微波辐射在高品质杏核壳活性炭制备中的应用
摘要：以杏核为原料，以亚甲基蓝吸附值、碘吸附值为指标，研究氯化锌质量分数、微波功率、微波辐射时间在高品质杏核壳活性炭制备的影响，确定的制备工艺为：活化温度 600 ℃，活化时间90 min，固液质量比为 1∶3，氯化锌质量分数为50%，微波功率为 700 W，微波辐射时间为 7 min。
活性炭 （Activated Carbon，简称 AC） 具有足够的化学稳定性、机械强度及耐酸、耐碱、耐热性，以及不溶于水和有机溶剂，使用失效后容易再生等良好性能，使广泛应用于化工、环保、食品加工和军事化学防护等各个领域。传统的活性炭原料是木材和优质煤，木材虽然是可再生资源，但其生产周期长,并受环境保护和生态平衡的制约，不能大量作为原料，因此，不断寻找活性炭生产的原料来源，探索新的工艺条件，有十分重要的意义。由于经济的发展和人民生活水平的提高，活性炭的用量越来越大，而木质材料和煤矿却日趋紧张，为此研究者们寻找其他原料来替代木材和煤等来制备活性炭。
新疆林果资源丰富，具有新疆特色的林果资源种类众多，环塔里木盆地有将近 8×105hm2特色林果种植基地。
新疆是杏的三大产区之一，2005年全疆杏树种植面积达 134 857 hm2，总产量 68 万多吨，占栽培面积及总产量的 46.4%以上。目前针对杏的加工中，杏肉、杏仁都已经有成熟的产品，但是杏核壳几乎当作废物全弃。以杏核壳为原料生产活性炭，将充分利用废弃杏核壳，扩大了活性炭来源新途径。
微波是指波长很短 （通常在 1 mm～1 m） 的无线电波。传统的加热方式是根据热传导、对流和辐射原理使热量传递到物料内部，加热速度慢，受热不且能耗高。微波是通过被加热体内部偶分子高频往复运动，产生“内摩擦热”而使物料温度升高，不需任何热传导过程，具有高效性、选择性、非接触性、整体性、匀性、快速启动与快速停止性、操作方便性。目前，微波这种新型的加热方式为加工活性炭提供了新的方法。
本文主要研究在活性炭的制备中，活化温度，活化时间，固液比对活性炭产品吸附能力的影响，以及确定高品质杏核壳活性炭的制备工艺。
1 材料与方法
1.1 原料与试剂
杏：购于乌鲁木齐市北园春瓜果批发市场；氯化锌、亚甲基蓝、硫酸铜、碘、硫代硫酸钠、淀粉指示剂，为分析纯。
1.2 主要仪器
THZ- 82A 型台式恒温振荡器；UV- 1100 型紫外可见分光光度计；HH- 2 数显恒温水浴锅；JZ- 7114型粉碎机；烘箱；SX2- 10- 12 型马福炉；电炉等；改装过的微波炉，微波较大输出功率 700 W。
1.3 制备水解液的工艺流程
选取杏核壳原料，去除杂质，将杏核壳在 100℃下干燥 24h 脱水，磨碎至 0.80 mm，用一定质量分数的氯化锌溶液浸渍 24h，随后进行微波辐照，然后活化，冷却后产品进行酸洗 （采用体积比为 1∶9 的稀盐酸溶液煮沸 30 min） 两次，水洗 （用温的自来水冲洗活化料使其 pH 值接近于 7），烘干后粉碎过200目筛，得到成品活性炭。活化温度 600 ℃，活化时间 90 min，固液质量比为 1∶3。
1.4 测试指标和分析测定方法
亚甲基蓝吸附值的测定按照 GB/T12496.10- 1999进行；碘吸附值的测定按照 GB/T12496.8- 1999 进行。
2 结果与讨论
2.1 氯化锌质量分数对活性炭产品品质的影响
采用不同质量分数的氯化锌溶液对原料进行浸渍，比较不同质量分数氯化锌溶液处理后的活性炭产品的亚甲基蓝和碘吸附值。
随着氯化锌浓度的提高，活性炭产品的亚甲基蓝和碘吸附值缓慢下降后急剧下降。
氯化锌对炭骨架具有保护机能，同时，在活化过程中，氯化锌具有催化脱羟基和脱水作用，使原料中氢和氧以水蒸气形式放出，并抑制焦油的产生，避免堵塞气孔，从而形成多孔性结构。
在不同温度下，氯化锌活化法活化过程中的反应机理不同，炭的烧失不同。
添加氯化锌药品从根本上改变了原木材的热分解历程。在 500 ℃之前的一段温度范围内，形成较稳定的凝聚炭结构；在570 ℃～600 ℃，氯化锌药品适宜地侵蚀炭体，造就孔隙，形成发达的石墨微晶结构；温度高于 600 ℃以后，随着温度的升高，在氧的氛围中，氯化锌活性炭结构松弛解体，氯化锌逐渐气化、氧化，失去对炭结构的保护机能，烧失量增大。
2.2 微波功率对活性炭产品品质的影响
采用不同功率的微波对原料进行辐射，比较不同功率微波处理后的活性炭产品的亚甲基蓝和碘吸附值。
随着微波功率的提高，活性炭产品的亚甲基蓝和碘吸附值急剧上升后缓慢上升。
微波辐照可透射到材料内部，通过离子导电和分子化以及旋转机制使偶电子反复化、相互摩擦，从而使微波能量转化成热能。微波加热具有速度快、高效节能、选择性强、污染少、控制简单等优点。
活性炭能很好地吸收微波，微波对活性炭进行处理，主要是通过快速、高效的热作用来引起炭骨架的收缩，从而导致孔径、孔容等参数的变化。
随着微波功率的增加，活性炭碘吸附值和亚甲基蓝吸附值增加，这是因为微波功率与加热温度有关，微波功率越高，加热温度也越高。
在传统加热过程中，热量传递由表及里地进行，物料微晶的端部或平面上晶格缺损等部分被认为是氧化反应的活性点，活性点数目是比表面积的百分之几。对于微波辐射，样品中会有多点 （内外部有） 吸收微波，积聚能量成为活性点，使反应加速且克服了样品内部烧不透的现象，同时活化剂急剧挥发而产生蒸汽压，从原料内部向外部爆炸般地压出而产生无数的裂缝、小孔。这样原料较辐射前有更明显的孔隙结构，内比表面积更大，这也是微波辐射法制备活性炭碘吸附值和亚甲基蓝吸附值高的原因。
2.3 微波辐射时间对活性炭产品品质的影响
采用不同微波辐射时间对原料进行处理，比较不同微波辐射时间处理后的活性炭产品的亚甲基蓝和碘吸附值。
随着微波辐射时间的延长，活性炭产品的亚甲基蓝吸附值上升后趋于平缓，碘吸附值急剧上升后缓慢上升。
随着微波辐射时间的增加，活性炭的碘吸附值和亚甲基蓝吸附值有所增加。当微波辐射时间较短时，由于活化反应没有进行完全，炭中的活性点没有被反应完全，所以炭中形成的微孔较少，其比表面积相应的也较小，所以表征其吸附性能的碘吸附值和亚甲基蓝吸附值也较小。当微波辐射时间增加时，活化反应进行的较完全，所以其吸附性能也增加。但是，如果微波辐射时间继续增加，可能会使构成活性炭的骨架被烧失或者与氢氧化钾反应，使其孔隙增大，比表面积减小，碘吸附值和亚甲基蓝吸附值增加的速度降低。
来源：惠合浓缩器
