摘要：考察椰棕絲活性炭制備過程中炭化溫度、炭化時間和氫氧化鈉濃度對其吸附性能的影響，為椰棕絲活性炭在糖精制領域應用提供參考依據(jù)。以椰殼纖維為原料，采用直接炭化法于氣氛式管式爐中以惰性氣體氮氣保護進行炭化，炭化產(chǎn)物經(jīng)氫氧化鈉溶液處理后制備成椰棕絲活性炭，并應用于糖汁清凈。掃描電鏡（SEM）分析結(jié)果表明，椰棕絲活性炭表面粗糙，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達，比表面積較大，屬于微孔碳材料；以糖汁脫色率為依據(jù)考察椰棕絲活性炭的吸附性能，結(jié)果表明，其最佳脫色條件為：反應溫度60 ℃、椰棕絲活性炭用量0.5 g、溶液pH 6.0和反應時間60.0 min，工藝驗證后的平均脫色率65.9%；再生試驗結(jié)果表明，椰棕絲活性炭再生2次后脫色率為35.6%。由此可見，椰棕絲活性炭作為清凈劑在工業(yè)制糖中具有一定的應用前景。

關鍵詞：椰殼纖維；活性炭；吸附性能；脫色率

中圖分類號：TS244文獻標志碼：A

0引言

糖作為戰(zhàn)略物質(zhì)在我國工業(yè)生產(chǎn)中具有重要地位[1]，而糖汁中含有葉綠素、蔗黃素、胡蘿卜素、多酚類和氨基化合物等多種色素或化合物，其中，部分色素會在熱加工過程中與其他化合物結(jié)合、反應或分解后生成新的色素物質(zhì)。目前我國多數(shù)糖廠均是利用亞硫酸法對糖汁進行澄清處理。但亞硫酸法容易使成品白砂糖中二氧化硫超標，直接影響白砂糖的品質(zhì)，同時，二氧化硫的排放還會導致環(huán)境污染?；钚蕴恳蚱浔缺砻娣e大、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、吸附能力強及極好的耐酸耐堿性等特點，已廣泛應用于制藥、食品、輕工、化工和冶金行業(yè)，成為社會經(jīng)濟發(fā)展的重要功能材料，其在糖汁清凈中的應用也有較好的脫色清凈效果[2-3]。我國海南省盛產(chǎn)椰子，而椰子生產(chǎn)加工過程中會產(chǎn)生大量椰子果皮廢棄物。椰棕絲是由椰衣在海水中浸泡腐蝕或機械加工而獲得的椰殼纖維[4]，具有資源豐富、灰分低、強度高和價格低廉等優(yōu)點。利用椰殼纖維制備活性炭不僅能在一定程度上降低生產(chǎn)成本，還能解決椰殼資源滯留浪費問題，為當?shù)貛砭薮蟮慕?jīng)濟效益。較多國外蔗糖脫色精制領域的企業(yè)和國內(nèi)的糖廠在精制糖時會選用活性炭進行脫色[5]。白曉波等[6]以甘蔗渣為原料，采用微波加熱法制備出對糖汁脫色效果良好的活性炭。陳海麗等[7]以煤為主要原料，制備高吸附性能的顆?；钚蕴?，焦糖脫色率達97.44%。Hu等[8]以木質(zhì)纖維材料椰殼為原料，通過氫氧化鉀與二氧化碳聯(lián)合活化方法，成功制備出中孔活性炭。除以上所述的方法外，制備活性炭的方法還有催化活化法、模板法和聚合物炭化法等?？梢?，將大量椰殼廢棄物轉(zhuǎn)化為新型能源并實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)具有現(xiàn)實意義和發(fā)展前景。本研究以椰棕絲為原料，采用直接炭化法，將其置于氣氛式管式爐中以氮氣保護進行炭化處理制備椰棕絲活性炭，并應用于糖汁脫色，檢驗其吸附性能，為椰棕絲活性炭在糖精制領域應用提供參考依據(jù)。

