本发明涉及一种活性炭及其制备方法，具体涉及一种香蕉茎活性炭及其制备方法。属于活性炭制备技术领域。
背景技术
在大力发展绿色化学，绿色农业的大环境下，积极发展对农副活性炭类的二次利用是响应时代的追求，现阶段，活性炭制造业已经开始淘汰zncl2活化法制备活性炭，向h3po4活化法方向靠拢。根据最新数据统计，2016年世界范围的香蕉收获面积为434.97万公顷，产量在7024吨，其中收获面积及产量最大的亚洲国家是印度，为58.81万公顷和1484万吨，分别占世界的13.64％和23.74％；其次是位于南美洲的巴西。其它的香蕉主出产国还有中国、哥斯达黎加、越南、菲律宾、印度尼西亚、厄瓜多尔、泰国等国家。广西、云南、海南、福建、广东等几个省份有着我国香蕉种植面积的90％。我国香蕉种植业依旧发展良好，这代表着我们的原料香蕉茎来源是非常广泛的。同时也存在着巨大的研究价值。
据统计，一株香蕉植株高则可产出360～470g香蕉茎纤维，低则可产170～250g香蕉茎纤维。果农在收割其果实后,茎杆大多都废弃在田间。将原料大量回收变废为宝，可用广泛应用作炭化材料，有机饲料原料，化肥类，纺织原料,必将有利于增加香蕉种植业的效益和推动香蕉种植区的高新行业的发展，从而提高经济效益。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种以香蕉茎为原料、变废为利、节能环保、工艺简单、效率高成本低的蕉茎活性炭的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种香蕉茎活性炭，以香蕉茎为原料制备。
本发明还提供一种香蕉茎活性炭的制备方法，包括以下步骤：
(1)香蕉茎的预处理：将香蕉茎水洗去除表面的灰尘及杂质后，烘干，粉碎，过100目筛，得香蕉茎粉末；
(2)浸渍：将上述香蕉茎粉末与磷酸溶液按照一定的料剂比在室温下浸渍；
(3)活化：将浸渍后的香蕉茎粉末进行活化；
(4)清洗和烘干：将活化后的产物冷却后用去离子水清洗，于100℃的干燥箱中烘干，得到干燥的活性炭。
清洗的目的是洗去残留磷酸及炭活化过程中产生的化学物质，直至清洗液的ph为6-7。
室温指25℃。
步骤(2)所述料剂为香蕉茎粉末质量与磷酸溶液质量的比值。
优选的，步骤(2)所述磷酸的质量浓度为60％～80％，所述料剂比为1:1～1:6，所述磷酸溶液浸渍时间为3～18h。
优选的，步骤(3)所述活化温度为300～550℃，活化时间为45～120min。
进一步优选的，所述磷酸浓度为70％，料剂比为1:5，磷酸溶液浸渍时间12h，活化温度为450℃，活化时间为75min。
本发明的有益效果：
(1)本发明利用废弃的香蕉茎为原料，来源广泛、价廉易得且属可再生资源，变废为利，既有利于废弃物综合利用和环境保护，实现了对香蕉特色产业废弃物的资源化利用，也扩大了活性炭的原料来源，降低活性炭的生产成本。
(2)本发明方法工艺简单、高效，同时变废为宝，符合循环经济发展的需要。
(3)本发明产品香蕉茎活性炭的比表面积为1177.03m2/g，总孔容为1.90cm3/g；微孔体积为：0.38cm3/g，中孔体积为：1.52cm3/g。有较强的吸附性能；香蕉茎活性炭对水中阿莫西林的去除率最高可达90％。
附图说明
图1是磷酸浸渍时间对香蕉茎活性炭吸附性能影响图；
图2是料剂比(香蕉茎质量与磷酸质量比)对香蕉茎活性炭吸附性能影响图；
图3是香蕉茎的红外光谱图；
图4是n2气吸/脱附等温线；
图5是香蕉茎活性炭的孔径分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
实施例1：一种香蕉茎活性炭的制备方法，包括以下步骤：
