熊堯 姚明宇 李建宇

摘要 ? ?本文以現磨咖啡的廢棄渣為材料，采用K2CO3活化法來制備咖啡渣活性炭，考察K2CO3用量、活化時間、溫度、氮流量等因素對活性炭得率及咖啡渣活性炭對亞甲基藍的吸附能力，并且對部分活性炭進行了顯微鏡（SEM）和元素分析的表征。結果表明，采用K2CO3活化法能夠有效制備咖啡渣活性炭，最高得率是26.88%，對亞甲基藍的最大吸附率為450.0 mg/g，最適宜的K2CO3活化比、活化時間、溫度、氮流量分別為1∶1、1.5 h、800 ℃、40 cm3/min。

關鍵詞 ? ?咖啡渣;活性炭;得率;吸附能力

中圖分類號 ? ?TQ424.1 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）04-0149-02 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

近年來，咖啡銷售量逐年增高，咖啡渣在全世界的年產量約600萬t[1]。中國咖啡市場消費量穩(wěn)定增長，2016年中國咖啡消費總量為2 698.10萬t，2017年為3 480.45萬t，到2018年達到3 642.86萬t。據倫敦國際咖啡組織統計，與全球平均2%的增速相比，中國咖啡消費正在以每年15%的速度增長。預計到2025年，中國將成長為1萬億元的巨型咖啡消費帝國。在生產速溶咖啡的過程中，咖啡干豆經加工后，其重量的2/3為咖啡渣[2]?？Х仍奶幚矸绞揭话銥槿紵疤盥穹?，并未對其進行有效的回收利用[3]。這種方式在浪費人力物力資源的同時，也會帶來新的環(huán)境污染[4]。因此，亟待尋找新的途徑來解決廢棄咖啡渣日益嚴重的環(huán)境問題，咖啡渣資源化利用成為當今研究的新熱點。

1 ? ?材料與方法

1.1 ? ?試驗材料

咖啡渣，收集于四川省綿陽市星巴克咖啡廳。采集的咖啡渣經反復洗滌，循環(huán)水沖洗至液體清澈，放入70 ℃DHG-9023A電熱恒溫鼓風干燥箱，24 h后取出，待用。

1.2 ? ?試驗設計

1.2.1 ? ?K2CO3用量對咖啡渣活性炭得率及吸附率的影響。設K2CO3與咖啡渣的質量比分別為1.0∶5.0、1.0∶4.0、1.0∶3.0、1.0∶2.0、1.0∶1.0、1.5∶1.0、2∶1、2.5∶1.0，以活性炭得率和活性炭吸附性為考察指標，考察其對活性炭的影響。

1.2.2 ? ?活化溫度對活性炭得率及吸附率的影響。設定活化溫度分別為600、700、800 ℃，以活性炭得率和活性炭吸附性為考察指標，考察其對活性炭的影響。

1.2.3 ? ?活化時間對活性炭的影響。設定活化時間分別為1.0、1.5、2.0 h，以活性炭得率和活性炭吸附性為考察指標，考察其對活性炭的影響。

1.2.4 ? ?氮流量對活性炭的影響。設定氮流量分別為40、60、80 cm3/min，以活性炭得率和活性炭吸附性為考察指標，考察其對活性炭的影響。

1.3 ? ?咖啡渣的炭化處理

將每一組25 g咖啡渣與一定比例的K2CO3固體顆粒混合均勻，置于高溫管式爐（英國，LENTON）中，按設置的炭化條件，進行燒制。將燒制好的粗樣品反復用70～80 ℃蒸餾水在布氏漏斗上洗滌，至洗出液pH值6.0～7.0，置于70 ℃烘箱，24 h后取出。將其研磨，過200目篩，篩出的樣品用于測定其結構和性質。

1.4 ? ?樣品吸附性能測定方法

按照GB/T 12496.10—1999進行活性炭對亞甲基藍溶液吸附性的測定。

亞甲基藍溶液的配制：稱取1.500 g亞甲基藍固體顆粒，于60～70 ℃緩沖溶液中溶解，冷卻至室溫，過濾于容量瓶內，用緩沖溶液加至標線。稱取0.100 g活性炭，用移液槍吸取5 mL亞甲基藍溶液，滴入活性炭中，振蕩20 min。若溶液變透明，則繼續(xù)滴加亞甲基藍;若溶液顏色與4 g CuSO4·5H2O溶于1 000 mL水中的顏色相近，則可用紫外分光光度計（上海，元析儀器）在665 nm下測定吸光度。若超過硫酸銅溶液吸光值的1.5倍或低于0.5倍，則重新測定吸附值。