1" 材料與方法

1.1" 試驗材料

椰棕絲購自海南省市場。甘蔗原糖（食用級）購自廣西崇左東亞糖業(yè)有限公司；氫氧化鈉（NaOH）和鹽酸（HCl）為分析純，購自西隴化工股份有限公司。

主要儀器設備：UV-2102PC型紫外可見分光光度計（上海尤尼柯儀器有限公司）、AR124CN分析天平[奧豪斯儀器（上海）有限公司]、FiveEasy Plus FE28型pH計[梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司]、2WAJ-改型阿貝折射儀（上海物理學儀器廠）、BrukerD8型X射線衍射儀（德國布魯克 AXS 有限公司）、ano405型掃描電子顯微鏡（日本日立有限公司）、ASAP2460型孔徑及比表面積分析儀（德國Micromeritics儀器公司）、T501L微孔膜過濾器（天津市津騰實驗設備有限公司）、SK-Q08123K-3-655型真空/氣氛管式電爐（天津中環(huán)電爐股份有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1" 椰棕絲活性炭制備

將椰棕絲清洗后置于烘箱中烘干，于氣氛式管式爐中以5 ℃/min進行程序升溫至800 ℃，利用惰性氣體氮氣保護，保溫60.0 min。待炭化完成并自然冷卻后取出，得到碳材料。將炭化產(chǎn)物用質(zhì)量分數(shù)10%氫氧化鈉溶液在60 ℃恒溫加熱條件下磁力攪拌3.5 h，過濾，棄去濾液，調(diào)節(jié)pH至弱酸性時加熱攪拌60.0 min，以中和附著在碳材料上的氫氧化鈉。過濾，收集濾渣，置于烘箱中60 ℃烘干，得到椰棕絲活性炭。

1.2.2" 椰棕絲活性炭表征分析

在測試電壓為25 kV下利用掃描電鏡對椰棕絲活性炭表面進行掃描分析。

1.2.3" 不同制備條件下的椰棕絲活性炭脫色效果

按1.2.1的步驟，在椰棕絲活性炭0.1 g、初始糖汁pH 6.0、反應溫度60 ℃和反應時間60.0 min條件下探討不同炭化溫度（600、650、700和800 ℃）、不同炭化時間（60、90和120 min）和不同氫氧化鈉溶液濃度處理（5.0、7.5、10.0、12.5和15.0%）獲得椰棕絲活性炭的脫色效果。

1.2.4" 吸附性測試

稱取0.1 g 椰棕絲活性炭投入50 mL 10°Bx糖汁中，在初始糖汁pH 6.0和溫度60 ℃下恒溫磁力攪拌60.0 min。反應完成后，用微孔膜過濾器過濾，調(diào)節(jié)pH至7.0，讀取糖汁的折光錘度，在波長420 nm下測定糖汁的吸光度，計算脫色率。

1.2.5" 單因素試驗

椰棕絲活性炭反應溫度對糖汁脫色率的影響：在椰棕絲活性炭0.1 g、pH 6.0和反應時間60.0 min條件下，考察椰棕絲活性炭在30、40、50、60和70 ℃時的糖汁脫色率。

活性炭用量對糖汁脫色率的影響：在pH 6.0、反應時間60.0 min和反應溫度60 ℃條件下，考察不同椰棕絲活性炭投入量（0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 g）的糖汁脫色率。

初始糖汁pH對糖汁脫色率的影響：在椰棕絲活性炭0.1 g、反應時間60.0 min和反應溫度60 ℃條件下，考察椰棕絲活性炭在初始糖汁pH（5.0、5.5、6.0、6.5和7.0）時的糖汁脫色率。

椰棕絲活性炭反應時間對糖汁脫色率的影響：在活性炭0.1 g、pH 6.0和反應溫度60 ℃條件下，考察活性炭在反應時間30.0、45.0、60.0、75.0和90.0 min時的糖汁脫色率。

