微波氯化铁活化法制备桉木基多孔活性炭的研究

米帅，杜万鑫，黄钦，李钟兴，胡华宇，陈丛瑾

(广西大学 化学化工学院 广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室，广西 南宁 530004)

生物质废弃物的资源化利用受到广泛关注[1]，将其制成多孔炭，用于液相和气相吸附[2]或作为催化剂载体[3]是最简单可行的方法之一，如核桃壳[4]、椰子壳[5]、相思树[6]、玉米棒[7]等生物炭应用于污水处理和负载催化剂。微波辅助活化法原料内外同时加热，加热均匀，时间短，节约能耗[8]。

微波辅助氯化铁制备桉木基生物质多孔炭的方法鲜见报道，且氯化铁的加入能够赋予材料磁性能。本文以桉木废弃物为原料，微波辅助氯化铁法制备桉木基吸附材料。探究制备影响因素，优化制备过程，初步探明该方法的可行性，对桉木屑生物废弃物的资源化利用有一定指导意义。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

六水合三氯化铁、亚甲基蓝、碘、苯酚、碘化钾、可溶性淀粉均为分析纯。

EM-F208EB1微波炉；SHZ-B8水浴恒温振荡器；UV/VIS 2802PCS型分光光度计。

1.2 桉木基多孔炭的制备

选用桉木屑为原料制备吸附用多孔炭材料，炭化活化设备为微波炉，活化试剂为氯化铁。

将20 g的桉木木屑浸泡在一定量的氯化铁溶液中，6 h后将其烘干，置入微波炉中加热炭化活化(微波功率750 W)，活化完成以后，用去离子水反复冲洗，直至滤液呈中性，并且检测无氯离子存在后抽滤。滤饼移至恒温干燥箱中，在120 ℃下干燥24 h。使用研钵研磨至过120目筛，过筛后的炭粉即为所得产品。得率计算方法如下式。

1.3 吸附性能的测试

按照中国国家标准GB/T 12496.8—2015、GB/T 12496.10—1999、GB/T 12496.12—1999[9-11]所述方法，测定所制备多孔炭的碘吸附值、亚甲基蓝吸附值和苯酚吸附值。采用GB/T 12496.19—1999所述的方法测定所制备多孔炭的铁含量。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验的结果

2.1.1 微波功率的影响 微波功率与实际生产过程中的耗能息息相关，也与加热温度有关，且能够影响所制得吸附材料的孔结构和吸附性能。控制氯化铁与木屑的质量比为2，微波加热炭化活化时间为20 min，考察微波加热炭化活化功率对制备多孔炭材料的得率和吸附性能的影响，结果见图1。

图1 微波功率对制备多孔炭的得率(a)、亚甲基蓝吸附值(b)、碘吸附值(c)、苯酚吸附值(d)的影响Fig.1 Effect of microwave power on the prepared porous carbon yield (a)，methylene blue adsorption (b)，iodine number (c)，phenol adsorption (d)

由图1可知，所制得的多孔炭材料的得率在42.4%～50.8%，亚甲基蓝吸附值的范围在44.9～67.9 mg/g，碘吸附值范围在370.8～523.2 mg/g，苯酚吸附值的范围在214.6～245.9 mg/g。随着微波功率逐步增加，得率缓慢下降，亚甲基蓝吸附值和碘吸附值逐步上升，苯酚吸附值先升高后下降。这可能的原因是，随微波功率的增大，桉木屑被逐渐烧失，形成孔洞结构，有利于对碘、亚甲基蓝和苯酚等物质的吸附。

2.1.2 微波加热时间的影响 控制微波功率为750 W，氯化铁与木屑的质量比为2∶1，考察微波加热时间对多孔炭的得率、多孔炭的亚甲基蓝吸附值、碘吸附值和苯酚吸附值的影响，结果见图2。

图2 微波加热时间对制备多孔炭的得率(a)、亚甲基蓝吸附值(b)、碘吸附值(c)、苯酚吸附值(d)的影响Fig.2 Effect of microwave heating time on the prepared porous carbon yield (a)，methylene blue adsorption (b)，iodine number (c)，phenol adsorption (d)

由图2可知，所得多孔炭材料得率的范围在29.5%～40.5%，亚甲基蓝吸附值的范围在44.9～74.9 mg/g，碘吸附值范围在401.3～584.2 mg/g,苯酚吸附值的范围在212.6～229.3 mg/g。随着微波加热时间延长，得率缓慢下降，碘吸附值逐步增加，苯酚吸附值和亚甲基蓝吸附值先升高后下降。结果表明，在同样功率的情况下，在一定时间内，随时间的增长，桉木屑持续烧失，所造成的孔有利于对碘的吸附，在一定程度上有利于亚甲基蓝和苯酚的吸附，超过一定时间，变为不利于对亚甲基蓝和苯酚的吸附。

