辛 赫，張 娜，柴洋洋，郭慶啟，3

（1.東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 食品工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150076；3.黑龍江省森林食品資源利用重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040）

核桃樹是我國重要的油料和干果樹種之一，是世界公認(rèn)的良好生態(tài)和經(jīng)濟(jì)型樹種[1]，作為四大堅果之一的核桃，因具有較高的營養(yǎng)價值和良好的醫(yī)療保健作用[2-3]，深受人們的喜食。薄皮核桃，又稱紙皮核桃，主要產(chǎn)于我國西南、西北等地區(qū)[4]，與普通核桃相比，因皮薄、易取整仁而越來越受到消費者的喜愛。

活性炭是由含碳為主的物質(zhì)經(jīng)處理后得到的黑色多孔性固體材料[5]，由于其孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大，因此具有非常好的吸附性能，主要用于化工、環(huán)保、食品、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域[6-7]。隨著薄皮核桃消費量的增加，每年都會產(chǎn)生大量的核桃殼廢棄物，目前處理方式多為丟棄或焚燒[8]，既造成了資源的浪費又污染了環(huán)境。研究表明核桃殼中含有大量的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，是一種天然的生物質(zhì)資源。對于以果殼類為原料進(jìn)行活性炭的制備已有較多研究，如郭磊等[9]選用香榧果殼為原料，以微波-磷酸法制備活性炭，通過單因素實驗確定制備工藝，制備出的活性炭的亞甲基藍(lán)吸附值達(dá)到171 mg/g。龐庭才等[10]采用銀葉樹果殼為原料，以氯化鋅為活化劑制備活性炭，通過正交試驗優(yōu)化制備工藝，制備出的活性炭對亞甲基藍(lán)脫色率達(dá)到97.06%。這類果殼類的農(nóng)林廢棄物具有成本低廉、原料來源豐富、吸附效果理想等特點[11]，但以薄皮核桃殼這種數(shù)量逐漸增加的新廢棄物資源進(jìn)行活性炭的相關(guān)研究則鮮有報道，因此本研究以其為研究對象，進(jìn)行活性炭的制備及吸附性能的表征，以期為進(jìn)一步工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與儀器

剝皮核桃產(chǎn)自四川涼山，手工去仁留殼，105℃鼓風(fēng)干燥后粉碎至不同目數(shù)，封口袋中密閉置于4℃冰箱中保存。所用化學(xué)試劑均為分析純。

DGF-4B 型電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；DFT50 型手提式高速粉碎機(jī)，溫嶺市大德中藥機(jī)械有限公司；XSE204 電子天平，瑞士梅特勒-托利多儀器中國有限公司；SHZ-82 型恒溫水浴振蕩器，上海恒科技有限公司；SX2-4-10箱式電阻爐（馬弗爐），河北省黃驊市渤海電器廠；VARIO EL Ⅲ元素分析儀，德國艾樂曼分析系統(tǒng)公司；JSM-6490 掃描電子顯微鏡，日本JEOL 公司；HI-RES2950 型熱重分析儀，美國TA 儀器；JWBK112 全自動比表面積及孔隙度分析儀，美國邁克公司；NICOLET-670 型傅里葉變換紅外光譜儀，美國Thermo 電子公司；BukerD8 型X 射線衍射儀，德國布魯克公司。

1.2 活性炭制備工藝的優(yōu)化研究

1.2.1 活化劑的選擇

以化學(xué)活化法為基礎(chǔ)，分別考察磷酸、氯化鋅和氫氧化鉀3 種活化劑活化處理對制備出的薄皮核桃殼活性炭吸附效果的影響，以碘吸附值和亞甲基藍(lán)吸附值為指標(biāo)，確定最佳活化劑。

1.2.2 活性炭制備工藝優(yōu)化的研究

準(zhǔn)確稱取一定目數(shù)的薄皮核桃殼粉末10.00 g，與40%的磷酸溶液按一定比例浸泡混合一段時間后過濾，置于不同預(yù)設(shè)溫度條件下的馬弗爐中熱處理不同時間，炭化結(jié)束后加入5%的鹽酸溶液浸泡并煮沸30 min，冷卻，用蒸餾水和磷酸二氫鉀-磷酸氫二鈉緩沖溶液反復(fù)沖洗至中性，105℃烘箱中干燥至恒質(zhì)量，即制得活性炭產(chǎn)品。

平行實驗3 次，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示數(shù)據(jù)結(jié)果，研究不同制備工藝的單因素條件對活性炭吸附性能的影響。