1.2.6" 正交試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果設計正交試驗。選取反應溫度（A）、椰棕絲活性炭投入量（B）、初始糖汁pH（C）和反應時間（D）4個因素，進行4因素3水平L9（34）正交試驗。以糖汁的脫色率為考察依據(jù)，因素水平見表1。

1.2.7" 超聲波再生試驗

利用超聲波的空化效應，在40 KHz條件下處理吸附色素后的椰棕絲活性炭90.0 min，然后抽濾，清洗，置于烘箱中60 ℃烘干，在最佳脫色工藝下對糖汁脫色，測定糖汁的折光錘度和吸光度，計算脫色率。平行3次。

1.3" 統(tǒng)計分析

色值參考國際機構(gòu)ICUMSA統(tǒng)一規(guī)定進行測定[9]。在560 nm下測定糖汁的吸光度、溫度和折光錘度，并計算糖汁色值和脫色率。

IU560=1000×A560/（b×c）

D（%）=（IU前-IU后）/IU前×100"

式中，IU560表示色值，A560表示在波長560 nm下測得的吸光度，b為比色皿厚度（cm），c為糖液中溶質(zhì)的濃度（g/mL）[c=相應視密度（20 ℃）×清汁折光錘度/100]；D表示脫色率（%），IU前表示糖液處理前的色值，IU后表示糖液處理后的色值。

2結(jié)果與分析

2.1" 椰棕絲活性炭掃描電鏡分析結(jié)果

氫氧化鈉處理前后的椰棕絲活性炭如圖1所示。由圖1-A和圖1-C可看出，未經(jīng)氫氧化鈉處理的椰棕絲活性炭表面光滑，但孔隙結(jié)構(gòu)不發(fā)達且孔數(shù)量少；從圖1-B和圖1-D可看出，經(jīng)氫氧化鈉腐蝕處理后的椰棕絲活性炭表面粗糙，孔隙結(jié)構(gòu)明顯發(fā)達，孔徑明顯增大，孔數(shù)量明顯增多。由此可見，氫氧化鈉處理后的椰棕絲活性炭比表面積明顯增大。

2.2不同制備條件對椰棕絲活性炭吸附性能的影響

2.2.1" 椰棕絲炭化溫度對椰棕絲活性炭吸附性能的影響

從圖2可看出，炭化溫度從600 ℃升至700 ℃時制備的椰棕絲活性炭對糖汁的脫色率升高較快，炭化溫度在800 ℃時制備的椰棕絲活性炭的脫色率更高，脫色效果更好。說明炭化溫度從600 ℃升至700 ℃時制備的椰棕絲活性炭椰的吸附能力快速增強，炭化溫度在800 ℃時椰棕絲中各成分發(fā)生熱解反應的程度仍在增大，釋放的二氧化碳氣體增多，炭化產(chǎn)物的孔隙和空洞逐漸增多，使制備的制備的椰棕絲活性炭比表面積逐漸增大，吸附效果逐漸增強。因此選取800 ℃為制備椰棕絲活性炭的最佳炭化溫度。

2.2.2" 椰棕絲炭化時間對椰棕絲活性炭吸附性能的影響

從圖3可看出，椰棕絲活性炭對糖汁的脫色率隨著椰棕絲炭化時間的增加呈降低趨勢，說明隨著椰棕絲炭化時間的延長，椰棕絲活性炭在高溫下熱解形成的孔道結(jié)構(gòu)有一部分易被氫氧化鈉溶液腐蝕而破壞，使得椰棕絲活性炭的比表面積減小，導致對糖汁的吸附性能有所下降。當椰棕絲炭化時間為60.0 min時，椰棕絲活性炭的脫色效果最佳。因此，選擇60.0 min為制備椰棕絲活性炭的最佳炭化時間。

