system: [SYSTEM]

user: 4. 结果与讨论 4.1. 最佳制备条件分析 最佳制备条件分析的正交试验分9组进行，初始条件均为10 g树叶，室温下浸渍12 h，活化1 h，具体实验分组情况见表1。其中A代表磷酸浓度，B代表浸渍比，C代表活化温度；R值为极差分析结果，反映了不同因素对研究目标的影响程度；K代表均值，能够反映某一影响因素对考察目标的影响大小。 4.1.1. 活性炭比表面积的极差分析 表1为活性炭比表面积极差分析结果。由表可知，R 1B > R 1A > R 1C ，所以对于活性炭的比表面积而言，这三个因素的影响大小顺序为B > A > C。对单个因素分析发现K 2A > K 3A > K 1A ，K 1B > K 2B > K 3B ，K 2C > K 1C > K 3C 。在一般情况下，活性炭的比表面积越大说明制备的活性炭越好，因此在本试验范围内，影响比表面积最佳的因素组合方式为A 2 B 1 C 2 ，即50%的磷酸浓度、3:1的磷酸和树叶浸渍比和400℃的活化温度。 4.1.2. 活性炭微孔面积的极差分析 表2为活性炭微孔面积的极差分析结果。其中R 2C > R 2B > R 2A ，因此对于微孔面积而言，这三个因素的影响大小顺序为C > B > A。又由表可知，K 2A > K 1A > K 3A ，K 1B > K 3B > K 2B ，K 1C > K 2C > K 3C ，同样在一定的范围内，活性炭的微孔面积越大越好，因此在本试验范围内，影响微孔面积大小最佳的因素组合方式为A 2 B 1 C 1 ，即50%的磷酸浓度，3:1的浸渍比，350℃的活化温度。 4.1.3. 甲苯饱和吸附量的极差分析 表3为甲苯饱和吸附量的极差分析结果。分析结果表明R 3C > R 3B > R 3A ，因此对于甲苯的饱和吸附量 图1. 活性炭吸附甲苯简易装置 Table 1 Range analysis of the special surface area of activated carbo 编号 A.磷酸浓度(%) B.浸渍比(Mp:My) C.活化温度(℃) 比表面积( m 2 /g) 微孔面积( m 2 /g) 甲苯饱和吸附量(mg/g) 1 40 3:1 400 692.3 108.7 177.0 2 40 4:1 350 692.8 113.5 207.0 3 40 5:1 450 646.9 62.1 98.1 4 50 3:1 350 774.4 148.2 228.4 5 50 4:1 450 705.0 73.0 122.0 6 50 5:1 400 694.0 82.0 159.9 7 60 3:1 450 729.4 98.2 82.8 8 60 4:1 400 759.1 66.0 141.1 9 60 5:1 350 675.8 114.7 214.5 K 1 677.3 732.0 714.3 比表面积的极差分析 K 2 724.5 719.0 715.1 K 3 721.4 672.2 693.8 R 1 47.1 59.8 21.4 表1. 活性炭比表面积的极差分析表 Table 2 Range analysis of the micropore area of activated carbo 编号 A.磷酸浓度(%) B.浸渍比(Mp:My) C.活化温度(℃) 比表面积(m 2 /g) 微孔面积(m 2 /g) 甲苯饱和吸附量(mg/g) 1 40 3:1 400 692.3 108.7 177.0 2 40 4:1 350 692.8 113.5 207.0 3 40 5:1 450 646.9 62.1 98.1 4 50 3:1 350 774.4 148.2 228.4 5 50 4:1 450 705.0 73.0 122.0 6 50 5:1 400 694.0 82.0 159.9 7 60 3:1 450 729.4 98.2 82.8 8 60 4:1 400 759.1 66.0 141.1 9 60 5:1 350 675.8 114.7 214.5 K 1 94.8 118.4 125.5 微孔面积的极差分析 K 2 101.1 84.2 85.6 K 3 93.0 86.3 77.8 R 2 8.1 32.1 47.7 表2. 活性炭微孔面积的极差分析表 而言，这三个因素的影响大小顺序为C > B > A。