全 文 ：　文章编号:1002-4093(2007)03-0001-04
花生壳活性炭研究进展＊
徐　涛 ,刘晓勤
(南京工业大学材料化学工程国家重点实验室 ,江苏 南京 210009)
摘要:对由花生壳作为原料制备活性炭的研究现状进行了综述 ,说明了不同活化工艺对活性炭孔结构及
表面化学性质的影响 ,着重介绍了磷酸法活化制备花生壳活性炭的工艺及活化机理。对花生壳活性炭
应用的研究现状做了综述 ,指出了在我国采用花生壳作为原料制备活性炭的优势和在废水处理方面的
应用前景。
关键词:花生壳;活性炭;磷酸活化法;废水处理
中图分类号:S565.2　O647.33　　　　　　　　文献标识码:A
The Research Advances of Activated Carbon Made from Peanut Shells
XU Tao , LIU Xiao-qin
(State Key Lab.of Materials-oriented Chemical Engineering , Nanjing Uni.of Technology , Nanjing 210009 , China)
Abstract:The current status of activ ated carbon made fr om peanut shell and the cur rent applica tion situa tion are re-
viewed.The influence o f different process conditions on the po re structure and the surface chemical character s of the
peanut shell ba sed activated carbons have been e lucida ted.The pho sphoric acid activ ation process fo r preparing pea-
nut shell ba sed activ ated carbon and its mechanism a re also addressed.The applica tion pro spect of peanut shell based
activated ca rbon in wastew ater treatment and the advantages o f planting activated carbon from peanut shell in our
countr y ar e pointed out.
Key words:peanut shell;activated ca rbon;pho spho ric acid ac tivation;w astew ater treatment
花生是我国主要的油料作物和传统的出口农产品 ,其总产量和出口量均居世界首位[ 1] 。2005
年我国花生年总产量达 14500 kt 以上[ 2] ,占世界花生总产量的 42%,每年约可产 4500 kt 花生
壳[ 3] 。这些花生壳除少部分被用作饲料外 ,绝大部分被白白烧掉 ,造成了资源的极大浪费。花生壳
约占花生质量的 30%,其中主要含半纤维素和粗纤维素 ,两者约占花生壳质量的 75%～ 80%,此外
还含蛋白质 ,粗脂肪 ,碳水化合物等营养物质 。从元素含量来看 ,花生壳主要由碳 、氢 、氧等元素组
成 ,此外还含有少量的氮 、磷 、钾 、钙 、镁 、锰 、锌等[ 4] 。此外 ,花生壳中还含有如木糖 、木质素[ 5] 等药
用成分 ,经过化学方法处理后可提取如糠醛[ 6] 、菲丁[ 7] 、葡萄糖等化学原料。因此 ,许多科研工作者
对花生壳的开发利用作了大量研究以提高花生壳的利用价值。其中将花生壳作为原料经过碳化 、