2.2.3處理椰棕絲氫氧化鈉溶液濃度對椰棕絲活性炭吸附性能的影響

從圖4可看出，隨著處理椰棕絲氫氧化鈉溶液濃度的增大，制備的椰棕絲活性炭對糖汁的脫色率升高，但升高到一定程度后，脫色率開始大幅降；當氫氧化鈉溶液濃度為10%時，脫色效果最佳。因此，選取10%為制備椰棕絲活性炭的最佳氫氧化鈉溶液濃度。

2.3" 單因素試驗

2.3.1" 反應溫度對糖汁脫色效果的影響

從圖5可看出，在反應溫度30～70 ℃范圍內(nèi)， 椰棕絲活性炭對糖汁的脫色率隨著反應溫度的升高呈先升高后降低變化趨勢，其中，在椰棕絲活性炭反應溫度為60 ℃時脫色率最高，為22.5%；當椰棕絲活性炭反應溫度為70 ℃時，糖汁的脫色率降低，為15.3%。說明溫度過高會導致椰棕絲活性炭吸附的色素解析速率大于吸附速率。由此可見，當反應溫度為60 ℃時，椰棕絲活性炭對糖汁的脫色效果最佳。

2.3.2" 不同椰棕絲活性炭用量對糖汁脫色效果的影響

從圖6可看出，在椰棕絲活性炭投入量0.1～0.5 g范圍內(nèi)，糖汁的脫色率均隨著椰棕絲活性炭用量的增多而升高，其中，在投入量為0.3 g時，脫色率大幅度提升，在添加量為0.5 g時脫色率達最大值，為62.7%，說明糖汁的脫色率隨著椰棕絲活性炭投入量的增大而逐漸升高，當投入量為0.5 g時，椰棕絲活性炭對糖汁的脫色效果最佳。

2.3.3" 糖汁初始pH對椰棕絲活性炭脫色效果的影響

從圖7可看出，在pH 5.0～7.0范圍內(nèi)，椰棕絲活性炭對糖汁的脫色率隨著pH增大不斷升高；當pHgt;6.0時，脫色率開始直線降低，到pH為中性（pH 7.0）時脫色率降至最低，為6.1%；當pH為6.0時，脫色率為23.9%，即糖汁的pH為6.0時椰棕絲活性炭對其的脫色效果最佳。

2.3.4" 反應時間對糖汁脫色效果的影響

從圖8可看出，隨著椰棕絲活性炭與糖汁接觸時間的增加，脫色率呈逐漸升高趨勢，在反應時間為60.0 min時椰棕絲活性炭對糖汁的脫色率最高，為21.7%；當反應時間進一步延長時，脫色率反而開始降低；當反應時間為90.0 min時，脫色率降至12.3%。說明當反應時間為60.0 min時，椰棕絲活性炭對糖汁的脫色效果最佳。

2.4" 正交試驗結(jié)果

根據(jù)極差R可知，影響椰棕絲活性炭吸附性能的因素排序為Agt;Bgt;Dgt;C，即反應溫度gt;活性炭投入量gt;反應時間gt;pH（表2）。其中，最佳工藝條件為A2B3C2D2，即反應溫度60 ℃、活性炭用量0.5 g、反應時間60.0 min和初始糖汁pH 6.0。由表3可知，在最佳制備工藝條件下，椰棕絲活性炭對糖汁的平均脫色率為65.9%。

2.5" 椰棕絲活性炭超聲波再生試驗結(jié)果

從圖9可看出，隨著椰棕絲活性炭的超聲波再生次數(shù)的增加，其對糖汁的脫色率不斷下降。其中，再生1次時脫色率降至39.8%（椰棕絲活性炭對糖汁的平均脫色率為65.9%），再生2次時降至35.5%，再生3次時降至16.3%。說明椰棕絲活性炭再生2次后仍有較高的脫色率，但再生3次后脫色效果極大降低，脫色性能變差。

