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微波輻照氯化鋅法制備酸棗核殼活性炭工藝及其性能*

張嚴(yán)磊1，高永霞1，劉妍如1，宋忠興1，唐志書1，王梅2

(1.陜西中醫(yī)藥大學(xué)陜西省中藥資源產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心，陜西省中藥基礎(chǔ)與新藥研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西咸陽 712083；

2.陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院，陜西咸陽 712083)

摘要：采用微波輻照氯化鋅法，對(duì)以酸棗核殼為原料制備活性炭開展了工藝及性能研究。通過正交試驗(yàn)法研究了不同因素：氯化鋅濃度(A)、浸漬時(shí)間(B)、微波功率(C)、輻照時(shí)間(D)對(duì)酸棗核殼活性炭的得率、碘吸附值、亞甲基藍(lán)吸附值的影響。結(jié)果表明：微波輻照氯化鋅法制備酸棗核殼活性炭的最佳制備工藝條件為A3B1C3D2，即氯化鋅濃度50 %,浸漬時(shí)間14 h,微波功率700 W，輻射時(shí)間7 min；在此條件下，酸棗核殼活性炭的得率為60 %，碘吸附值與亞甲基藍(lán)脫色力分別為933.24 mg/g和111.92 mL/g；不同處理量的梯度試驗(yàn)表明，該工藝具備大規(guī)模處理酸棗核殼的能力。

關(guān)鍵詞：酸棗；微波輻照；氯化鋅法；酸棗核殼；活性炭

酸棗[ZiziphusjujubaMill.var.spinosa(Bunge) Hu ex H.F.Chow]，為鼠李科棗屬植物，廣泛分布于中國各地，尤其在北方是防風(fēng)固沙及農(nóng)民創(chuàng)收的重要林業(yè)資源之一。成熟的酸棗在去除果肉和果核殼后采集到的果仁——酸棗仁，是中國傳統(tǒng)名貴中藥材，含有黃酮、皂苷、生物堿等多種活性成分，具有鎮(zhèn)靜催眠的功效[1]。

目前，對(duì)酸棗資源的利用主要是以采收酸棗仁藥用為主，而其他非傳統(tǒng)藥用部位——果肉、果核殼等，大多被當(dāng)作廢棄物而丟棄了。而研究表明果肉中也含有大量的資源性化學(xué)成分[2]、酸棗核殼中富含木質(zhì)素及礦物質(zhì)，是開發(fā)木質(zhì)活性炭的優(yōu)良材料。

木質(zhì)活性炭由于具有許多優(yōu)良的性能，在制藥、化工等行業(yè)被廣泛使用[3～4]。陜西幾家制藥企業(yè)每年有上百噸的酸棗核殼產(chǎn)生，但是鮮見有對(duì)其進(jìn)行開發(fā)研究的相關(guān)報(bào)道，因此本研究將以酸棗核殼為資源制備木質(zhì)活性炭。微波輻照氯化鋅法制備木質(zhì)活性炭，因效率高、速度快且產(chǎn)品性能好，被廣泛利用。陳叢瑾等[5]利用該法制備的毛竹梢活性炭，其脫亞甲基藍(lán)的能力是國家標(biāo)準(zhǔn)的1.22倍。吳春華等[6]采用該法制備活性炭，活化時(shí)間為傳統(tǒng)工藝的7/90,但是得率是傳統(tǒng)工藝的1.5倍。

鑒于以上原因，本研究將以酸棗核殼為資源，采用微波輻照氯化鋅法，制備木質(zhì)活性炭并研究其吸附性能，為提高酸棗資源的綜合開發(fā)利用率、增加酸棗產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)附加值，提供科學(xué)依據(jù)與理論基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)材料酸棗采自陜西省南部，經(jīng)干燥、去果皮果肉，果核砸碎取出果仁，果核殼粉碎備用；氯化鋅、氫氧化鈉、鹽酸、去離子水等試劑及溶劑均為市售分析純。

試驗(yàn)儀器HH-4型電熱恒溫水浴鍋，北京科偉永興儀器有限公司；SHB-III循環(huán)水式多用真空泵,鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；格蘭仕P7021TP-6格蘭仕微波爐電器有限公司；FW-1000AD型快速開蓋高速萬能粉碎機(jī)，天津鑫博得儀器有限公司。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1活性炭制備

