磷酸微波法制备梧桐树叶活性炭及其性能研究

磷酸微波法制备梧桐树叶活性炭及其性能研究
吕春芳;王婕;高盼盼
【摘要】Activated carbons were prepared from the Chinese parasol leaves,using phosphoric acid activa-tion and microwave irradiation to get. The influence of microwave power,irradiation time,the concentration of phosphoric acid,liquid-solid ratio,etc. on activated carbon adsorption properties were studied. The re-sults show that the optimal process for preparation are obtained as following:microwave power is 640 W, irradiation time is 280 s,liquid-solid ratio is 7: 1(mL/ g),phosphoric acid concentration is 60% . The io-dine value of activated carbon is 451. 88 mg / g,methylene blue value is 15. 126 2 mg / g. This activated carbons is used to treat municipal wastewater,and the effect of adsorption is satisfactory.%以梧桐树叶为原料，采用磷酸活化，微波辐照的方法制备活性炭，设计正交实验以考察微波功率、活化时间、磷酸浓度、液固比等因素对活性炭吸附性能的影响。

结果表明，最佳工艺参数为：微波功率640 W，活化时间280 s，液固比7：1
（mL/ g），磷酸浓度为60％。

该条件下制备的活性炭的碘值为451.88 mg/ g，亚甲基蓝值为15.1262 mg/ g。

用其处理城市生活污水，取得了很好的效果。

【期刊名称】《应用化工》
【年(卷),期】2014(000)005
【总页数】3页(P824-826)
【关键词】梧桐树叶;磷酸;微波;活性炭
【作者】吕春芳;王婕;高盼盼
【作者单位】长安大学环境科学与工程学院，陕西西安 710054;西安工程大学环境与化学工程学院，陕西西安 710048;长安大学环境科学与工程学院，陕西西安710054
【正文语种】中文
【中图分类】TQ424.1
在我国很多城市，梧桐树给道路绿化做出巨大贡献，然而，随着深秋季节的到来，大量的梧桐树叶落满街头，如何正确的处置这些天然废物，给环保部门和清洁人员都带来一定的困扰。

树叶富含木质素、纤维素、半纤维素和硅等化合物，因此，可以考虑利用梧桐树叶制备活性炭，以实现废物资源化效应。

由于活性炭微观结构复杂［1-2］，尤其是天然生物细胞纤维结构的多样性，直接影响到活化后活性炭的孔隙大小和形状［3-4］，以及树叶自身含碳量及传统制备方法的缺陷，影响了活性炭的性能。

研究表明，向其中引入性能良好的活化剂可大大提高活性炭的吸附性能［5］。

Menendez等［6］对微波制备活性炭的可行性进行了研究，取得了良好的效果。

结合植物本身的特性以及微波辐照的优势，微波法制备植物类活性炭被证实是一种颇有成效的好方法［7］。

通常制备活性炭的方法有化学活化法、物理活化法、化学物理法。

物理活化法虽然污染小，但活性炭的性能较差。

化学活化法具有活化时间短、活化反应易控制、产物比表面积大等优点，成为现今高性能活性炭的主要生产方法［8］。

本研究采用微波加热和化学活化中的磷酸活化结合的方法制备活性炭，通过正交实验系统地对梧桐树叶制备活性炭的工艺进行研究。

考虑到微波环保技术是微波处理
技术与环境资源回收利用技术的新兴交叉技术［9-14］。

它具有选择性加热、加
热速度快且均匀、节能省电、效率高、统时间仅需传加热方式的几分之一或几十分之一的特点，以此来制备性能良好的梧桐树叶活性炭，并对其吸附性能进行研究。

1 实验部分
1.1 原料与仪器
街道道路两旁的梧桐树落叶;磷酸、亚甲基蓝、碱性湖蓝、可溶性淀粉、碘、碘化钾、硫代硫酸钠均为分析纯。

SVM-1124N微波炉;DHZ-2电热恒温振荡水槽;CMD-20x电热恒温鼓风干燥
箱;AG285电子分析天平;V-1100可见分光光度计。

1.2 实验方法
将梧桐树叶洗干净，于105℃左右烘干24 h，粉碎过2 mm筛。

一定量的干树叶将其浸泡在磷酸溶液中2 d，沥干后进行微波辐照，将产物洗涤至中性，烘干后将样品密封保存。

按GB/T 12496.8—1999和GB/T 12496.10—1999标准分析方
法测定碘吸附值和亚蓝吸附值。

2 结果与讨论
2.1 正交实验设计
以碘吸附值为评价标准，对活性炭性能影响较大的4个因素微波功率、活化时间、磷酸浓度、液固比进行4因素3水平正交实验，因素水平见表1，结果见表2。

