紫茎泽兰制取活性炭的研究

攀枝花学院本科毕业设计（论文）紫茎泽兰秆制取活性炭研究学生姓名： 潘 峰 学生学号： 200610902222 院（系）： 生物与化学工艺工程学院年级专业： 06 生物工程 指导教师： 邓建梅 助教 助理指导教师： 余传波 讲师 二一年六月攀枝花学院本科毕业设计论文 摘要I摘 要本论文以紫茎泽兰为原料，氯化锌、氢氧化钠为活化剂，采用微波辐射法制备活性炭。研究浸渍时间、浸渍活化剂质量分数、微波功率、微波辐射时间对活性炭吸附性能和得率的影响。通过单因数试验确定了最佳工艺条件：使用氯化锌为活化剂时,微波功率560W,辐照时间3min,氯化锌质量分数40，浸渍时间18h。在最佳工艺条件下制备的活性炭的得率为39.03,碘吸附值1027.89mg/g。氢氧化钠为活化剂时,微波功率560W，辐射时间3min，氢氧化钠质量分数40%，浸渍时间24h。在最佳工艺条件下制备的活性炭的得率为18.4%，碘吸附值842.95mg/g。通过实验可以看出使用氯化锌作为活化剂制取活性炭比使用氢氧化钠更好。关键词 微波辐射，活性炭，紫茎泽兰 攀枝花学院本科毕业设计论文 ABSTRACTIIABSTRACTThe activated carbon from the stem of Eupatorium adenophorum spreng was prepared with ZnC12 or NaOH by microwave radiation. The efects of soaking time, microwave power, radiation time, activator concentration on the quality of activated carbon were researched.determine the optimal conditions by the single factor experiments: When using ZnC12 as activator, microwave power was 560W,radiation time was 3 min,ZnCl2 solution concentration was 40%,Soaking time was 18h.The iodine adsorption value reached 1027.89 mgg-1 and yield reached 39.03% with the optimal process. When using NaOH as activator, microwave power was 560W,radiation time was 3 min, NaOH solution concentration was 40%,Soaking time was 24h.The iodine adsorption value reached 842.95 mgg-1 and yield reached 18.4% with the optimal process.Experimental results show the use of ZnC12 as an activator to activated carbon better than the use of NaOH.Keywords Microwave radiation，activated carbon，Eupatorium adenophorum spreng攀枝花学院本科毕业论文 目录1目 录摘 要 .IABSTRACT.II1 绪论 .11.1 紫茎泽兰的分布、危害、防治和利用 .11.1.1 紫茎泽兰的分布 .11.1.2 