參考文獻(xiàn)[6]的方法,將酸棗核殼干燥、粉碎至0.80 mm過篩,每次取5.0 g,用氯化鋅溶液浸漬一定時(shí)間,隨后用微波輻照使之炭化活化。接著對(duì)輻照所得產(chǎn)品進(jìn)行酸洗(體積比為1︰9的稀鹽酸溶液煮沸30 min)、水洗(自來水沖洗使其pH值接近于7),最后烘干、粉碎，即得成品活性炭。

1.2.2活性炭吸附性能測(cè)試方法

亞甲基藍(lán)脫色能力測(cè)定采用GB/T12496.10-1999的標(biāo)準(zhǔn);碘吸附能力的測(cè)定采用GB/T12496.8-1999的標(biāo)準(zhǔn)。

2結(jié)果與分析

2.1最佳工藝條件的選擇

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因子水平及結(jié)果見表1。

由表1可知，4個(gè)因素對(duì)酸棗核殼活性炭產(chǎn)率的影響次序?yàn)槲⒉üβ?氯化鋅濃度>浸漬時(shí)間>輻照時(shí)間，最佳條件為A2B1C1D2；4個(gè)因素對(duì)碘吸附值的影響次序?yàn)槲⒉üβ?輻射時(shí)間>浸漬時(shí)間>氯化鋅濃度，最佳條件為A3B1C3D2；4個(gè)因素對(duì)亞甲基藍(lán)脫色能力影響的次序?yàn)榻n時(shí)間>微波功率>輻照時(shí)間>氯化鋅濃度，最佳條件為A3B2C3D4。綜合考慮各因素對(duì)產(chǎn)率、碘吸附值、亞甲基藍(lán)脫色能力的影響，最終得出微波輻照氯化鋅法制備酸棗核殼活性炭的最佳組合方案為A3B1C3D2，即氯化鋅濃度50 %，浸漬時(shí)間14 h,微波功率700 W，輻照時(shí)間7 min。

2.2最佳工藝條件的穩(wěn)定性試驗(yàn)

在得出最佳工藝條件后，進(jìn)行3次平行試驗(yàn)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)證，其結(jié)果見表2。

由表2可知，在最佳工藝條件下，產(chǎn)品的得率為60 %，碘吸附值為933.24 mg/g，亞甲基藍(lán)脫色力為111.92 mL/g。

2.3最佳工藝條件對(duì)大規(guī)模處理酸棗核殼的適用性試驗(yàn)

考慮到該制備工藝屬于應(yīng)用研究，有工業(yè)化生產(chǎn)的前景，因此在最佳工藝條件下，分別每次投料5 g、100 g、500 g、1 000 g、5 000 g，考察不同樣品處理量對(duì)其產(chǎn)率與吸附性能的影響，每個(gè)處理量做3份平行試驗(yàn)，取平均值，結(jié)果見表3。

表1　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

注：Kn、R分別為產(chǎn)率的平均值與極差；Kn’、R’分別碘吸附值的的平均值與極差;Kn”、R”分別為亞甲基藍(lán)脫色的平均值與極差。

表2　最佳條件穩(wěn)定性試驗(yàn)

表3　最佳工藝條件對(duì)大規(guī)模處理酸棗核殼的適用性試驗(yàn)

由表3可以看出，不同樣品處理量對(duì)活性炭的收率及吸附性能幾乎沒有影響。

3結(jié)論和討論

3.1結(jié)論

以酸棗的非傳統(tǒng)藥用部位——酸棗核殼為資源，利用微波輻照氯化鋅法，制備活性炭的最佳工藝條件為A3B1C3D2，即氯化鋅濃度50 %，浸漬時(shí)間14 h，微波功率700 W，輻射時(shí)間7 min。穩(wěn)定試驗(yàn)顯示，最佳條件下酸棗核殼活性炭的得率為60 %，碘吸附值與亞甲基藍(lán)脫色力分別為933.24 mg/g和111.92 mL/g；不同樣品處理量對(duì)活性炭的產(chǎn)率及吸附性能幾乎沒有影響。

3.2討論

木質(zhì)活性炭的市場(chǎng)前景廣闊，本研究利用酸棗核殼為資源生產(chǎn)的木質(zhì)活性炭吸附性能較好，有進(jìn)一步研究開發(fā)的價(jià)值，且不同樣品處理量的梯度試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品的收率、吸附值幾乎沒有影響，表明該工藝條件具備大規(guī)模處理酸棗核殼的能力，具有工業(yè)化生產(chǎn)的前景。工業(yè)化生產(chǎn)后，若以每年消耗百噸酸棗核殼計(jì)算，可以制備超過50噸的木質(zhì)活性炭，按照市價(jià)每噸5 000元計(jì)算，除過成本后的凈收益將在20萬元以上，經(jīng)濟(jì)效益可觀。因此，本研究的實(shí)施將為提高酸棗資源的綜合利用率、增加酸棗產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)附加值，提供一條新的途徑。工業(yè)化生產(chǎn)的相關(guān)研究正在進(jìn)行之中。

[1]陳雯，黃世敬.酸棗仁化學(xué)成分及藥理作用研究進(jìn)展[J].時(shí)珍國醫(yī)國藥，2011，22(7)：1726-1728.