表1 因素水平表Table 1 Factors and levers tableA B C D水平微波功率/W活
化时间/s液固比/(mL·g－1)磷酸浓度/%1 480 260 3 40 2 640 280 5 60 3 800 300 7 80
表2 正交实验结果Table 2 Results of orthogonal tests1 1 1 1 1 294.88 2 1 2
2 2 414.1
3 3 1 3 3 3 339.52
4 2 1 2 3 451.88
5 2 2 3 1 370.30
6 2 3 1 2 315.73
7 3 1 3 1 388.20
8 3 2 1 3 406.67
9 3 3 2 2 266.60 k1 349.51 378.32
310.59 339.09)k2 379.30 397.03 372.69 377.54 k3 353.82 307.28 399.36 366.00 R 29.79 89.75 88.77 38.45
由表2可知，对碘值吸附性能影响最大的因素是活化时间，其次是液固比，微波
功率影响最小，最佳实验条件是A2B2C3D2。

考虑到D3处于边界，未出现极大值，因此需进一步考察更大液固比对活性炭吸附性能的影响。

2.2 液固比对活性炭吸附性能的影响
实验条件:磷酸浓度60%，活化时间280 s，功率640 W，液固比为3∶1，5∶1，7∶1，8∶1，9∶1(mL/g)，研究其对活性炭吸附性能的影响，结果见图1。

图1 液固比与活性炭吸附性能的关系Fig.1 Relationship of liquid-solid ratio and adsorption properties of activated carbon
由图1可知，随液固比的增大，碘值和亚甲基蓝值均呈先增大后减小的趋势，当
液固比为7∶1时碘值达到最大，液固比为5∶1时亚甲基蓝值达到最大。

这是由
于随着液固比的增大，H3PO4分子增多，H3PO4与树叶中的无机物生成较多的
磷酸盐，起到膨胀的作用，可增大炭微晶的距离。

通过洗涤除去磷酸盐，可以得到孔结构较发达的活性炭。

但随着液固比的增大，温度升高时，原料中的挥发性组分被过多的液体的拦截，减少了碳层内部形成新孔的几率，进而影响了活性炭的吸附能力。

由上可知，磷酸微波法制备活性炭的最佳工艺条件是:微波功率640 W，活化时间280 s，液固比为7∶1(mL/g)，磷酸浓度60%。

在此工艺条件下多次重复实验，
活性炭的碘吸附值的平均值为538.87 mg/g，亚甲基蓝平均值为 15.206 4 mg/g。

2.3 梧桐树叶活性炭处理城市生活污水的研究
本研究采用静态吸附实验。

量取100 mL污水，加入一定量的吸附剂，室温下振
荡2 h，过滤，测定吸附前后污水的COD、TP、TN去除率与活性炭用量的关系，结果见图2。

由图2可知，随着活性炭投加量的增加，对COD的去除率呈逐渐增大的趋势，在1.5 g后基本保持不变，达到76.85%;而总磷、总氮的去除率则是随着活性炭投加量的增大先增大后减小，在投加量为1.5 g时，TN和 TP的去除率最大，分别达到71.99%，95.99%。

由此可知，此活性炭具有较好的吸附性能。

图2 活性炭用量与去除率之间的关系Fig.2 The relationship between the removal rate and activated carbon quantity
3 结论
(1)采用磷酸微波法以梧桐树叶为原料制备活性炭，最佳的制备条件是:微波功率640 W，活化时间280 s，液固比7∶1(mL/g)，磷酸浓度为60%。

在最佳条件下制得的活性炭的碘值为538.87mg/g，亚甲基蓝值为15.206 4 mg/g。

实现了废物资源化的目的。

(2)梧桐树叶基活性炭具有良好的吸附性能，用于处理城市污水，用量为1.5
g/100 mL，静态吸附2 h时，TN、TP的去除率分别可达72%，96%。

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