活化等工艺制备各类活性炭的研究成为热点 。研究人员将花生壳活性炭应用于液相吸附的各个方
面 ,取得了可喜的进展。
活性炭(Activ ated carbon ,简称 AC)是一种利用生物有机物质(如木材 、焦炭 、石油焦 、各种坚
果壳等)制备的具有发达孔隙结构和大比表面积的多孔炭素材料 。作为一种性能优良的吸附剂 ,活
性炭材料化学性质稳定 、机械强度高 、耐酸碱 、耐热 、不溶于水和有机溶剂且可以再生利用 ,已经被
　花 生 学 报　2007 , 36(3):1 ～ 4
　Journal o f Peanut S cience , Vol.36 , No.3 , 2007
＊ 收稿日期:2007-05-15
作者简介:徐涛(1981-),男 ,江苏常州人 ,南京工业大学 ,博士 ,主要从事生物质活性炭的制备及吸附方面研究。
DOI :10.14001/j.issn.1002-4093.2007.03.002
广泛用于气体液体的分离精制 、资源回收等各个方面[ 8] ,特别是在环境保护领域(如废水净化处理)
有广泛的发展空间[ 9] 。用花生壳制备活性炭的工艺早在二十世纪 90年代中期就有报道。Peria-
samy K.等[ 10 ～ 13] 用花生壳作为原料制备了活性炭用于吸附水中的 Hg(II)、Pb(II)、Ni(II)和 Cu
(II)等重金属离子 ,取得了一定的研究进展 。2001年美国农业部南方地区研究中心报道了一种由
核桃壳和花生壳制备活性炭的方法[ 14] 。该活性炭比表面积为 1200 ～ 1500 m2/g ,用于从溶液中去
除重金属 ,其吸附能力为普通活性炭的 3 ～ 4倍。该项研究成果的问世引起了各国研究人员的广泛
关注 。从 2001年到 2006 年 ,围绕花生壳活性炭的制备工艺及应用 ,相继出现了一系列的研究报
道 ,本文就国内外花生壳活性炭的制备和在吸附方面应用两方面的研究现状进行概述。
1　花生壳活性炭制备方面的研究现状
生产活性炭的方法主要分为物理活化法和化学活化法 。由于花生壳和其它木质原材料一样 ,
主要成分是木质素和纤维素 ,所以花生壳活性炭的生产工艺和其它木质活性炭一样 ,主要是化学
法 ,包括磷酸活化法 ,氯化锌活化法 ,氢氧化钾活化法和其它化学品活化法。目前研究比较成熟的
是氯化锌活化法和磷酸活化法 。氯化锌活化法是成熟工艺 ,应用较早 ,优点是工艺简单 ,操作方便 ,
原料利用率高 ,产品脱色率高等。但也存在环境污染 ,氯化锌回收困难 ,成本高等缺陷。采用磷酸
作为活化剂制备活性炭可以克服氯化锌活化工艺的缺点 ,但也存在对装置要求高(通常需要耐高温
磷酸腐蚀的理想材料),制备出的活性炭灰分普遍较高等问题 ,影响该工艺的工业规模生产和应用
推广 。两种活化工艺各有优势 ,因此国内外研究人员在利用花生壳制备活性炭的过程中均对上述
工艺有所研究 ,取得了一定进展。 　
杨性坤等[ 15] 采用 ZnCl2 、H3 PO 4作为活化剂 ,采用经预处理提取菲丁和糠醛后的花生壳酸性
残渣为原料 ,探讨了制备活性炭的工艺条件 。结果表明 ,在活化剂浓度相同的情况下 ,ZnCl2 活化
工艺活性炭的收率高于 H 3PO4 活化工艺。同时以活化剂 ZnCl2 质量浓度为 5%～ 25%,活化时间
为 1 ～ 5 h ,活化温度为 450℃～ 650℃等因素为条件进行了实验 ,得出当活化温度为 650℃,活化剂
ZnCl2 溶液浓度为 15%,活化时间为 4.5 h 时可制得亚甲基蓝脱色力最强的活性炭。此外采用一
步法 ,即炭化活化工艺合并的方法从生产成本和产品性能上讲比较适合花生壳活性炭的生产 。孔
海平等[ 16]采用氯化锌活化法 ,以花生壳为原料制备了高性能的花生壳活性炭 ,并通过正交实验得