1.3 活性炭吸附性能的測定方法

碘吸附值的測定采用《木質(zhì)活性炭的試驗方法-碘吸附值的測定》（GB/T12496.8 ─2015）；亞甲基藍(lán)吸附值的測定采用《木質(zhì)活性炭的試驗方法-亞甲基藍(lán)吸附值的測定》（GB/T12496.10—

1999）。

2 結(jié)果與分析

2.1 活化劑的選擇

化學(xué)活化法是通過將化學(xué)試劑嵌入炭顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷一系列的交聯(lián)縮聚反應(yīng)形成活性炭的微孔結(jié)構(gòu)[12]，主要分為酸類、堿類和鹽類活化劑。通過文獻(xiàn)對比分析，實驗分別采用40%濃度的磷酸溶液[13-15]、50%濃度的氯化鋅溶液[16]及氫氧化鉀顆粒[17]活化原料，制得的活性炭的吸附性能結(jié)果如圖1所示。

3 種活化劑中，磷酸活化制得活性炭的碘吸附值和亞甲基藍(lán)吸附值最高，分別為651.51±2.81 mg/g 和215.85±4.85 mg/g。不同活化劑處理后吸附能力從高到低分別為磷酸＞氯化鋅＞氫氧化鉀，且吸附效果差異顯著（P＜0.05）。作為最常使用的酸類活化劑，磷酸具有較強的脫水作用和催化有機(jī)化合物羥基消去的作用[18]，能夠有效促進(jìn)活性炭活化過程中微孔的形成。經(jīng)磷酸活化制備出的薄皮核桃殼活性炭的碘吸附值要顯著高于國家標(biāo)準(zhǔn)的400 mg/g（GB29215—2012），并且磷酸活化法具有污染少、成本低廉等優(yōu)點，因此本實驗選用40%濃度的磷酸溶液作為活化劑。

圖1 不同活化劑對活性炭吸附性能的影響Fig.1 Effects of different activators on the adsorption performance of activated carbon

2.2 活性炭制備工藝的優(yōu)化

2.2.1 核桃殼粒徑對活性炭吸附性能的影響

稱取不同目數(shù)的核桃殼粉末原料10.00 g，用40%的磷酸溶液按體積比1∶4 浸泡60 min，500℃溫度條件下炭化90 min，考察不同目數(shù)原料對活性炭吸附性能的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 核桃殼粉末目數(shù)對活性炭吸附性能的影響Fig.2 Effects of mesh size of walnut shell powder on adsorption performance of activated carbon

從圖2可以看出，隨著核桃殼粉末目數(shù)的增加，即顆粒粒徑的減小，所制備出來的活性炭，無論是碘吸附值還是亞甲基藍(lán)吸附值都呈現(xiàn)顯著性的增加趨勢（P＜0.05），碘吸附值和亞甲基藍(lán)吸附值分別從20 目的533.26±6.85 mg/g 和171.25±6.02 mg/g 增加到100目的645.81±7.31 mg/g 和199.85±8.51 mg/g?；钚蕴康奈叫阅芘c空隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，空隙越發(fā)達(dá)則吸附能力越強，而空隙結(jié)構(gòu)的發(fā)達(dá)情況則與活化劑的浸潤程度密切相關(guān)。當(dāng)原料質(zhì)量一定時，顆粒粒徑越小，說明比表面積越大，即與活化劑磷酸溶液接觸的表面積越大，提高了原料的浸潤程度，更容易發(fā)揮活化劑的作用，形成更發(fā)達(dá)的空隙結(jié)構(gòu)，因此具有更好的吸附性能。田小云等[19]以核桃殼和杏殼為原料，研究了原料粒徑對活性炭吸附性能的影響，結(jié)果表明在一定范圍內(nèi)減小原料粒徑，可以提高活性炭的吸附性能，因此本研究確定最適原料的粒徑為100 目。

2.2.2 料液比對活性炭吸附性能的影響

稱取100 目的核桃殼粉末10.00 g，不同料液比條件下制備所得活性炭的吸附性能測定結(jié)果如圖3所示。

圖3 料液比對活性炭吸附性能的影響Fig.3 Effects of material-liquid ratio on adsorption performance of activated carbon