(1)香蕉茎的预处理：将香蕉茎水洗去除表面的灰尘及杂质后，烘干，粉碎，过100目筛，得香蕉茎粉末；
(2)浸渍：采用磷酸作为制备香蕉茎活性炭的活化剂，将质量分数为85％的磷酸配制成不同浓度的磷酸溶液；
将上述香蕉茎粉末与磷酸溶液按照一定的料剂比(香蕉茎粉末质量与磷酸溶液的质量)在室温下浸渍一定时间；
(3)活化：将浸渍好的香蕉茎粉末装入陶瓷坩埚后置于箱式电炉中，在一定温度下进行活化。
(4)清洗和烘干：将活化后的香蕉茎活性炭冷却后用去离子水反复清洗，洗去残留磷酸及炭化和活化过程中产生的焦油等化学物质，直至清洗液的ph为6-7，得到湿活性炭，将湿活性炭置于100℃的干燥箱中烘干，得到干燥的活性炭。
本实施例中，料剂比选择为1:3，香蕉茎粉末在室温下浸渍时间为12小时，活化温度为500℃，活化时间1h，磷酸浓度(质量分数)分别选择30％、40％、50％、60％、70％、80％进行实验，得到不同磷酸浓度对香蕉茎活性炭吸附性能的结果见表1所示。
表1磷酸浓度对香蕉茎活性炭吸附性能的影响
表1的数据表明：在磷酸浓度在30％-70％的范围内，香蕉茎活性炭中孔和微孔的的产生受磷酸浓度大小的影响比较大，随着磷酸浓度的增加，香蕉茎活性炭的活化程度提髙，样品材料的微孔己经基本制造完全，而磷酸浓度的提高，过多的磷酸腐蚀掉原来的微孔而产生中孔。当磷酸浓度高于70％后，香蕉茎活性炭的碘值和亚甲基蓝值呈现下降趋势，这主要是因为当磷酸浓度过高时，由于磷酸过于黏稠且流动性太差，浸渍过程中磷酸无法较好的浸入香蕉茎的内部结构，从而在活化过程中无法形成很好的孔隙结构。
实施例2：选择磷酸质量分数为70％，料剂比1:3，在室温浸渍12h，活化时间为1h，活化温度分别选择300℃、350℃、400℃、500℃、550℃，其他条件与实施例1相同，制备香蕉茎活性炭。结果如表2所示。
表2活化温度对香蕉茎活性炭吸附性能的影响
由表2可知，香蕉茎活性炭的亚甲基蓝吸附值及碘值，在随着活化温度的升高，呈现一个先升高后下滑的趋势线。香蕉茎活性炭的碘值在400℃时达到最大，随后随着温度的升高，碘值下降。这是因为香蕉茎活性炭的微孔在400℃最为发达。当温度低于400℃时，随着温度的升高，活性炭碘值逐渐提高，这说明温度升高，活性炭的微孔形成的越好。当温度高于400℃时，过高的温度造成微孔的过度烧蚀，造成微孔数量的减少，从而碘值随温度的提高下降。
对比碘值吸附曲线和亚甲基蓝吸附曲线可看出：400℃后正好是香蕉茎活性炭微孔结构开始烧蚀形成中孔的起始点，同时由于活化温度过高，中孔会发生结构收缩。当温度达到500℃时，亚甲基蓝吸附值出现峰值，这说明当活化温度到500℃时，活性炭微孔的烧蚀作用明显超过活性炭中孔结构的收缩作用，从而造成中孔的明显增多。当温度高于500℃后，中孔也开始过度烧蚀形成大孔，因而亚甲基蓝吸附曲线开始下降。
实施例3：选择浸渍时间12h，70％的磷酸浓度，料剂比1:3，活化温度为450℃，活化时间分别为45、60、75、90、105、120min，其他条件与实施例1相同，制备香蕉茎活性炭。结果见表3所示。
表3活化时间对香蕉茎活性炭的吸附性能影响
由表3可知，活化时间对香蕉茎活性炭碘值和亚甲基蓝值曲线的影响基本是相同的。都是随着活化时间的増长先升高后下降。碘值在活化时间为60min时达到峰值，亚甲基蓝值在活化时间75min时达到峰值。这说明在活化的初始阶段，活性炭的活化还不够完全，随着活化时间的增加，香蕉茎在磷酸的作用下不断被活化产生微孔和中孔，故其碘值和亚甲基蓝值都会随活化时间增加而增加。当活化完全后，随着活化时间的增长，活性炭结构孔结构逐渐被烧蚀；活性炭的微孔和中孔逐渐变成中孔和大孔。同时由于磷酸的缩合作用，活性炭的炭结构逐渐收缩，造成活性炭比表面积的下降。