紫茎泽兰的危害 .11.1.3 紫茎泽兰的防治 .21.1.4 紫茎泽兰的利用 .31.2 活性炭的发展历史 .41.2.1 国内发展史 .41.2.2 国际发展情况 .41.3 活性炭的制备方法 .51.3.1 化学活化法 .51.3.2 气体活化法 .51.4 紫茎泽兰制备活性炭的意义 .61.5 紫茎泽兰制备活性炭的现状和展望 .61.5.1 紫茎泽兰制备的现状 .61.5.2 紫茎泽兰制备活性炭的展望 .71.6 课题研究的目的和内容 .71.7 课题研究的可行性 .72 实验材料与方法 .92.1 实验材料、设备和试剂 .92.1.1 实验材料 .92.1.2 实验设备 .92.1.3 实验试剂 .92.1.4 实验试剂的配制 .92.2 实验原理 .9攀枝花学院本科毕业论文 目录22.2.1 活性炭制备原理 .92.2.2 活性炭碘吸附值测定的原理 .103.试验方法与实验过程 .113.1 实验方案 .113.1.1 以氢氧化钠作为活化剂制备活性炭的实验方案 .113.1.2 以氯化锌作为活化剂制备活性炭的实验方案 .123.2 碘吸附值测定方案 .123.3 实验过程 .133.3.1 原料处理 .133.3.2 活性炭制备 .133.3.3 碘吸附值测定 .133.4 实验参数的控制 .143.4.1 活化剂浓度改变对活性炭的得率和吸附值的影响 .143.4.2 浸渍时间对活性炭得率和碘吸附值的影响 .153.4.3 微波功率对活性炭得率和碘吸附值的影响 .163.4.4 微波辐射时间对活性炭得率和碘吸附值的影响 .183.5 最佳参数组合实验及分析 .193.5.1 氯化锌为活化剂制备活性炭 .193.5.2 氢氧化钠为活化剂制备活性炭 .204 结果分析与实验对比 .214.1 结果 .214.2 综合对比 .215 结论与展望 .22参考文献 .23附录 1 公式推导 .26附录 2 碘值实验的校正因子 .27致谢 .28攀枝花学院本科毕业论文 绪论11 绪论1.1 紫茎泽兰的分布、危害、防治和利用1.1.1 紫茎泽兰的分布紫茎泽兰 Eupatorium adenophorum spreng(菊科、泽兰属)。土名很多，在美国夏威夷群岛叫帕马凯里(Parnakani)或称毛伊帕马凯里(Maui pamakani)；在澳大利亚、新西兰、印度等国家通称克罗夫顿草(Crofton weed)；在尼泊尔俗称班马纳(tong a)卡莱哈 (Kale jhar)；在云南各地叫法不一，有解放草、飞机草、黑头草、大毒草等 1。紫茎泽兰原产中美洲的墨西哥，大致在 1865 年作为观赏植物引种到夏威夷群岛，1875 年引到澳大利亚，随后在新西兰、泰国、菲律宾、缅甸、越南、锡金、不丹、尼泊尔和印度等地蔓延成片，泛滥成灾。大约解放前后，由缅甸、印度、越南、尼泊尔、不丹、锡金等国边境侵入我国 2 。广泛分布于云南、贵州，遍及四川、广西、西藏等地，且仍在不断地朝华中和华东方向蔓延。紫茎泽兰多侵入农田、草地、路边、宅旁、经济林地和森林。仅云南省就有 10 个地州 98 个市县发生面积达 24.8 万 km2，占全省面积的 67%3。1.1.2 紫茎泽兰的危害紫茎泽兰在侵入我国后，因为没有天敌的控制大量繁殖和蔓延，其危害性极大，主要体现在以下几个方面：破坏畜牧业生产。紫茎泽兰对畜牧生产的危害，表现为侵占草地，造成牧草严重减产。天然草地被紫茎泽兰入侵 3 年就失去了放牧利用价值，常造成家畜误食中毒死亡。紫茎泽兰对马属动物的毒性（种子和花粉可引起哮喘；种子被吸入气管和肺可引起组织坏死和死亡）和牛的拒食性已被肯定。目前，凉山州紫茎泽兰危害面积已达 26 万公顷以上，每年牧草减产 5 亿公斤以上，家畜死亡 3000 头以上，经济损失 2100 多万元 4。