從圖3可以看出，當(dāng)料液比小于1∶4 時，隨著料液比的增加，活性炭的吸附性能顯著增加（P＜0.05），其中碘吸附值和亞甲基藍(lán)吸附值由1∶3 時的605.75±3.59 mg/g和200.95±4.25 mg/g分別升高到1∶4時的635.52±5.06 mg/g和230.75±2.97 mg/g，當(dāng)料液比繼續(xù)增加到1∶7 時，吸附性能呈現(xiàn)顯著性的下降趨勢（P＜0.05）。磷酸在炭化時起骨架作用[20]，當(dāng)用磷酸和水把無機(jī)成分溶解洗凈之后，炭的表面便暴露出來，成為具有吸附力的活性炭內(nèi)表面積。活性炭的空隙總?cè)莘e是隨著浸漬比的變化而呈規(guī)律性的變化，當(dāng)浸漬比大時，可制得過渡孔較發(fā)達(dá)的活性炭，浸漬比小時，可制得微孔發(fā)達(dá)的活性炭[21]，本實驗結(jié)果表明，當(dāng)以碘和亞甲基藍(lán)作為吸附研究對象時的最佳料液比為1∶4。

2.2.3 活化時間對活性炭吸附性能的影響

稱取100 目的核桃殼粉末10.00 g，按料液比1∶4 浸漬活化不同時間后制備所得活性炭的吸附性能，如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著磷酸溶液浸漬時間的延長，制備出的活性炭的吸附性能呈顯著性的增加趨勢（P＜0.05），碘吸附值和亞甲基藍(lán)吸附值分別由活化30 min 時的558.97±4.74 mg/g和204.05±3.65 mg/g 增加到150 min 時的654.51±7.82 mg/g 和248.55±1.94 mg/g。磷酸活化的機(jī)理主要包括潤脹作用，磷酸的電離作用能使核桃殼原料中的生物高聚物發(fā)生潤脹、膠溶以至于溶解作用，隨著活化時間的延長，磷酸更能滲透到原料內(nèi)部，溶解纖維素而形成孔隙[22]，因此確定活化浸漬時間為150 min。

圖4 活化時間對活性炭吸附性能的影響Fig.4 Effects of activation time on adsorption performance of activated carbon

2.2.4 炭化溫度對活性炭吸附性能的影響

稱取100 目的核桃殼粉末10.00 g，按料液比1∶4 的磷酸溶液活化150 min，考察不同炭化溫度對活性炭吸附性能的影響，結(jié)果圖5所示。

圖5 炭化溫度對活性炭吸附性能的影響Fig.5 Effects of carbonization temperature on adsorption performance of activated carbon

從圖5可知，隨著炭化溫度的升高，活性炭的吸附性能呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在溫度為500℃時，碘吸附值和亞甲基藍(lán)吸附值最高為643.42±8.09 mg/g 和219.45±4.97 mg/g。炭化溫度是活性炭制備的一個關(guān)鍵參數(shù)，炭化溫度低時，原料未完全炭化，沒有形成所需的空隙結(jié)構(gòu)，但溫度過高時，又可能會導(dǎo)致炭化速率過快，產(chǎn)生的微孔發(fā)生燒結(jié)[23]，導(dǎo)致活性炭的比表面積下降，進(jìn)而降低了活性炭的吸附性能。

2.2.5 炭化時間對活性炭吸附性能的影響

稱取100 目的核桃殼粉末10.00 g，按料液比1∶4 的磷酸溶液活化150 min，500℃條件下炭化不同時間所制得活性炭的吸附性能測定結(jié)果如圖6所示。

圖6 炭化時間對活性炭吸附性能的影響Fig.6 Effects of carbonization time on adsorption performance of activated carbon

隨著炭化時間的增加，活性炭的吸附性能呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢（P＜0.05），在炭化60 min時所制得的活性炭的碘吸附值和亞甲基藍(lán)吸附值最高，為657.42±3.16 mg/g 和220.35±31.75 mg/g。薄皮核桃殼原料在高溫分解前其中的氫和氧首先發(fā)生脫水反應(yīng)，以水的形式脫除，使更多的炭得以保留，但隨著炭化的進(jìn)行，原料中的木質(zhì)纖維素生成大量的焦油進(jìn)而降低炭的得率[24]，且由于長時間的熱收縮使得活性炭的表面積和孔容減小，因此確定最佳炭化時間為60 min。

2.3 薄皮核桃殼活性炭的表征

2.3.1 元素分析

活性炭的元素含量采用元素分析儀進(jìn)行測定,通過元素含量的測定可以直接看出活性炭之間的差別。

表1 薄皮核桃殼活性炭元素分析Table 1 Element analysis of activated carbon in thin peel walnut shell