出了该活化法制备活性炭的最佳工艺条件 ,即花生壳原料与氯化锌溶液(质量浓度为 60%)质量比
为1∶2.5 ,活化温度为 600℃,活化时间为 1.5 h ,在该工艺条件下制得的花生壳活性炭具有较高的
碘吸附值和亚甲基蓝吸附值。Badie S.Girgis等[ 16] 研究了以花生壳为原料 ,采用磷酸 、氯化锌 、氢
氧化钾和水蒸气为活化剂 ,经一步法生产活性炭的工艺。对各种工艺条件下制备得到的活性炭的
比表面积 、孔径分布等方面的性质进行了重点研究 。结果表明 ,氯化锌活化法制得微孔丰富的活性
炭;氢氧化钾和水蒸气活化法一样 ,可制得中孔比较发达的活性炭 ,且随着活化温度的增加(700℃
～ 950℃),活性炭的收率大为降低 ,600℃水蒸气活化法可在保证收率较高的情况下得到中孔发达
的活性炭;在不断增加磷酸和花生壳原料配比的情况下可制得微孔丰富 、高比表面积和总孔容积的
活性炭 ,并且比率为 1.0时达到最大。同时他们还指出 ,磷酸活化的活性炭具有很强的亚甲基蓝脱
色力 ,而氢氧化钾活化的活性炭的亚甲基蓝脱色力最弱 。Luis C.Romero 等[ 17] 采用磷酸活化法制
备花生壳活性炭用于去除水中苯酚 、亚甲基蓝和单宁酸等有机物 。活化剂磷酸质量浓度为 40%,
活化剂和花生壳质量比为 0.9 ,活化温度为 500℃,活化时间为 1.5 h 。制得的活性炭比表面积为
1735 m
2/g ,总孔容(P/P 0 =0.95)为 1.12 ,微孔容积为 0.91 ,该活性炭微孔发达 ,且在有机物浓度较
低的条件下显示出了良好的吸附特性。
2 　　　　　　　　　　　　　　　花　生　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　36 卷　
从活化机理来看 ,化学活化法由于活化剂的加入 ,大大降低了活化所需的温度 ,特别是磷酸活
化法过程中 ,磷酸药品的加入从根本上改变了花生壳的热解历程。Mari t Jag toy en et al[ 18] 研究表
明 ,磷酸的加入降低了炭化活化温度 ,在 150℃就开始形成微孔 , 200 ～ 450℃主要形成中孔 ,在
400℃左右就可以制备出收率高 ,质量较好的活性炭。但由于在炭化活化过程中磷酸和木质素和纤
维素进行结合 ,可制备不同孔径的活性炭 ,木质素主要参与微孔的形成 ,纤维素主要参与中孔的形
成。活性炭孔隙分布的改变可通过改变活化温度和原料与磷酸配比来实现 。从各种不同活化工艺
制得的花生壳活性炭的收率来看 ,氯化锌活化法制备花生壳活性炭的收率在 40%左右 ,略高于磷
酸活化法制备工艺(约 35%),即 1 kg 花生壳原料可制备 350 ～ 400 g 的活性炭成品 。目前有关制
备花生壳活性炭的工艺还没有工业化应用的报道 ,仅仅停留在实验室阶段 ,随着活化工艺条件的日
趋成熟 ,工业化应用将成为可能。
2　花生壳活性炭应用方面的研究现状
国内有关花生壳活性炭的应用研究报道甚少 ,国外该课题的研究主要集中在水中重金属离子
和有机物杂质的去除和电化学应用等方面。Luis C.Romero 等[ 19] 研究了花生壳活性炭液相吸附
去除水中 Ni(II)、Cu(II)、Zn(II)和 Cr(VI)等重金属离子 ,探讨了离子浓度和溶液 pH 值对吸附容
量的影响。结果表明 ,对于 Ni(II)、Cu(II)和 Zn(II)三种离子 ,随着溶液 pH 值的增加 ,花生壳活性
炭对其的吸附量呈增加趋势 ,而 Cr(VI)离子的吸附则相反 ,当溶液的 pH 值低于活性炭的零点电
势(pHpzc)时 ,活性炭对 Cr(VI)离子的吸附量最大;在相同实验条件下 ,花生壳活性炭对金属离子
的吸附量为Cu(II)>Zn(II)>Ni(II),吸附量的大小和金属离子本身的电负性有关。Kermit Wil-