[2]郭盛，段金廒，趙金龍，等.酸棗果肉資源化學(xué)成分研究[J].中草藥，2012,43(10)：1905-1909.

[3] Estevinho B N,Ribeiro E,Alves A,etal.Apreliminary feasibility study for pentachlorophenol culum sorption by almond shell residues[J].Chemical Engineering Journal,2008,136(2,3):188-194.

[4] Marcilla A,Conesa J A,AsensioM,etal.Thermal treatment and foaming of chars obtained from almond shells kinetic study[J]. Fuel, 2000, 79 (7):829-836.

[5]陳叢瑾，黎躍，胡華宇.微波輻照毛竹梢制備活性炭[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2008,28(3)：86-90.

[6]吳春華，趙黔榕，張加研，等.微波輻照核桃殼氯化鋅法制備活性炭的研究[J].生物質(zhì)化學(xué)工程，2007,41(1)：25-27.

[上接第4頁]

[6]王曉博,謝瑞清,丁武學(xué)，等.錘片式粉碎機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].振動(dòng)與沖擊，2010,29(5):147-161.

[7]吳建愛.鼓式削片機(jī)刀輥結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2005,33(7):26-27.

[9]Raffaele Spinelli,Natascia Magagnotti.A tool for productivity and cost forecasting of decentralised wood chipping[J].Forest Policy and Economics,2010,3(12):194-198.

[10]李黎.木材切削原理與刀具[M].北京:中國林業(yè)出版社,2008:18-37.

Process and Properties of Activated Carbon Produced from Wild Jujube

Shell with Zinc Chloride Method by Microwave Irradiation

ZHANG Yan-lei1， GAO Yong-xia1，LIU Yan-ru1,SONG Zhong-xing1,TANG Zhi-shu1,WANG Mei2

(1.Shaanxi University of Chinese Medicine/Shaanxi Collaborative Innovation Center of Industrialization of Traditional Chinese Medicine Resources；

Shaanxi Key Laboratory of New Drugs and Bioactive Constituents of Traditional Chinese Medicine,Xianyang Shaanxi 712083,P.R.China；

2.The Affiliated Hospital of Shaanxi University of Chinese Medicine,Xianyang Shaanxi 712083,P.R.China)

Abstract:Taking the wild jujube kernel shell as raw material,process and properties of activated carbon by microwave irradiation with zinc chloride method was studied.The effects of different conditions such as zinc chloride concentration(A),dipping time(B),microwave power(C),and irradiation time(D) on the yield,iodine adsorption value and methylene blue adsorption value of the activated carbon made from jujube nuclear shell was also studied by an orthogonal experiment.The result showed that the optimum process conditions was A3B1C3D2,naemly the zinc chloride concentration 50 %,dipping time 14 h,microwave power 700 W,and radiation time 7min.Under this condition,the yield,iodine adsorption value and decolorizing capacity for methylene blue were 60 %,933.24 mg/g and 111.92 mL/g respectively.Different gradient tests showed that this technology was able to process jujube nuclear shell in large scale.

Key words:Ziziphus jujuba Mill.var. spinosa(Bunge) Hu ex H.F.Chow；microwave irradiation；zinc chloride;jujube nuclear shell；activated carbon

中圖分類號(hào)：TQ 424.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-8246(2015)06-0011-04

通訊作者簡(jiǎn)介：王梅(1971-)，女，主任藥師，碩士，從事中藥加工與利用研究。E-mail:wangm1379@163.com

作者簡(jiǎn)介：第一張嚴(yán)磊(1984-)，男，講師，博士，從事中藥資源廢棄物轉(zhuǎn)化利用研究。E-mail:nwuzyl@163.com

基金項(xiàng)目：陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2011KTCL03-05),陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化中試項(xiàng)目(2010JC05)。

收稿日期：*2015-05-14

doi10.16473/j.cnki.xblykx1972.2015.06.003