破坏农业生产。紫茎泽兰生活力强，适应性广，化感作用强烈，易成为群落中的优势种，甚至发展为单一优势群落。紫茎泽兰叶、根的水提液可抑制多种粮食作物及蔬菜种子的萌发及幼苗生长。紫茎泽兰对土壤养分的吸收性强，攀枝花学院本科毕业论文 绪论2能极大耗损土壤肥力，对土壤可耕性的破坏也较严重 5。严重破坏生态、景观，影响林业生产。破坏本地植被群落结构、影响园林、旅游业景观。紫茎泽兰的生命力、竞争力及生态可塑性极强，能迅速压倒其它一年生植物。它的植株能释放多种化感物质, 排挤其他植物生长,常常大片发生,形成单优种群，破坏生物多样性，破坏园林景观，影响林业生产。紫茎泽兰对林业的危害是侵占宜林荒山、影响造林、林木生长和采伐迹地的天然更新；侵入经济林地，影响茶、桑、果的生长，管理强度成倍增加，耗费大量的人力与经费，且严重威胁了经济作物的发展 6。对人类健康也有危害。紫茎泽兰植株内含有芳香和辛辣化学物质和一些尚不清楚的有毒物质，其花粉能引起人类过敏性疾病。紫茎泽兰现在已经成为整个东南亚最大的入侵物种，它所带来的危害已经严重影响到人们的生产生活。1.1.3 紫茎泽兰的防治在紫茎泽兰的防治方面，因为其入侵已经有较长的时间，前人对紫茎泽兰的防除进行过多种途径的试验，有的已加以实施。主要的防治手段有：人工和机械防除：每年冬、春季节，是紫茎泽兰休眠并孕育新芽的时期，可人工连根整株挖除、焚烧或深埋处理。在其茂盛和开花结籽期人工割除，或使用装有旋转式刀具的轮式或履带式拖拉机割除 7，可作燃料或沤肥 8。但该法不能彻底除去遗留残根，加之环境复杂，使机械防除受到一定限制。化学防除：用除草剂在春夏季之交、夏秋季节或营养生长旺盛时期喷雾进行防除。专门针对紫茎泽兰的常用除草剂配方主要有0.60.8的2,4一D溶液；0.30.6的2,4一D丁脂和2,4,5一T；5.0氯酸钠溶液 9。另外,在三氯吡氧乙酸中加入不同的表面活性剂OPEO(octy phenol ethylene oxide)和SABS(sodium alkyl benzene sulfonate),可以增强效果。也可用10草甘膦lkg兑水50kg，再加0.1的洗衣粉，使用前滴加20滴三十二烷醇按750kg/hm 2喷施 10。植被生态替代：主要是利用一些生长快、竞争性强的禾本科草类，覆盖地表防止紫茎泽兰侵入或实施替代，以阻止紫茎泽兰滋生、繁殖和种子萌发生根11。已报道的可用替代植物有芒类、棕叶芦、类芦、卡开芦、裂稃草、野古草、山白草、硬杆子草，以及豆科的红、白三叶草、光叶紫花苕、木豆(三叶豆)等。近年来从哥伦比亚引种的禾本科植物皇竹草，据贵州试栽后发现，种植粗放，生长快，侵占能力强，株高叶茂，能挡住飘飞的紫茎泽兰种子，使其难以蔓延12。生物控制：泽兰实蝇(Procecidochares utilis Stone)是专性寄生昆虫，将卵产攀枝花学院本科毕业论文 绪论3在紫茎泽兰生长点上，孵化后即蛀入幼嫩部分取食。可利用其幼虫在紫茎泽兰上完成生活史，产生虫瘿，控制开花结实的习性开展生物防治 13-15。食花虫(Dihammus argentatus)与泽兰实蝇和一种真菌结合起来也可减缓紫茎泽兰的扩散。泽兰尾孢菌(Cercosporo eupatoric)可引起紫茎泽兰的叶失绿而阻碍其生长。最近，从紫茎泽兰植株上分离、筛选的链格孢菌(Alternaria altemata )菌株的菌丝体和代谢产物有望发展为真菌除草剂或生物源化学除草剂来防治紫茎泽兰。总之，利用生态替代和生物防治的方法控制紫茎泽兰是目前研究的热点之一 16。1.1.4 紫茎泽兰的利用紫茎泽兰原来是被作为杂草而被直接清除和焚烧掉，随着社会的发展和人们环保意识的增强，近年广大学者和专家对利用紫茎泽兰开始有了较多的关注。