亞甲基藍吸附值按下列公式計算：

A=V×C

式中：A為亞甲基藍吸附值，mg/g;V為活性炭消耗亞甲基藍的體積，mL;C為亞甲基藍的濃度，mg/mL。

1.5 ? ?數據處理與分析

用SPSS 17.0軟件進行統計分析，采用單因素方差分析檢驗，用Excel 2018作圖。

2 ? ?結果與分析

2.1 ? ?K2CO3用量對咖啡渣活性炭得率及吸附率的影響

如圖1所示，隨著K2CO3質量從5 g增加到62.5 g，樣品得率呈現上升—下降—上升的趨勢，這是因為前幾組活化劑用量低，咖啡渣的揮發(fā)分未被活化劑充分活化成炭，故隨活化劑量增大，炭得率也增大。而活性炭得率在 K2CO3質量為12.5～50.0 g時，由于過多的K2CO3進行化學活化反應時生成了CO，使C以CO的形式釋放[5]，故得率降低。將活化劑用量增加到62.5 g時，釋放的CO對具有物理活性的CO2起稀釋作用，促進其對碳骨架進行更均勻、溫和的刻蝕造孔和擴孔反應[6]，從而減少了碳的燒失，因而得率升高。如圖2所示，隨著活化劑質量的增加，樣品對亞甲基藍的吸附性能逐漸增加，其中亞甲基藍吸附值最高為30 mg/g，最低為13.125 mg/g，由此可見，隨著質量比的增加，亞甲基藍吸附值增加量小，活化劑用量對活性炭吸附性能的影響不顯著。

從圖1、2可以看出，活化比對得率和活性炭吸附能力的影響趨勢參差不齊。因此，設計2組質量比（1∶2、1∶1）來探究其他因素對活性炭的影響。

2.2 ? ?活化溫度對活性炭得率及吸附率的影響

如圖3、4所示，亞甲基藍吸附值隨活化溫度的增加而增大，樣品得率則是隨著溫度的增加而減小?；罨瘻囟葟?00 ℃增加到800 ℃，2組亞甲基藍吸附值幾乎呈現線性增長，說明溫度對活性炭的吸附性能有很大的影響。這是因為碳酸鉀在高溫條件下與咖啡渣進行炭化，產生單質鉀和CO2，從而產生造孔作用，有利于炭孔的形成。此外，當溫度達到單質鉀的沸點762 ℃時，鉀會揮發(fā)且擴散進炭層[7]，對炭有刻蝕作用，使其形成發(fā)達孔隙，提高了咖啡基活性炭的吸附性。2組活性炭得率隨著溫度的增長而減小，這一結果與Gurten等[8]的結果一樣，這是因為活化溫度升高，原料發(fā)生脫水，氣化和消除反應越強烈，導致有機揮發(fā)分的釋放量增大，故而產率降低。因此，可得出結論，溫度對活性炭得率及吸附率的影響非常大。

2.3 ? ?活化時間對活性炭得率及吸附率的影響

如圖5、6所示，在活化劑質量比為1∶2時，亞甲基藍吸附值隨活化時間的增長而降低，得率則先升高后降低。這是因為在該活化劑量下咖啡渣未被完全活化，且時間越長炭孔就越會出現燒失和拓寬，導致活性炭吸附性和得率的降低。在活化劑質量比為1∶1時，亞甲基藍吸附值隨活化時間的增長而升高，得率則降低。在質量比為1∶1時，其亞甲基藍吸附性低，但是處于上升階段，故隨著時間的增長，活化劑發(fā)生化學反應所產生的氣體會起到造孔作用，從而使亞甲基藍吸附性增大;在質量比為1∶1時，活性炭得率低，并且正處于下降階段，故隨時間的增長，炭孔的燒失程度增大，其得率也就降低。從圖中可以看出，得率和吸附率在活化時間的影響下變化小，故活化時間是次要因素。

2.4 ? ?氮流量對活性炭的影響

如圖7所示，碳酸鉀與咖啡渣質量比為1∶2時，隨著氮流量的增加，得率逐漸降低，這是因為活化劑的用量不夠，咖啡渣未被全部活化，造成得率低。在1∶1時，由于活化劑適量，因而發(fā)現氮流量對活性炭的影響很小。從圖8可以看出，活性炭對亞甲基藍的吸附能力隨氮流量的增加未發(fā)生較大變化，故可以得出結論，氮流量對活性炭的影響很小。

3 ? ?結論與討論

本研究利用廢棄咖啡渣為前體，以碳酸鉀為活化劑，經物理化學一步法制備活性炭[9-12]。制備高吸附性能咖啡渣的最佳活化參數為：質量比1∶1，活化溫度800 ℃，活化時間1.5 h，氮流量40 cm3/min，在最佳活化條件下，亞甲基藍吸附值為450 mg/g，遠大于《木質凈水用活性炭》（GB/T 13803.2—199

9）一級品標準（亞甲基藍吸附值為135 mg/g）。其中，活化溫度對活性炭吸附性能的影響最大。

4 ? ?參考文獻

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