微波法活化制备核桃壳活性炭工艺优化

微波法活化制备核桃壳活性炭工艺优化

高比表面和强吸附功能在许多应用中得到了广泛应用。由于传统的活性炭制备工艺存在设备复杂、制造成本高、污染严重等缺点,而微波具有快速、高效、资源回收利用率高、不会造成二次污染、成本低等显著优点,因此微波法制备活性炭已成为近年来国内外学者的研究热点之一。传统的活性炭产业多以煤炭、树木等为原料进行生产,在能源、燃料和树木资源非常宝贵的今天,利用果壳等废弃物加工环保型活性炭已成为循环经济的重要组成。新疆作为我国核桃的主产区,核桃资源丰富,其中尤以和田薄皮核桃的种植面积最大,然而生食或加工取仁后的核桃壳因开发利用程度低,大多作为垃圾废弃或作为燃料烧掉,不仅造成资源的浪费和环境污染,也大大降低了核桃产业的产品附加值。鉴于此,本文对和田薄皮核桃壳进行了微波法制备活性炭的工艺研究,为提高影响活性炭质量指标的亚甲蓝值,在前期核桃壳预处理及浸渍、活化初步优化的基础上,采用响应面法对活性炭制备中的活化工艺进一步优化,从而为新疆薄皮核桃的综合开发利用奠定基础,同时也为其今后的工业化生产提供参考。1材料和方法1.1仪器和检测方法薄皮核桃壳新疆兵团十四师224团提供;氯化锌、磷酸二氢钾、盐酸、高锰酸钾、磷酸氢二钠、亚甲基蓝、淀粉、碘、硫代硫酸钠均为分析纯。UV-1240型分光光度计岛津(日本)仪器有限公司;KQ-200VDE型超声波清洗器上海科导超声仪器有限公司;CML-3型微波化学反应器格兰仕微波炉电器有限公司。1.2实验方法1.2.1核桃壳活性剂的制备过程1.2.2操作要点1.2.2.1.去皮坚果的干燥和研磨1.2.2.2.浸泡1.2.2.3.激活1.2.2.4.水处理1.2.2.5干燥1.2.3活性炭亚甲蓝值的响应面实验根据单因素实验结果,采用响应面设计实验,运用Box-Benhnken的中心组合实验设计原理,选择对活性炭亚甲蓝值有显著影响的四个因素:氯化锌浓度(X1)、料液比(X2)、微波火力(X3)和辐射时间(X4),进行4因素3水平的响应面实验,实验设计见表1。1.2.4模型的基本分析将优化实验所得的实验数据与响应面模型进行拟合,可得到模型中的各个系数。对该多元函数进行简单的性状分析,可确定其极值点以及取得极值的相应自变量取值。取值进行验证实验,进行可靠性分析,得到最后的优化结果。1.2.5亚甲基蓝吸附值的测定参照GB/T12496.10-1999进行测定。2结果与讨论2.1次回归编码方程根据Box中心组合设计原理,设计了4因素3水平的响应面分析实验。共有29个实验点,其中24个为析因子,5个为零点。零点实验进行5次,以估计误差。以亚甲蓝值为响应值,实验结果见表2。将所得的实验数据采用DesignExpert7.1.3软件进行多元回归拟合,得到以亚甲基蓝值为目标函数的二次回归编码方程:模型的方差分析和可信度分析结果见表3、表4。由表3可知,模型非常显著(P<0.0001),模型失拟项P值为0.2576,大于0.05,即模型失拟项不显著,模型选择合适,同时,一次项、平方项、交叉项均对响应值有显著性影响。其中,氯化锌浓度(X1)和微波火力(X3)对亚甲蓝值大小影响极显著,面料液比(X2)和微波辐射时间(X4)的影响则不显著,对亚甲蓝值影响效果排序:氯化锌浓度>微波火力>辐射时间>料液比。模型可信度分析结果(表4)表明,复相关系数R2=0.9885,说明相关性好;校到正决定系数AdjR2=0.9177,表明91.77%的实验数据的变异性可用用此归模型来解释;通常情况下变异系数(CV)越低,实验的可信度和精确度越高,CV值等于6.24%,表示实验的可信度和精确度很高;精密度是有效信号与噪声的比值,大于4.0视为合理,本实验精密度达到16.018综上可知,回归方程给微波法活化制备活性炭提供了一个合适的模型。2.2活性炭的制备通过回归方程绘制分析图,考察所拟合的相应曲面的形状,响应面立体分析图见图1～图6。由图1～图6的曲面图可知,氯化锌浓度与料液比,氯化锌浓度与微波火力,辐射时间与料液比,辐从图中及软件分析可知,回归方程存在稳定点,稳定点是极大值点,经软件分析,得到亚甲基蓝值预测值最大时的活性炭制备条件为:氯化锌浓度53%,料液1:9,微波火力534.59W,辐射时间19.09min,此时亚甲蓝值最大,为11.53mL/0.1g。2.3活性炭亚甲基蓝值在2.2确定的优化条件下,同时考虑实际操作的可行性,以氯化锌浓度53%,微波火力中高火,辐射时间19min,料液比1:9进行活性炭制备,进行了5组验证实验,结果表明,亚甲基蓝值的平均产量为11.36mL/0.1g,与理论预测值基本吻合,该值比未优化工艺提高了1.23倍。3微波活化和亚甲蓝值的关系以新疆和田薄皮核桃壳为原料,用微波法辅助活化,以亚甲蓝值为评价指标,在单因素实验基础上,通过响应面分析法对核桃壳活性炭的制备工艺条件进行了优化,得到优化工艺参数:氯化锌浓度53%、料液比1:9、微波火力中高火,辐射时间19nmin,亚甲基蓝值可达11.36mL/0.1g,较原活化条件亚甲蓝值提高了1.23倍经方差分析得到氯化锌浓度和微波火力对亚甲蓝值影响显著,氯化锌浓度和辐射时间,料液比和微波火力间交互作用显著。各因素与亚甲蓝值的关系为二次曲线关系。同时,回归方程所得到的最大预测值与验证值非常接近,说明回归方程能较真实地反映各因素的影响,建立的模型实际情况能较好吻合,因此，用响应面法优化核桃壳活性炭的微波活化制备工艺有效可行。将核桃壳清洗后,置于恒温干燥器中干燥,然后粉碎至20目