现阶段研究的方向主要是在农业上和工业生产上的利用。农业方面紫茎泽兰含大量氮、磷、钾及丰富的微量元素 17,18，常用于作为生物有机肥源。民间早在 20 世纪 70，80 年代将其嫩枝叶踩、堆于水田和粪池中沤腐作肥。可割青用作绿肥和堆肥原料，发酵后作基肥施用，也可利用催腐剂快速堆腐成有机肥料施用 19；紫茎泽兰虽含有毒成分，但经青霉属、曲霉属等菌种好氧发酵后，能显著降解其有毒物质，可脱毒作为饲料原料配成混合饲料喂养猪等家畜 20,21；紫茎泽兰含有 l0 余种活性物质，对蚜虫、米象等害虫有防治效果。因此用其提取的精油可制成杀虫剂，为生物农药提供新的来源。尼泊尔用其叶片直接防治马铃薯害虫黄蚂(Dorylus orientalisn)22。工业方面使用八孢裂殖酵母(Schizosacccharomyces octosporus)等微生物发酵紫茎泽兰生产木糖醇，用于医药和食品工业中 23。紫茎泽兰对沼气微生物有抑制作用，不能直接作沼气发酵用，但经好氧发酵处理后可作沼气发酵原料。有研究表明：每吨紫茎泽兰脱毒素后可产沼气 77m3。紫茎泽兰含纤维素高，可加工成纸板、压模板，生产建筑用模板 24。另据报道，在云南大理巍山，民间利用紫茎泽兰作染料，染出的布颜色鲜艳明亮，不易褪色 25。在使用紫茎泽兰杆茎制备活性炭方面，云南的一些院校学者进行了实验室阶段的实验，据文献现阶段使用紫茎泽兰制取活性炭的得率达到 33.6%26。随着社会的发展和科技力量的增强，紫茎泽兰中的有用成分和整体的利用将会更大的拓展。这种在现阶段被人们所厌恶的植物，在未来展现出它的魅力。攀枝花学院本科毕业论文 绪论41.2 活性炭的发展历史1.2.1 国内发展史我国在活性炭的研发和利用方面起步较晚，活性炭在国内的发展主要可以分为三个阶段 27，分别是：(1)第一阶段使 20 世纪 40 年代以前，我国制药工业、化学工业中使用活性炭量大，都用进口货，例如用 Carboraffin 牌的活性炭。(2)第二阶段自 20 世纪 50 年代初开始，国产活性炭上市。1951 年沈阳和抚顺的单管炉厂、青岛的反射炉闷烧法厂、上海的电热活化厂，接着氯化锌活化厂，1958 年福建、杭州、广州、烟台、东北等地纷纷建厂，1966 年太原开创斯列普活化法厂，随后我国陆续开设数以百计的斯列普炉厂。此外，还有不少的转炉、粑式炉等工厂。总生产能力从 1951 年的五十吨猛增到 20 世纪 80 年代的近十万吨。（3）第三阶段近现代生产与应用相互促进，活性炭的应用范围被迅速开拓。从原来单一的通用炭向多种的专用炭发展，例如净水炭、糖炭、味精炭、油脂炭、黄金炭、载体炭、药用炭、针剂炭、试剂炭等等，足见活性炭因国内经济蒸蒸日上而应用量速增，又因产量扩大、成本降低而使出口量上升。我国活性炭的应用，不仅在国内市场发展，而且进入了国际市场。虽然我国在活性炭方面的研究和利用起步较晚，但是我国在活性炭的研究方面有着巨大的优势，广袤的森林为活性炭的研究提供和充足的原料供给。近年我国在活性炭的利用和研究方面都加大了力度，相信我国会在活性炭的研究利用方面取得更大的成绩。1.2.2 国际发展情况国际上对活性炭的研究和利用起源于 20 世纪，发展历程可简单分为三个阶段 27：(1)第一阶段，从 20 世纪初到约 20 世纪 20 年代为萌芽阶段:(2)第二阶段，从约 20 世纪 20 年代中期为成长阶段;(3)第三阶段，从 20 世纪中期到 20 世纪末期为发展阶段，发展成为环保应用阶段。随着活性炭在生产生活中越来越广的使用，各国学者和专家在活性炭的研究上对寻找更好的生产方法和替代木材和煤为原料生产活性炭的原料投入了更攀枝花学院本科毕业论文 绪论5多的关注。1.3 活性炭的制备方法活性炭制备传统上分为化学活化法和气