son等[ 20] 采用水蒸气活化法制备花生壳活性炭 ,用去吸附水溶液中的 Cd(II)、Ni(II)、Cu(II)、Pb
(II)和Zn(II)等金属离子。他们发现在 800℃下经水蒸气活化 4 h制得的活性炭吸附效果最佳 。
通过与其它两种商品活性炭(NORIT C G RAN 和 M INO TAUR)的对比实验发现 ,花生壳活性炭
对各种金属离子的吸附量都达到或超过了这两种市售活性炭。由此认为用该活化工艺制备花生壳
活性炭不仅工艺简单 ,而且成本较低 ,可以有效地进行花生壳资源再生利用 。Elio E.Gonzo 等[ 21]
采用 Pesudo 拟二级吸附模型研究了苯酚在酸活化花生壳活性炭上的吸附动力学 ,考察了不同苯酚
的初始浓度 ,加入活性炭的量以及不同颗粒大小的活性炭对吸附速率常数的影响 ,结果表明 , Pesu-
do 拟二级吸附模型能很好地描述苯酚在酸活化花生壳活性炭上的吸附动力学 ,通过该模型能准确
地预测苯酚在活性炭上的平衡吸附量 ,苯酚在活性炭上的初始吸附速率随着苯酚浓度的增大而增
加 ,且活性炭颗粒越小越有利于对苯酚的吸附。G.Ting-Kuo Fey 等[ 22] 采用在氩气保护下两步法
炭化活化的工艺制备了花生壳活性炭 ,并讨论了在活化过程中扩孔剂的加入对活性炭孔结构的影
响。制备出的该类活性炭作为锂离子电池石墨负极材料 ,通过恒流冲放电实验表明 ,加入扩孔剂在
500℃条件下活化制得的活性炭显示出了良好的锂离子吸附功能 , 其初始锂离子吸附容量可达
4765 mA h/g 。此外 ,锂离子在活性炭上的吸附不仅包括在表面的单层吸附 ,还包括锂离子在活性
炭内部微孔中的扩散 ,活性炭材料表面官能团的存在也是增强锂离子吸附量的一个重要因素 。
3　结　语
综上所述 ,花生壳活性炭国内外研究的重点主要是以下两点:(1)采用不同的活化工艺进行实
验 ,探讨花生壳在不同工艺下的活化机理 ,以寻找最佳工艺条件 ,制备高性能的活性炭;(2)结合不
同活化工艺制备花生壳活性炭材料本身具备的孔结构及表面化学特性对其在液相吸附等方面的机
理进行研究 ,以确定不同用途活性炭的制备工艺 ,提高活性炭的吸附容量。此外 ,对于磷酸活化法
3　3期　　　　　　　　　　　　　　徐　涛 ,等:花生壳活性炭研究进展　　　　　　　　　
制备花生壳活性炭的工艺 ,如何在简化工艺降低生产成本的前提下制备低灰分高质量的活性炭材
料也是研究的主要方向。由于花生壳活性炭在制备工艺条件方面还不成熟 ,且花生壳活性炭应用
与废水处理后的再生问题一直难以解决 ,吸附饱和后的活性炭易带来二次污染 ,故花生壳活性炭的
制备和应用受到了限制 ,随着该课题研究的深入 ,将活性炭吸附工艺和其他水处理工艺结合运用或
开发易再生的活性炭品种 ,最大限度地减少处理后的环境污染问题将成为可能 。目前国内有关花
生壳制备活性炭及其后续应用的研究较少 ,如果能加大研究开发的力度 ,最大程度地实现花生壳的
再次利用 ,势必能极大地改善我国花生壳资源严重浪费的现状 ,产生明显的经济效益 。
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花生低温干燥脱红衣设备研制成功
一种花生低温干燥脱红衣成套设备研制成功 ,并已投入市场。该设备是由山东省农机研究所农副产品加工技
术中心研制的。据山东省农机研究所农副产品加工技术中心孙众沛研究员介绍 ,该设备采用低温 、大风量花生表
皮干燥技术 ,避免了花生在传统干燥过程中因温度过高引起的花生蛋白质变性 ,利于花生进一步的深加工 ,如提取
花生组织蛋白或分离蛋白等高附加值产品。该设备加工花生破碎率低 、红衣脱除率>95%, 适用于花生食品加工 、
外贸出口等企业。
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