全 文 ：悬铃果毛制备活性炭纤维及其在褪色上的应用
金 军，周迟骏，周 辉 (南京工业大学环境学院，江苏南京 210009)
摘要 ［目的］研究悬铃果毛制备活性炭纤维的最佳制备条件，及各因素对吸附效果的影响。［方法］以悬铃果毛纤维为材料，采用正交
试验方法研究用活化剂浸泡后，经过预氧化、碳化、活化处理后制得活性炭纤维的性能，并研究 pH、吸附剂量、温度等对吸附效果的影
响。［结果］在活化剂(NH4)2HPO4 溶液浓度为 15%时浸泡 10 h，在 200 ℃下预氧化 30 min，在 N2 保护下置于马弗炉中在 800 ℃下炭化
40 min，炭化的升温速率选择 10 ℃ /min，最后用饱和水蒸气进行活化，即得到性能良好的活性炭纤维。［结论］活性炭纤维对水体中甲
基橙的吸附量为 83． 56 mg /g，各反应因素对吸附性能的影响程度为:活化方式 ＞炭化时间 ＞炭化温度 ＞活化剂浓度。
关键词 悬铃果;活性碳纤维;吸附;染料废水
中图分类号 S792． 37 文献标识码 A 文章编号 0517 －6611(2012)23 －11729 －02
The Preparation and Application in Decolorization by Activated Carbon Fiber Made from Plane Tree Cones
JIN Jun et al (College of Environment，Nanjing University of Technology，Nanjing，Jiangsu 210009)
Abstract ［Objective］Study the optimum preparation conditions of activated carbon fiber made from plane tree cones，and the influence of fac-
tors on adsorption effect．［Method］This experiment soak plane tree cones in the activator，through the preoxidation，carbonization and activation
process，come to activated carbon． the influence of pH，adsorption dose，temperature on the adsorption effect were studied．［Result］Soak 10h in
15% activator(NH4)2HPO4 concentration，preoxidation 30 min at 200 ℃，carbonize 40 min in Muffle furnace at 800 ℃ without oxygen，the heat-
ing rate is 10 ℃ /min． Finally，activation with saturated water vapor，a good performance activated carbon could be obtained．［Conclusion］Absorp-
tion capacity of methyl orange could get 83． 56 mg /g． The influence degree sequence of various factors on the adsorption performance was activa-
tion method ＞ carbonization temperature ＞ carbonization time ＞ activator concentration．
Keywords Plane tree cones;Activated carbon fibers;Adsorption;Dye wastewater
作者简介 金军(1986 － ) ，男，湖北荆门人，在读研究生，研究方向:污
水处理研究，E-mail:93063290@ qq． com。
收稿日期 2012-04-11
现代印染废水结构复杂，有机物质繁多，色度深，碱度
高，治理难度较大。吸附法能够选择性地富集某些化合物，
在印染废水处理上有着重要的应用，但是由于其费用高，在
我国应用并不广泛，而寻找新型高效且廉价的吸附材料成为
近年来的研究热点［1 －3］。研究发现植物果实、树叶、鸡蛋壳、
死菌体以及花生壳［4 －8］等经过处理后对染料均具有一定的
吸附效果。这些材料虽然廉价，但是吸附效果并不显著。
悬铃木又叫法国梧桐，其球果果毛分为长直毛和齿状分
枝毛，表面光滑，每根果毛都由若干个节组成，每个节为中空
管状结构，管的外径约33 μm，内径约23 μm［9 －10］。悬铃果毛
作为生物吸附材料已有过报道，笔者将悬铃木球果果毛经过
预处理、炭化、活化 3个过程制备成活性炭纤维(ACF) ，通过
正交试验确定活性炭纤维的最佳制备条件，并研究 pH、吸附
剂量、温度等因素对吸附效果的影响。
