ℃，每隔10 min升溫1次，直至300 ℃再恒溫繼續(xù)碳化0.5 h，然后停止加熱，等溫度降低后取出炭粒，最后對炭粒進(jìn)行研磨，過120目篩，得到合格的炭粒。將高溫制得的炭粒置于干燥的環(huán)境下保存。

1.2.2.2炭粒的活化。根據(jù)單因素試驗，得出ZnCl2溶液質(zhì)量濃度、投放活化劑與炭的料液比、活化時間是影響甘蔗渣活性炭吸附性能的主要因素。因此，選定ZnCl2溶液質(zhì)量濃度、料液比、活化時間作為3個因素，每個因素再分別選定4個水平進(jìn)行L16（43）正交試驗，以制備ZnCl2甘蔗渣活性炭（表1）。

向制得的活性炭中分別加入體積、質(zhì)量濃度相對應(yīng)的ZnCl2溶液，煮沸相應(yīng)時間，冷卻后過濾，反復(fù)清洗、煮沸，直至活性炭顯現(xiàn)中性，再把含有活性炭的溶液過濾。

1.2.2.3活性炭的干燥。對制得的活性炭進(jìn)行干燥處理，然后收集。依照“1.2.2.1”“1.2.2.2”步驟制備16組活性炭。

1.2.3樣品的預(yù)處理和測定。取17份完全相同的有機(jī)實驗室廢液樣品（主要含有甲苯、苯、乙酸乙酯、丙酮、環(huán)氧氯丙烷、苯酚等有機(jī)物質(zhì)），每份30 mL，編號為0～16，其中0號為空白對照樣品，向1～16號中分別加入16份相同粒度的甘蔗渣活性炭各1 g，靜置2 h，過濾，對濾液和0號樣品以紫外可見分光光度計在波長為 200～700 nm 進(jìn)行掃描，比較相同吸收峰的變化。

1.2.4活性炭處理有機(jī)廢液。取17份完全相同的含有酯為主要有機(jī)污染物的有機(jī)實驗室廢液樣品，每份30 mL，編號為0～16，其中0號為空白對照樣品，向1～16號中分別加入上述不同條件下制得的16份相同粒度的甘蔗渣活性炭各1 g，靜置2 h，然后過濾，對濾液和0號樣品進(jìn)行紫外可見分光光度計檢測。再分別取含有苯環(huán)系、酚、酮、烷烴為主要有機(jī)污染物的實驗室有機(jī)廢液17份，每份30 mL，按“1.2.2.1”“1.2.2.2”“1.2.2.3”的方法操作。

2結(jié)果與分析

2.1正交試驗結(jié)果由表2可知，采用不同工藝條件制得的甘蔗渣活性炭吸附實驗室有機(jī)廢液效果相差較大，吸附效果最好的為A1B3C3，吸光度為0.182，吸附效果最差的為A1B1C1，吸光度為1022。由極差（R）可知，影響活性炭活化效果的因素從主到次依次為B、A、C。3個因素中，ZnCl2溶液質(zhì)量濃度對甘蔗渣活性炭吸附的影響最大，料液比次之。在活化過程中，ZnCl2通過催化脫羥基和脫水作用，使得甘蔗渣中的H、O結(jié)合生成H2O脫出，形成多孔結(jié)構(gòu)。ZnCl2質(zhì)量濃度較大，料液比較低時，可促進(jìn)甘蔗渣比表面積的擴(kuò)大，水蒸氣易脫出，ZnCl2對甘蔗渣的活化程度增強(qiáng)，可形成完全的

活性炭骨架。相比之下，活化時間的影響相對而言要弱一些。綜合各因素對甘蔗渣活性炭吸附實驗室有機(jī)廢液性能的影響，采用極差分析法對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，最終確定甘蔗渣活性炭最佳制備條件為料液比1.5，ZnCl2溶液質(zhì)量濃度180 g/L，活化時間60 min。

由圖1可知，16組不同活化條件下制得的甘蔗渣活性炭處理有機(jī)廢液的效果明顯不同，其中，料液比為1.5、 ZnCl2質(zhì)量濃度180 g/L、活化時間60 min條件下（試驗號3）制得的甘蔗渣活性炭處理后的有機(jī)廢液的吸收峰最小，也就是說該活化條件下制得的甘蔗渣活性炭處理后的廢液含有機(jī)物質(zhì)最少，處理效果最佳。

2.2不同條件下制得的甘蔗渣活性炭對實驗室有機(jī)廢液的處理效果

2.2.1對含酚類有機(jī)廢液的處理效果。從圖2可以看出，16組不同活化條件下制得的甘蔗渣活性炭對含酚類有機(jī)廢液的處理效果顯著，最下面的光譜吸收峰最小，吸收效果最

s好，其活化條件為料液比1.5、ZnCl2質(zhì)量濃度180 g/L、活化時間60 min。

2.2.2對含酮類有機(jī)廢液的處理效果。從圖3可以看出，不同活化條件下制得的甘蔗渣活性炭對含酮類有機(jī)廢液的處理效果明顯，但未呈現(xiàn)規(guī)律性變化，光譜吸收峰最小的活化條件為料液比1.5、 ZnCl2質(zhì)量濃度180 g/L、活化時間60 min，效果最佳。

2.2.3對含苯環(huán)系類有機(jī)廢液的處理效果 。圖4中沒有出現(xiàn)準(zhǔn)確的吸收峰，但是仍可以看出試驗3號的光譜吸收峰最小，其活化條件為料液比1.5、ZnCl2質(zhì)量濃度180 gl/L、活化時間60 min，效果最佳。

2.2.4對含烷烴類有機(jī)廢液的處理效果。由圖5可知，從吸收峰位置來看，16組不同活化條件下制得的甘蔗渣活性炭處理含烷烴類有機(jī)廢液的效果差別很大，活化條件為料液比1.5、ZnCl2質(zhì)量濃度180 gl/L、活化時間60 min（試驗號3），制得的甘蔗渣活性炭處理含烷烴類有機(jī)廢液的吸附效果最好。

2.2.5對含酯類有機(jī)廢液的處理效果。從圖6可以看出，活化條件為料液比1.5、ZnCl2質(zhì)量濃度180 g/L、活化時間60 min時（試驗3號），甘蔗渣活性炭處理含脂類有機(jī)廢液的吸收峰最低，處理效果最好。

3結(jié)論

以制糖廢料甘蔗渣為原料，采用ZnCl2法制備活性炭，通過正交試驗得出制備甘蔗渣生物質(zhì)活性炭的最佳工藝組合。在活化溫度500 ℃的工藝條件下，ZnCl2溶液質(zhì)量濃度180g/L，料液比1.5，活化時間60 min，所得甘蔗渣活性炭處理實驗室有機(jī)廢液的效果最佳。在所選擇的活化時間、料液比、ZnCl2質(zhì)量濃度等試驗因素中，ZnCl2溶液質(zhì)量濃度在試驗中起決定性作用，它對活性炭的吸附性能影響最大。此

外，該條件制得的甘蔗渣活性炭對不同種類的有機(jī)實驗室廢液均有良好的吸附性。因此，用甘蔗渣處理實驗室有機(jī)廢液操作簡單，成本低，效果明顯，具有較好的應(yīng)用前景。

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