3討論

本研究結(jié)果表明，隨著椰棕絲炭化溫度的升高，制備的椰棕絲活性炭對糖汁的脫色率升高，究其原因是炭化溫度越高，椰棕絲中各成分發(fā)生熱解反應程度越大，釋放的二氧化碳氣體變多，制備的椰棕絲活性炭孔隙和空洞增多，比表面積逐漸增大，吸附性能變強，吸附效果變好；隨著炭化時間的延長，制備的椰棕絲活性炭對糖汁的脫色率下降，究其原因是椰棕絲在高溫下熱解作用形成的孔道結(jié)構(gòu)有一部分易被氫氧化鈉溶液的腐蝕作用所破壞，使得制備的椰棕絲活性炭的比表面積減小，脫色性能減弱，導致吸附性能有所下降；隨著處理椰棕絲氫氧化鈉溶液濃度的增大，制備的椰棕絲活性炭對糖汁的脫色率呈先升高后降低變化趨勢，可能與椰棕絲經(jīng)氫氧化鈉處理后，其活性炭表面的堿性基團含量增加，其他基團含量有所降低有關，其中，脫色率升高的原因是氫氧化鈉溶液與制備的椰棕絲活性炭表面及其孔隙結(jié)構(gòu)中的灰分發(fā)生化學反應后將其清除[10]，對椰棕絲活性炭的腐蝕程度增強，不僅增大了活性炭孔徑和增加了孔隙數(shù)量[11]，還腐蝕活性炭表面，增大活性炭表面積，極大增強活性炭的吸附性能；脫色率降低的原因是當氫氧化鈉溶液濃度達到一定程度后會破壞活性炭表面的一些孔隙結(jié)構(gòu)被，導致部分孔道坍塌，使活性炭的吸附性能大幅度降低。

本研究中，椰棕絲活性炭與糖汁的反應溫度不同、椰棕絲活性炭用量不同、糖汁初始pH不同及椰棕絲活性炭與糖汁的反應時間不同對糖汁脫色的影響效果存在明顯差異。其中，隨著反應溫度的升高，椰棕絲活性炭對糖汁的脫色率先升高后降低，原因是當椰棕絲活性炭與糖汁的反應溫度從30℃開始逐漸升高時，糖汁中各分子的熱運動逐漸加劇，糖溶液的黏度降低，使得糖液中的色素分子與活性炭表面的有效碰撞概率增加，有利于脫色而使脫色率升高[12]，當反應溫度過高時會促使活性炭將吸附的色素解析出來，且解析速率大于吸附速率，從而引起糖液脫色率降低[13]；隨著糖汁中椰棕絲活性炭添加量的增加，椰棕絲活性炭的脫色率不斷升高，原因是糖汁中色素物質(zhì)可供吸附的比表面積和有效吸附位點不斷增多[14]；隨著糖汁初始pH的升高，椰棕絲活性炭對糖汁的脫色率呈先升高后降低變化趨勢，原因是糖汁中的色素物質(zhì)大多屬于帶弱酸性的芳香族有機物，在低pH下所帶電子較少或不帶電，更容易被活性炭吸附[15]，而在pH增高時活性炭表面所帶正電荷量隨著pH增高而減少，隨著糖汁pH的不斷增大，活性炭中和帶負電荷色素分子的能力逐漸減弱，最終導致脫色率降低[16]；隨著反應時間的延長，椰棕絲活性炭對糖汁的脫色率先升高后降低變化趨勢，原因是在反應前半段時間內(nèi)椰棕絲活性炭的大量吸附位點可供糖汁中的色素物質(zhì)利用，因而脫色速度較快，當反應時間為60.0 min時，椰棕絲活性炭對糖液中色素分子的吸附量已飽和，反應時間延長至90.0 min時，在恒溫磁力攪拌下，吸附飽和的椰棕絲活性炭開始將吸附的色素分子解析出來，導致脫色率不斷降低。

超聲波再生試驗結(jié)果表明，椰棕絲活性炭再生后其脫色率不斷降低，可能與超聲波再生效率受功率、作用時間、孔隙結(jié)構(gòu)及吸附質(zhì)影響有關。作用時間較短且受到椰棕絲活性炭孔徑影響，會導致活性炭孔隙中的吸附物質(zhì)解析不完全，隨著再生次數(shù)的增加，會造成某些物質(zhì)積累致使活性炭中可供利用的吸附位點和活性炭的比表面積不斷減小，因而脫色率不斷下降。

