一种基于费约果不溶性膳食纤维的多孔生物碳及其制备方法

1.本发明属于功能性天然生物质材料技术领域，具体涉及到一种基于费约果不溶性膳食纤维的多孔生物碳及其制备方法。


背景技术：

2.活性炭是一种的无定形的碳基材料，具有高比表面积和高孔隙率结构。由于其良好的吸附性能和多孔结构，活性炭被广泛用于吸附水和空气中的污染物，以及作为能源储存、催化和电极的材料。目前，商业活性炭通常是以煤为原料生产的，煤作为前体，所以它受到煤的不可再生性的限制，而且其价格仍然很高。因此，人们将研究和开发的重点放在生物质活性炭上。当前，有关生物碳的报道已有较多报道，主要集中在原料的选择上，如各种植物的来源，以及植物的根、茎、叶、种子和果壳等。而对于果蔬的生物活性物质，特别是不溶性膳食纤维等来作为碳源的报道甚少。
3.不溶性膳食纤维是果蔬中的主要成分，也是果蔬加工中主要的丢弃物。利用该材料不仅实现了果蔬废渣的再利用，提升其应用价值，还能缓解其对环境造成的污染。前期对费约果果肉生物活性物质的提取研究发现，其不溶性膳食纤维占干物质含量的60％以上，如果不加以利用，会造成大量资源的浪费。因此，如何利用费约果不溶性膳食纤维基制备出吸附性能好、生产成本低的多孔生物炭是目前需要解决的主要问题之一。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于费约果不溶性膳食纤维的多孔生物碳及其制备方法，可以促进农业废弃物高值化利用，并获得富含多孔结构、吸附性能好的费约果不溶性膳食纤维基的多孔生物碳。
5.为达上述目的，本发明提供了一种基于费约果不溶性膳食纤维的多孔生物碳的制备方法，包括以下步骤：
6.(1)将费约果残渣粉末与氯化锌共溶于去离子水中，冷冻干燥后制得混合物；
7.(2)将混合物依次经煅烧、酸碱中和及真空干燥后，研磨过筛，制得基于费约果不溶性膳食纤维的多孔生物炭；
8.煅烧的过程包括：于保护气体氛围中以3-5℃/min的升温速率升温至300-700℃，煅烧1-2h。
9.优选的，费约果残渣粉末通过以下方法制备得到：
10.将费约果经生物酶解提取果胶后剩余的果肉残渣烘干后粉碎，过60目筛制得。
11.优选的，费约果残渣粉末、氯化锌与去离子水的质量比为1:3-5:100。
12.优选的，冷冻干燥的温度为-60～-50℃，冷冻干燥的时间为24h。
13.优选的，酸碱中和具体包括以下步骤：
14.将煅烧后的产物研磨后过60目筛，得到生物碳粉后使用酸溶液浸泡，再使用碱溶液浸泡后，去离子水反复清洗即可。
15.优选的，酸溶液为浓度为0.5-2mol/l的盐酸溶液，酸溶液浸泡时间为8-12min；碱溶液为浓度为0.5-2mol/l的氢氧化钠溶液，碱溶液浸泡后的溶液ph为中性。
16.优选的，煅烧的过程包括：于氮气氛围中以5℃/min的升温速率升温至500℃，煅烧1h。
17.优选的，真空干燥的温度为-60～-50℃，真空干燥的时间为24h。
18.本发明还公开了上述基于费约果不溶性膳食纤维的多孔生物碳的制备方法制备得到的基于费约果不溶性膳食纤维的多孔生物碳。
19.综上，本发明具有以下优点：
20.1、本发明的方法解决了费约果不溶性膳食纤维的利用问题，提高了其经济价值，可以促进农业废弃物高值化利用，为果蔬残渣的高效科学利用提供了一条新途径。
21.2、本发明提供一种多孔生物炭的制备方法，通过温和的反应条件与常规设备进行的操作，控制工艺的成本，确保生物炭的生产符合化工生产的特性，进而提高活性炭的大规模生产产量。
22.3、本发明制备的多孔生物碳富含多孔结构、吸附性能好，尤其是对亚甲基蓝具有较强的去除效果，可将材料应用于环境治理方面，扩大费约果不溶性膳食纤维的应用领域。
附图说明
23.图1为不同烧制温度下生物碳的sem图；
24.图2为不同烧制温度下生物碳的xrd图；
25.图3为不同烧制温度下生物碳的ftir图；
26.图4为不同烧制温度生物碳对亚甲基蓝的吸附能力。
具体实施方式
27.以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
28.实施例1
29.本实施例提供了一种基于费约果不溶性膳食纤维的多孔生物碳的制备方法，包括以下步骤：
30.(1)原料来自生物酶解提取果胶(费约果)后剩余的果肉残渣，将烘干后的果渣用中药打粉机进行粉碎后过60目筛。
31.(2)称取1g果渣粉和4g氯化锌加入100ml去离子水中，利用磁力搅拌器以200rpm的速度连续搅拌4h，然后冷冻干燥。冷冻干燥的温度为-56℃，冷冻干燥的时间为：24h。
32.(3)将干燥后的混合物置于管式煅烧炉中，炉内充满氮气。以每分钟5℃的速度升温至500℃煅烧1h后，取出冷却至室温。
33.(4)用玛瑙研钵研磨将步骤(3)得到的碳化的碳研磨成粉后过60目筛，得生物碳粉。
34.(5)将研磨的生物碳粉末用1mol/l的盐酸溶液浸泡10min，再用1mol/l氢氧化钠进行酸碱中和得ph为中性，并用去离子水反复清洗去除杂质。