在核桃殼活性炭的制備過程中，揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)中的H 元素大多以H2、H2O 等氣體的形式釋放出來，而揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)中的N 元素則多以N2、NH3等氣體形式釋放，因此測定出來的N 元素和H 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較低，分別為0.49%和1.53%。磷酸在炭化時起骨架作用，在原料被炭化時能給新生的炭提供一個骨架，讓炭沉積在骨架上面，從而增加碳含量。測定結(jié)果表明碳元素含量為65.56%，說明磷酸活化法可以增加活性炭中的碳含量。

2.3.2 比表面積和孔徑分析

比表面積是表征活性炭吸附性能的主要指標(biāo)，能夠解釋活性炭產(chǎn)生吸附作用的原因，能夠更深入的認(rèn)識吸附現(xiàn)象的本質(zhì)。在相對壓力范圍從0到1，液氮溫度-196℃條件下測得活性炭的N2吸附-脫附等溫線如圖7所示。

圖7 活性炭的氮氣吸附-脫附等溫線Fig.7 Nitrogen adsorption-desorption isotherm of activated carbon

由圖7可以看出，當(dāng)相對壓力較低時（0.0～0.1），吸附速率很快，表明活性炭對N2的吸附量隨相對壓力的增大而快速增加，說明活性炭與N2有較強的作用力，即由于有較多微孔存在內(nèi)部強勢吸附[25]，吸附曲線起始時呈I 型[26]。在相對壓力高壓區(qū)（0.9～1.0），曲線上揚較明顯，表明活性炭的吸附量仍在增加、未出現(xiàn)飽和狀態(tài)，說明活性炭的空隙結(jié)構(gòu)并不均勻，并不是單層的簡單吸附，還存在著多層吸附的現(xiàn)象。

從圖8中看出，薄皮核桃殼活性炭的空隙結(jié)構(gòu)屬于微孔（＜2 nm）、中孔（2～50 nm）和大孔（＞50 nm）共存的情況，其中以微孔和中孔為主。采用BET 方法和BJH 方程計算得活性炭的比表面積為449.80 m2/g，孔容積達(dá)到1.11 m2/g，平均孔徑為7.87 nm。

圖8 活性炭的BJH 圖Fig.8 BJH chart of activated carbon

2.3.3 掃描電子顯微鏡分析

表面形貌是表征和分析活性炭材料的一個重要的指標(biāo)，通過掃描電鏡直接觀察磷酸活化-高溫炭化后制備所得活性炭的表明形貌如圖9所示。

圖9 活性炭的SEMFig.9 SEM image of activated carbon

不同放大倍數(shù)的掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，制備出的活性炭的表面粗糙、凸凹不平，空隙密集呈片層狀，排列雜亂無序，這與磷酸的活化作用有關(guān)。磷酸作為活化劑，能夠很好的分散在核桃殼原料中，活化結(jié)束后通過洗滌將分散的磷酸洗出，從而留下不規(guī)則的多孔隙通道，形成了較為發(fā)達(dá)的空隙結(jié)構(gòu)和比表面積[27]，使得制備出的活性炭具有良好的吸附性能。

2.3.4 傅里葉紅外光譜分析

活性炭的表面官能團(tuán)能夠很大程度影響活性炭的吸附性能，采用傅里葉紅外光譜測定活性炭的紅外譜圖如圖10。

圖10 活性炭的FTIRFig.10 Infrared spectrum of activated carbon

由圖10可知，3 439 cm-1附近處峰應(yīng)為O-H伸縮振動峰，可能含有的表面基團(tuán)是羧基和羥基。在2 970 cm-1附近處峰有C-H 伸縮振動峰，這說明活性炭中可能含有飽和烴類結(jié)構(gòu)。2 268 cm-1附近處峰可能為C ≡C 振動收縮引起的[28]。1 881 cm-1、1 576 cm-1附近處應(yīng)為C=C 伸縮振動峰。1 146 cm-1和987 cm-1處可能是羥基、酯、醚中C-O 伸縮振動引起的，綜合分析可知，薄皮核桃殼制備的活性炭主要含有的官能團(tuán)有羧基、酚、醇羥基等。

2.3.5 X 射線衍射分析

X 射線衍射分析可以檢測出樣品的相形、晶體結(jié)構(gòu)、根據(jù)衍射圖譜中信息可以獲取樣品材質(zhì)化學(xué)態(tài)，是晶體結(jié)構(gòu)定性分析的有效方法。