1 材料与方法
1． 1 吸附剂制备 在 4 ～ 6 月份法国梧桐树球果成熟季节
采摘果实，果实用去离子水反复冲洗去除表面的灰尘和杂
质，然后去粗杆得到球果果毛。将所得到的果毛，放置在活
化剂(NH4)2HPO4溶液中浸泡 10 h后，放入烘箱中于 100 ℃
烘干。将烘干后的样品在 200 ℃下预氧化 30 min，然后在 N2
保护下置于马弗炉中炭化，其中炭化的升温速率选择 10
℃ /min，最后进行活化，活化条件分别选择:①物理活化———
0． 17 MPa、130 ℃水蒸气活化 30 min;②化学活化———5%
KOH溶液浸泡 30 min。其中活化剂(NH4)2HPO4 浓度、炭化
温度及炭化时间按照正交试验设计。具体制备工艺流程如
图 1。
图 1 ACF制备工艺流程
正交试验采用 L9(3
4)设计，结果见表 1，分别考察活化
剂浓度、炭化温度、炭化时间、活化方式对产物性能的影响。
表 1 正交设计因素与水平
因素
水平
活化剂
浓度∥%
炭化温
度∥℃
炭化时
间∥min
活化条件
1 5 600 30 水蒸气
2 10 700 40 KOH溶液
3 15 800 50 水蒸气 + KOH
1． 2 染料液制备 配制 200、250、300、350、400 mg /L的甲基
橙溶液，装入贮液瓶待用，通过 0． 1 mol /L的 HCl和 NaOH调
节溶液 pH。
图 2 甲基橙分子式
1． 3 褪色性能测定 在 1 000 ml具塞容量瓶中加入吸附剂
和染料液，振荡 12 h至吸附平衡，确定吸附曲线和最大吸附
量。然后研究 pH、吸附剂量比对吸附性能的影响，最后在
25、35、45 ℃下研究温度对其吸附性能的影响。吸附试样静
置后取上层清液用紫外分光光度计在 460 nm波长下测定其
吸光度，吸附量表示为:
q =
V(C0 － Ce)
m
安徽农业科学，Journal of Anhui Agri． Sci． 2012，40(23):11729 － 11730，11732 责任编辑 高菲 责任校对 况玲玲
DOI:10.13989/j.cnki.0517-6611.2012.23.122
式中 q 代表吸附剂的吸附量;V是溶液体积;C0 和 Ce 代表溶
液起始浓度和平衡浓度;m代表吸附剂用量。
2 结果与分析
2． 1 正交试验 该试验采用 L9(3
4)正交试验表进行，甲基
橙溶液 400 mg /L，活性炭纤维 1 g，25 ℃下振荡 12 h所得产
物的产率、吸附性能等，其结果见表 2。其中原球果即未经炭
化的果毛吸附量为 29． 093 mg /g作为对照。
经正交试验结果分析，比较极差，可以得到 ACF吸附性
能影响程度:活化方式 ＞炭化时间 ＞炭化温度 ＞活化剂浓
度。因此，最佳的制备条件是:将所得到的果毛，在
(NH4)2HPO4溶液浓度为 15%时浸泡 10 h，在 200 ℃下预氧
化 30 min，在 N2 保护下置于马弗炉中在 800 ℃下炭化 40
min，炭化的升温速率选择 10 ℃ /min，最后用 0． 17 MPa、130
℃水蒸气进行活化，即得到性能良好的活性炭纤维。
表 2 正交试验结果
试验
序号
(NH4)2HPO4
浓度∥%
炭化温
度∥℃
炭化时
间∥min
活化
方法
产率
%
甲基橙吸
附量∥mg /g
吸附量提
高率∥%
1 5 600 30 水蒸气 35． 01 61． 62 111． 80
2 5 700 40 KOH溶液 32． 79 33． 18 14． 07
3 5 800 50 水蒸气 + KOH 29． 12 39． 80 36． 80
4 10 600 40 水蒸气 + KOH 34． 28 41． 06 41． 13
5 10 700 50 水蒸气 29． 99 56． 17 93． 07
6 10 800 30 KOH溶液 31． 68 32． 57 11． 91
7 15 600 50 KOH溶液 33． 29 32． 87 12． 99
8 15 700 30 水蒸气 + KOH 33． 13 38． 85 33． 55
9 15 800 40 水蒸气 31． 03 83． 56 187． 23
K1j 54． 22 55． 31 52． 42 130． 70
K2j 48． 70 46． 90 80． 81 12． 99
K3j 77． 92 78． 65 47． 62 37． 16
Ri 29． 22 31． 75 33． 19 117． 71
2． 2 pH对吸附性能的影响 图 3为 25 ℃时 pH对 ACF吸
附甲基橙的影响。
从图 3中可以看出，酸性条件下，pH对吸附结果的影响
很大，而在中碱性环境下影响并不明显。甲基橙为阴离子型
染料，在酸性环境中，ACF表面正电荷较多，其对阴离子型染
料吸附性能较强;随着 pH 的增大，ACF 表面正电荷逐渐减
少，负电荷增多，导致甲基橙吸附率下降。
图 3 25 ℃时 pH对 ACF吸附甲基橙的影响
2． 3 吸附剂量对吸附的影响 当甲基橙初始液浓度为 400
mg /L时，不同吸附剂量吸附甲基橙的试验结果如图 4所示。