35.(6)用冷冻干燥机对(5)制得的生物碳粉干燥备用。
36.实施例2
37.本实施例提供了一种基于费约果不溶性膳食纤维的多孔生物碳的制备方法，包括以下步骤：
38.(1)原料来自生物酶解提取果胶(费约果)后剩余的果肉残渣，将烘干后的果渣用中药打粉机进行粉碎后过60目筛。
39.(2)称取1g果渣粉和5g氯化锌加入100ml去离子水中，利用磁力搅拌器以200rpm的速度连续搅拌4h，然后冷冻干燥。冷冻干燥的温度为-56℃，冷冻干燥的时间为：24h。
40.(3)将干燥后的混合物置于管式煅烧炉中，炉内充满氮气。以每分钟3℃的速度升温至400℃煅烧1h后，取出冷却至室温。
41.(4)用玛瑙研钵研磨将步骤(3)得到的碳化的碳研磨成粉后过60目筛，得生物碳粉。
42.(5)将研磨的生物碳粉末用1mol/l的盐酸溶液浸泡10min，再用1mol/l氢氧化钠进行酸碱中和得ph为中性，并用去离子水反复清洗去除杂质。
43.(6)用冷冻干燥机对(5)制得的生物碳粉干燥备用。
44.实施例3
45.本实施例提供了一种基于费约果不溶性膳食纤维的多孔生物碳的制备方法，包括以下步骤：
46.(1)原料来自生物酶解提取果胶(费约果)后剩余的果肉残渣，将烘干后的果渣用中药打粉机进行粉碎后过60目筛。
47.(2)称取1g果渣粉和3g氯化锌加入100ml去离子水中，利用磁力搅拌器以200rpm的速度连续搅拌4h，然后冷冻干燥。冷冻干燥的温度为-56℃，冷冻干燥的时间为：24h。
48.(3)将干燥后的混合物置于管式煅烧炉中，炉内充满氮气。以每分钟5℃的速度升温至700℃煅烧1h后，取出冷却至室温。
49.(4)用玛瑙研钵研磨将步骤(3)得到的碳化的碳研磨成粉后过60目筛，得生物碳粉。
50.(5)将研磨的生物碳粉末用1mol/l的盐酸溶液浸泡10min，再用1mol/l氢氧化钠进行酸碱中和得ph为中性，并用去离子水反复清洗去除杂质。
51.(6)用冷冻干燥机对(5)制得的生物碳粉干燥备用。
52.试验例1
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形貌结构测定
53.应用evo 18扫描电子显微镜(carl zeiss公司，oberkochen，德国)观察生物碳的表面形态，测试电压为25kv。采用x射线衍射(xrd)技术来分析材料的晶体结构，测试条件为铜kα辐射(λ＝0.1542nm)，40kv和30ma。傅里叶变换红外光谱(ftir)分析是使用perkinelmer spectrum one分光光度计(perkinelmer,waltham,usa)进行的，配备了通用衰减全反射(atr)。在4000到400cm-1
的波数下以4cm-1
的分辨率通过32次扫描测量。
54.试验例2
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亚甲基蓝染料吸附
55.在每批中，将10ml具有预先已知浓度的染料溶液与10mg多孔生物碳材料混匀。使用分光光度计在664nm下吸光值。以下数学关系用于评价生物碳的吸附能力。
[0056][0057]
其中，qe(mg/g)为吸附的总量；v(l)是染液的体积；m是吸附剂的质量(g)。根据朗博比尔定律可知，对于较稀的溶液，其吸光度值和溶液浓度成正比，即可根据溶液的吸光度值算出浓度。
[0058]
实验结果
[0059]
(1)由图1可以看出，多孔生物碳可以观察到大量的微孔、介孔、大孔以及层状结构，其中500℃和600℃烧制的生物碳具有更多的孔隙结构。(图1中的各个分图分别表示：a、费约果果渣不溶性膳食纤维sem图；b、300℃烧制的生物碳sem图；c、400℃烧制的生物碳sem图；d、500℃烧制的生物碳sem图；e、600℃烧制的生物碳sem图；f、700℃烧制的生物碳sem图)。
[0060]
(2)图2为费约果果渣不溶性膳食纤维和生物碳的xrd图，图中明显显示了2θ＝20
°
～30
°
和2θ＝40
°
～50
°
范围内的两个宽峰。这两个峰归因于生物碳的(002)平面和(100)平面的反射，这表明存在排列良好的石墨状晶体结构。在角度较低的区域有衍射且强度较大，也从另一方面印证了其具有微孔结构。
[0061]
(3)图3为不溶性膳食纤维及活化后的多孔碳的ft-ir图，显示了活化前不溶性膳食纤维与活化后的多孔碳具有-oh、-ch2、c＝o、c＝c、c-h等结构。活化过程中会脱水，脱掉部分的氢原子(h)和氧原子(o)，导致部分结构弱化甚至消失。
[0062]
(4)图4为不同烧制温度生物碳对亚甲基蓝的吸附能力，可以看出，500℃下烧制成的多孔生物炭对亚甲基蓝染液吸附能力最优。
[0063]
虽然对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。