由圖11可以看到，薄皮核桃殼基活性炭的X射線衍射圖譜為寬化衍射峰，表明活性炭主要以非晶態(tài)形式存在。薄皮核桃殼基活性炭在2θ=25°和2θ=44°附近出現(xiàn)明顯的衍射峰。它們分別屬于（002）衍射峰和（100）衍射峰[29]，這說明核桃殼活性炭含有亂層化的類石墨型結(jié)構(gòu)[30]，活性炭的石墨化程度越高，性能越優(yōu)。整體來看核桃殼活性炭的兩個衍射峰峰面都較寬，說明薄皮核桃殼基活性炭結(jié)晶度不高，存在不定形炭。

2.3.6 熱重分析

熱重分析可以在樣品熱解過程中觀察其物理和化學(xué)變化，測量樣品質(zhì)量與溫度或時間的關(guān)系，由熱重分析儀測定的TG-DTG 曲線如圖12。

圖11 活性炭的XRDFig.11 X-ray diffraction pattern of activated carbon

圖12 活性炭的TG-DTG 曲線Fig.12 TG-DTG curve of activated carbon

由TG 曲線（圖12）可以看出，薄皮核桃殼基活性炭在溫度為100℃之前，質(zhì)量有明顯的下降，這個階段主要是活性炭中水分的蒸發(fā)。在100～450℃時TG 曲線較為平緩，這期間有較小的失重，在400℃時出現(xiàn)質(zhì)量的驟降，這時失重率最大約為35%。這可能是因為薄皮核桃殼內(nèi)部發(fā)生熱解，有機(jī)物質(zhì)以氣體形式逸出，造成質(zhì)量驟降。由圖12可以看出，薄皮核桃殼基活性炭的熱解失重過程主要分為兩個階段：第一階段在75℃左右核桃殼活性炭出現(xiàn)了較小的失重，可能是活性炭內(nèi)部水分蒸發(fā)造成的[31]。第二個階段在450℃左右核桃殼活性炭出現(xiàn)了質(zhì)量的驟降，此時認(rèn)為是薄皮核桃殼基活性炭燒灼造成的[32]。

3 結(jié)論與討論

碘吸附值與亞甲基藍(lán)吸附值可以反映出活性炭的吸附能力，吸附值越高，表明活性炭的吸附能力越好。本研究以薄皮核桃殼為原料，采用40%的磷酸溶液為活化劑，以碘吸附值和亞基甲藍(lán)吸附值為考察指標(biāo)，制備活性炭的最佳工藝條件為：原料粒度100 目，料液比1∶4 條件下活化浸漬120 min，500℃炭化溫度下炭化60 min，此工藝條件下制備出的活性炭的碘吸附值為657.42±3.16 mg/g、亞甲基藍(lán)吸附值為248.55±1.94 mg/g，高于國家標(biāo)準(zhǔn)，表明通過化學(xué)活化-高溫炭化法制備的薄皮核桃殼基活性炭具備較好的吸附能力。在活性炭的活化過程中，磷酸有效的促進(jìn)了活性炭孔隙的形成，從而顯著提高了活性炭的吸附性能。

利用表征手段，可以清晰的了解活性炭的形態(tài)結(jié)構(gòu)、元素種類及表面官能團(tuán)等。本研究通過表征分析可知薄皮核桃殼基活性炭結(jié)晶度不高，為無定型結(jié)構(gòu)，其表面含有羧基、酚、醇羥基等基團(tuán)，比表面積為449.80 m2/g，孔容積為1.11 m2/g，平均孔徑為7.87 nm，活性炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，有一定數(shù)量的微孔和中孔，具備良好的吸附性能。薄皮核桃殼其自身結(jié)構(gòu)疏松，采用化學(xué)活化法制備，經(jīng)過磷酸的潤張、侵蝕，能夠產(chǎn)生豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，制備出高性能活性炭，從而提高農(nóng)林廢棄物利用價值，為薄皮核桃殼的開發(fā)利用提供技術(shù)指導(dǎo)。對于本研究制備出的薄皮核桃殼基活性炭，因其制備周期較長，因此并未進(jìn)行制備工藝各參數(shù)之間的相關(guān)性研究，同時其與市售相關(guān)活性炭產(chǎn)品性能和成本的對比分析以及后續(xù)的實際應(yīng)用效果，還有待于進(jìn)一步的研究和探討。