4結(jié)論

以椰棕絲為原料制備生物質(zhì)活性炭，經(jīng)掃描電鏡分析，證實椰棕絲活性炭表面粗糙，孔隙結(jié)構(gòu)明顯發(fā)達，孔徑較大；確定椰棕絲活性炭在糖汁脫色應用中的最佳工藝條件為活性炭用量0.5 g、糖汁初始pH 6.0、反應溫度60 ℃和反應時間60.0 min。經(jīng)優(yōu)化工藝驗證，制備的椰棕絲活性炭對糖汁的平均脫色率達65.9%，對糖汁具有較好的脫色效果。

參考文獻：

[1] 陸保祥，施灝，周謙，等. 蔗汁澄清工藝技術(shù)和設備存在問題及其更新應用效果[J]. 廣西糖業(yè)，2023，43（6）：38-43.

[2] 崔靜，趙乃勤，李家俊. 活性炭制備及不同品種活性炭的研究進展[J]. 炭素技術(shù)，2005（1）：26-31.

[3] 霍漢鎮(zhèn). 現(xiàn)代制糖化學與工藝學[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2008.

[4] 竇明池，姜亞明. 幾種新型天然纖維的性能分析與開發(fā)應用[J]. 中國麻業(yè)，2006（1）：41-44.

[5] 唐秋平. 速生桉木屑制備活性炭及在煉糖飽充澄清過程的應用[D]. 南寧：廣西大學，2020.

[6] 白曉波，黃谷亮，雷程. 微波法制備蔗渣活性炭及其用于糖液脫色的研究[J]. 廣西蔗糖，2009（3）：42-44.

[7] 陳海麗. 蔗糖精制脫色用顆?；钚蕴康闹苽溲芯縖D]. 南京：中國礦業(yè)大學，2014.

[8]HuZ H，Guo H M，Ni Y M，et al. A simple method for developing mesoporosity in activated carbon[J]. Separation and Purification Technology，2003， 31（1）：47-52.

[9] Mahgoub M Y，Gad A N，EL-Naggar A M，et al. Synthesis and characterization of promising economic biopolymer composite as a clarifying agent for sugar industry[J]. Sugar Technology，2023（25）：968-981.

[10] 姚廣春. 冶金炭素材料性能及生產(chǎn)工藝[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1992.

[11] 王金璽，高鵬飛，王愛民，等. 改性活性炭的制備及吸附亞甲基藍研究[J]. 非金屬礦，2017，40（3）：79-81.

[12] Zheng J，Zhao Q，Ye Z. Preparation and characterization of activated carbon fiber（ACF） from cotton woven waste[J]. Applied Surface Science，2014，299：86-91.

[13] 馮淑娟，李利軍，夏兆博，等. 改性活性炭對赤砂糖回溶糖漿的吸附性能研究[J]. 食品工業(yè)，2016，37（9）：35-41.

[14] 李慰霞，李利軍，孔紅星，等. 粉末活性炭吸附-硫熏-沉降工藝對糖汁清凈的研究[J]. 應用化工，2019，48（6）：1295-1300.

[15] 柴博華，趙振剛，扶雄. 改性甘蔗渣吸附劑在糖液脫色中的應用及其再生方法的研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械，2013（14）：71-74.

[16] 丁衛(wèi)英，劉金鳳，徐琳，等. 活性炭脫色糖液效果研究[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工（學刊），2009（3）：100-102.

[17] XueＲ，Donovan A，Zhang H，et al. Simultaneous removal of ammonia and N-nitrosamine pre-cursors from high ammonia water by zeolite and powdered activated carbon[J]. Journal of Envi-ronmental Sciences，2018，64（2）：82-91.

（責任編輯" 思利華）