此外，K值的研究结果表明，K 2A > K 3A > K 1A ，K 1B > K 3B > K 2B ，K 1C > K 2C > K 3C ，由于在一定的范围内，活性炭的甲苯饱和吸附量越大越好，因此在本试验范围内，影响微孔面积最佳的因素组合方式为A 2 B 1 C 1 ，即50%的磷酸浓度，3:1的浸渍比，350℃的活化温度。 以上分析结果表明，活性炭微孔面积和甲苯吸附饱和量的最佳制备条件为试验4，而比表面积的最佳制备条件不在上述9个试验组合之内，因此追加一组比表面积最佳试验条件的试验10，具体方案和结果见表4。结果显示，虽然试验10相比试验4活性炭的比表面积有一定增加，但是微孔面积和甲苯饱和吸附量均明显降低，对活性炭整体的吸附性能不利，因此本试验最终得到的最佳制备条件为50%磷酸浓度，3:1的浸渍比，350℃的活化温度。不同的原材料活化条件不同，有研究[ 4 ] 以稻壳为原料采用磷酸法对其制备条件进行了讨论，得到最佳制备条件为3:1固液浸渍比浸渍24 h，为400℃下活化2 h，相比本试验材料最佳制备结果耗费时间长，活化温度高。 4.2. 树叶活性炭的表征 4.2.1. 比表面积分析 活性炭是一种吸附材料，比表面积是衡量吸附能力的一个重要指标，所以对比表面积的研究是必要的。本实验不同条件下制得的树叶活性炭的比表面积在646~790 m 2 /g范围内波动，其中最优条件下制得的比表面积为774.4 m 2 /g。有文献报道[ 11 ] ，磷酸法800 K氮气条件下活化制得的煤基活性炭平均比表面积约为600 m 2 /g，与其相比，本实验最优条件下制得的树叶活性炭具有更优的比表面积。此外，树叶活 Table 3 Range analysis of the toluene adsorption capacity of activated carbo 编号 A.磷酸浓度(%) B.浸渍比(Mp:My) C.活化温度(℃) 比表面积(m 2 /g) 微孔面积(m 2 /g) 甲苯饱和吸附量(mg/g) 1 40 3:1 400 692.3 108.7 177.0 2 40 4:1 350 692.8 113.5 207.0 3 40 5:1 450 646.9 62.1 98.1 4 50 3:1 350 774.4 148.2 228.4 5 50 4:1 450 705.0 73.0 122.0 6 50 5:1 400 694.0 82.0 159.9 7 60 3:1 450 729.4 98.2 82.8 8 60 4:1 400 759.1 66.0 141.1 9 60 5:1 350 675.8 114.7 214.5 K 1 160.7 182.7 216.6 甲苯吸附量的极差分析 K 2 170.1 156.7 159.3 K 3 166.1 157.5 121.0 R 3 5.4 26.0 95.7 表3. 甲苯饱和吸附量的极差分析 Table 4 The comparison of test 4 and 1 编号 A.磷酸浓度(%) B.浸渍比(Mp:My) C.活化温度(℃) 比表面积(m 2 /g) 微孔面积(m 2 /g) 甲苯饱和吸附量(mg/g) 4 50 3:1 350 774.4 148.2 228.4 10 50 3:1 400 790.1 103.5 166.7 表4. 试验4与试验10结果比较 性炭的微孔面积为148.2 m 2 /g，占总比表面积的19.1%，中孔面积为626.2 m 2 /g，占总比表面积的80.9%，说明此活性炭以中孔为主，有利于染料、有机物等大分子物质的吸附。 4.2.2. 活性炭表面基团含量分析 表5为树叶活性炭表面基团含量表。由表可知，树叶活性炭表面官能团主要为酸性基团，占活性炭表面基团总量的95.3%，其主要包括羟基、酚羟基和内酯基羰基，它们分别占活性炭表面官能团总量的39.6%、33.8%和21.9%。而活性炭中的碱性基团明显较少，只占了总基团的4.7%。这可能是由于本研究的活性炭由磷酸活化，在该过程中磷酸可能使活化生成的活性炭的表面含氧基团酸化，从而更多地生成羟基和酚羟基等酸性官能团，而带有氨基等碱性的官能团却很难生成。 4.2.3. 等电点滴定结果分析 等电点试验的结果如图2显示，图中pH 1 为原始pH值，pH 2 为反应后pH值，曲线与直线交点即为反应前后的等电点。由图可知，图中曲线与直线交点的pH值约为5.33。当pH < 5.33时，原始pH值小于反应后pH值；当pH > 5.33时，原始pH值大于反应后pH值。因此得到树叶活性炭的等电点约为5.33，该结论同样说明用磷酸活化法制得的树叶活性炭中酸性基团是主要基团。