2.1.3 氯化铁与木屑质量比的影响 控制微波功率和微波加热时间，分别为750 W和15 min，研究氯化铁与木屑质量比对制备多孔炭的得率、多孔炭的碘吸附值、亚甲基蓝吸附值和苯酚吸附值的影响，结果见图3。

图3 氯化铁与桉木屑质量比对制备多孔炭的得率(a)、亚甲基蓝吸附值(b)、碘吸附值(c)、苯酚吸附值(d)的影响Fig.3 Effect of the mass ratio of FeCl3 to Eucalyptus sawduston the prepared porous carbon yield (a)，methylene blue adsorption (b)，iodine number (c)，phenol adsorption (d)

由图3可知，吸附材料得率的范围在27.3%～60.3%，氯化铁与木屑的质量比为1.5时，得率最大，为60.3%。亚甲基蓝吸附值的范围在30.0～67.4 mg/g，碘吸附值范围在386.0～538.4 mg/g,苯酚吸附值的范围在230.3～242.0 mg/g。随着铁屑比逐步增加，产率先升高后下降，亚甲基蓝吸附值先升高后下降，碘吸附值逐步上升，苯酚吸附值先升高后下降。适量的氯化铁的加入有利于得率和吸附性能的提高，但是过量的氯化铁的加入，会造成活化过度或者堵塞吸附材料的孔隙结构，造成吸附性能的下降。综合考虑，较佳的氯化铁与木屑的质量比是1.5。

2.2 正交实验结果

2.2.1 正交实验结果 依据单因素实验的结果，选择氯化铁与木屑的质量比为1，1.5，2，微波活化功率为450，600，750 W，微波活化时间为15，20，25 min，进行4因素3水平正交实验L9(34)制备多孔炭，结果见表1，各因素对应指标的影响顺序及优水平见表2，正交实验结果方差的分析见表3。

表1 L9(34)正交实验结果

表2 L9(34)正交实验各因素对指标的影响顺序和相应的最佳水平

由表3可知：①亚甲基蓝吸附值：当α=0.01时，铁屑比、微波功率和微波时间对桉木基多孔炭的亚甲基蓝吸附值影响显著；②碘吸附值：当α=0.1 时，微波时间对桉木基多孔炭的碘吸附值影响显著，当α=0.05 时，铁屑比对桉木基多孔炭的碘吸附值影响显著；③苯酚吸附值：当α=0.05 时，铁屑比对桉木基多孔炭的苯酚吸附值影响显著。

表3 L9(34)正交实验结果方差分析

注：*表示在 α=0.1 水平显著，**表示在 α=0.05 水平显著，***表示在 α=0.01 水平显著。

综合上述结果，铁屑比对制得的桉木基多孔炭的得率、亚甲基蓝吸附值、碘吸附值和苯酚吸附值的影响显著；微波功率对制得的多孔炭的得率和亚甲基蓝吸附值影响显著；微波时间对制得的多孔炭的亚甲基蓝吸附值和碘吸附值影响显著。结合正交实验结果、极差分析、方差分析和考虑活化剂加入量对经济的影响，在优化实验时选择氯化铁与桉木屑的质量比为1；微波功率为750 W时制得的多孔炭的亚甲基蓝吸附值、苯酚吸附值、碘吸附值较大。考虑到随微波加热时间延长，制得的多孔炭的碘吸附值增大，应适当延长微波加热时间为25 min。综合比较分析，为得到性能均衡的多孔炭，确定较优的制备工艺条件为：铁屑比为1，微波功率为750 W，微波时间为25 min。

2.2.2 验证实验结果 对于较佳工艺条件，即氯化铁与桉木屑的质量比为1，微波功率750 W，微波时间25 min，做验证实验，结果见表4。

表4 验证实验结果

由表4可知，在优化条件下制备的桉木基多孔炭吸附材料的得率为45.5%，亚甲基蓝、碘和苯酚的吸附值分别为133.3，492.4，229.3 mg/g，铁含量为0.10%。

3 结论

以桉木屑为原料，氯化铁为活化剂，采用微波加热方式，制备桉木基多孔炭吸附材料的优化工艺条件为：氯化铁与桉木屑质量比为1，微波功率为 750 W，微波时间为25 min。在此优化条件下，桉木基吸附材料的得率是45.5%，桉木基多孔炭的亚甲基蓝吸附值、苯酚吸附值、碘吸附值分别为133.3，229.3，492.4 mg/g，铁含量为0.10%。