实施例4：选择活化时间75min，70％的磷酸浓度，料剂比1:3，碳化温度为450℃，浸渍时间分别选择3h、6h、9h、12h、15h、18h，其他条件与实施例1相同，制备香蕉茎活性炭。结果见表4和图1所示。
表4浸渍时间对香蕉茎活性炭的吸附性能影响
由图1可以看出，随着浸渍时间的增加，香蕉茎活性炭的碘值和亚甲基蓝吸附值都呈现一个逐渐上升然后到最后趋于平缓的状态。碘值吸附曲线和亚甲基蓝吸附曲线均在12h时候趋于平缓，这说明在12h之前，随着浸渍时间的增加，磷酸溶液不断的进入香蕉茎的内部孔隙结构，因而其吸附性能也逐渐提高，到12h之后，磷酸已经达到了饱和浸渍状态，因而继续增加浸渍时间，对香蕉茎活性炭的吸附性能影响不大。
实施例5：选择活化时间75min，70％的磷酸浓度，浸渍时间12h，活化温度为450℃，料剂比1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:6，其他条件与实施例1相同，制备香蕉茎活性炭。结果见图2所示。
由图2分析结果，香蕉茎活性炭的碘值吸附曲线和亚甲基蓝吸附曲线随着料剂比的提高都是呈现一种先升高再下降的趋势。产生这种现象的原因是：当料剂比过小，由于磷酸含量过于稀少，无法对香蕉茎原料内部的孔隙结构起到很好的保护作用，在活化过程中由于基本没有磷酸的保护作用，原料内部的孔隙结构基本烧失完全，从而不能起到很好的吸附作用；随着料剂比的提高，磷酸己经可以完全保护香蕉茎活性炭微孔的形成，当料剂比增加时，多余的磷酸开始在香蕉茎活性炭微孔的基础上继续造孔，烧蚀其微化结构形成中孔，此时活性炭的微孔数量减少，中孔数量增加；当料剂比超过1:5时，由于磷酸含量过多，造成微孔大量被烧蚀，活性炭内部中孔到大孔的形成，从而不仅降低了微孔的数目，也降低了的中孔的数目。
香蕉茎活性炭的结构表征：
通过傅里叶红外光谱仪的表征，根据获得的波谱的峰强、峰位和峰型可以获得制备的活性炭的结构信息，将干燥好的活性炭样品，在4000cm-1～500cm-1范围内对样品进行红外光谱扫描，分析其官能团。从图3中可以看出，香蕉茎活性炭在3742cm-1处有较小的o-h伸缩振动峰，1697cm-1处及是c＝o伸缩振动峰，1510cm-1为c＝c或芳香的骨架振动。
将干燥好的活性炭样品，准确称重后，在300℃，常压的环境下，预处理10h，后使用孔隙及比表面分析仪测出其比表面积和微孔中孔分布情况。
由asap2020全自动比表面积及孔隙测试仪，检测出香蕉茎活性炭的比表面积1177.03m2/g。总孔容为1.90cm3/g；微孔体积为：0.38cm3/g，中孔体积为：1.52cm3/g。
由图4可以看出香蕉茎活性炭的吸附、脱附曲线存在明显的回线，符合第4类吸附等温线的特征。在相对压力低于0.03时，随着压力的增加，吸附曲线显著增加，这时候主要是形成单分子的吸附层，当相对压力在0.03～0.60时，单分子层吸附逐渐达到饱和，并开始进行多层吸附；在相对压力大于0.60后，曲线产生滞后回线，说明在较高的相对压力下发生了毛细凝聚现象，由于曲线在此阶段上升缓慢，说明中孔的分布比较宽。在相对压力低于0.60时，吸附曲线和脱附曲线是完全重合的，没有发生毛细凝聚现象，孔已经被完全的填满，说明材料中存在发达的中孔结构。香蕉茎活性炭的孔径分布图如图5所示。
香蕉茎活性炭对水中阿莫西林的吸附作用：
将按照本发明方案制备出来的活性炭用于吸附水中的阿莫西林。在吸附温度为40℃，吸附液ph＝3，活性炭投放量为3g/l，吸附时间为12h时，香蕉茎活性炭对水中阿莫西林的去除率最高可达90％。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。