当吸附剂量从 0． 5 g 增大到 1． 0 g 时，ACF的吸附量从
43． 47 mg /g增大到83． 04 mg /g，吸附剂量的增加使得吸附表
面积增加，在一定程度上吸附量也随之增加。当吸附剂量从
1． 0 g增加至 1． 5 g时，吸附量的变化并不明显，这表明此时
吸附已逐渐达到饱和。
2． 4 温度对吸附效果的影响 图 5为在 25、35、45 ℃下，1 g
活性炭纤维于 400 mg /L甲基橙溶液中，振荡 12 h，随时间变
化的吸附量图。
图 4 25 ℃时不同吸附剂量对 ACF吸附甲基橙的影响
图 5 温度对吸附性能的影响
从图 5中可以看出，随着温度的升高，吸附接近平衡时
间明显缩短(25 ℃，540 min;35 ℃，360 min;45 ℃，240 min)。
温度的升高使分子内能增加，其活跃性得到增强，加快了在
吸附剂表面的吸附与解吸速率，达到吸附平衡时间的缩短。
吸附量随着温度的升高而降低，这是由于活性炭纤维吸附甲
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03711 安徽农业科学 2012 年
g(有效含量 90%，pH = 8． 0，为白色结晶)、硼酸盐 15%(防
阻燃)。
4 原竹防护剂处理方法及其操作步骤
4． 1 处理方法 原竹砍伐下后鲜竹含水率高达到 30% ～
40%，经自然或人工干燥后，由于胶状物质的沉积及侵填体
的聚积，导管和筛管几乎不再具有横向渗透性，维管束在竹
竿里分布不均匀，在竹竿的外围部分维管束小而多，在中央
部分维管束大而少。离导管越远，渗透的水平也越低，这一
特性又造成了防护剂在竹材中分布不均匀性。导管仅占竹
竿体积的 10%，所以防护剂渗透到导管周围其他组织的能力
很弱。故该原竹防护剂的处理技术是先对新鲜的原竹进行
竹节打孔，而后自然干燥至其含水量为 40%以下，改善防护
剂在竹材中的横向透入途径或扩大已经存在的流动途径，达
到防护剂在竹材中的保持量及透入深度，同时避免了原竹在
压力浸注时横向爆裂，使处理后原竹竹筒内的防护剂能快而
多地溢出;再对竹节打孔后的原竹放入压力浸注罐、并向浸
注罐抽真空，保持真空度一段时间使原竹细胞腔分子变为疏
松，便于防护剂的渗透，并减少在后面步骤卸压时防护剂反
冲以保证防护剂在原竹中的保有量;在真空状态下把防护剂
注满浸注罐，而后保持一定的压力时间直至防护剂在原竹中
为饱和状态，使防护剂更多地渗透到原竹内部，实现 100%的
防护剂与细胞腔水分置换，达到原竹的载药量;最后解除压
力，排出浸注罐内的防护剂，原竹自然干燥后待用。
使用该原竹防护剂的处理技术，能使防护剂充分进入原
竹内，达到长效防护原竹的效果而不会产生环境问题。在排
尽浸注罐内的防护剂后，再进行抽真空，能使处理后的原竹
表面的防护剂尽可能多地回收，从而减少浪费;经过防护剂
处理后的原竹堆放于室内让其自然干燥、避免露天堆放，使
竹材的含水率下降到 25% ～35%，尽量让防护剂在压力作用
下与原竹薄壁细胞组织的水分实现置换，从而进一步有效地
增强原竹的防护防裂能力。
4． 2 操作步骤
①将新鲜砍伐的原竹进行竹节打孔处理，自然干燥。②
将上述原竹放入压力浸注罐，关闭罐门，开启真空泵，向浸注
罐抽真空，约 30 min，使真空度达到 0． 078 MPa以上。③在不
关闭真空泵的情况下，加入原竹防护剂直至填满浸注罐。④
关闭真空泵，开启压力泵，使压力达到 1． 300 MPa，保持一定
的压力时间，约为 60 min，直至原竹防护剂在原竹中为饱和
状态。⑤解除压力，排出浸注罐内的防护剂。为了达到更好
地防护效果及环保目的，原竹防护剂处理技术还可以采用以
下步骤:①在排尽防护剂后，关闭所有阀门，开启真空泵，向
浸注罐抽真空，10 ～20 min。②解除真空，排出浸注罐内的防
护剂。
5 结语
笔者将研制出的这种原竹防护药剂及其处理技术方法
于 2008年应用于西双版纳州勐海县南糯山哈尼文化园的竹
楼建设，竹楼至今未发现腐朽、霉变、虫蛀现象，并且对周围
环境无影响，达到了长效的“三防”处理防护效果。
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40．
(上接第 11730页)
基橙存在物理吸附作用，当温度升高，解吸速率增大，导致吸
附量下降。
3 小结与展望
以悬铃果毛纤维为原料制备活性炭纤维的最佳工艺条
件为:活化剂(NH4)2HPO4 浓度 15%，浸泡 10 h，预氧化温度
200 ℃，预氧化时间 30 min，炭化温度 800 ℃，炭化时间 40
min，此时活性炭纤维产率为 31． 03%，对甲基橙的吸附量为
83． 56 mg /g。各反应因素对吸附性能的影响程度为:活化方
式 ＞炭化时间 ＞炭化温度 ＞活化剂浓度。采取 KOH处理纤
维可能使纤维孔径堵塞，导致吸附量下降，进一步致使活化
方式对吸附性能的影响程度较大，因此寻找更合理的活化方
式有助于吸附量的提高。
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