利用咖啡渣制取咖啡油及活性炭等綜合利用技術潘費楊;李金鍵;陳楚潔【期刊名稱】《《浙江化工》》【年(卷)，期】2019(050)002【總頁數】5頁(P27-31)【關鍵詞】咖啡油;活性炭;肥皂【作者】潘費楊;李金鍵;陳楚潔【作者單位】浙江工業大學化學工程學院浙江杭州310014【正文語種】中文目前，咖啡憑借其良好的抗疲勞和提神功能，已成為世界上最受歡迎的飲品之一。據USDA(美國農業部)和中國農業部統計，世界咖啡消耗量大約比可可和茶葉大一倍，全世界每年消費至少4000億杯咖啡且世界咖啡消費量仍以每年1.5%的速度增長，而特種咖啡，如烘焙咖啡的增長速度高達8%[1-2]。經調查發現，在烹煮過程中僅有0.2%的咖啡豆被使用，其余是99.8%的咖啡渣。咖啡渣表面有許多細小氣孔，具有吸收濕氣、除味作用以及棱角分明，具有吸附污漬等功能。而這些咖啡渣大部分被丟棄，之后被填埋、焚燒，造成了極大的資源浪費和環境污染。基于這個現狀，小組成員對多個城市的咖啡店進行了調研，并結合以上的調研情況，開展了對咖啡渣的回收再利用——提取咖啡油、制取活性炭及相關日用洗護品的實驗研究。表12012-2017年全球咖啡產量統計表Table1Globalcoffeeproductionstatisticstablefor2012~2017資料來源：USDA、中國農業部中國產量占比/%2012140417842.54.960.592013143882863.36.990.812014154943929.79.271.002015154308925.811.781.272016146263877.612.61.442017152651915.9 年份全球/千包全球/萬t中國產量/萬t咖啡油以咖啡渣為原料用乙醇萃取，并輔以超聲處理，而后抽濾旋蒸得到［3-4］。活性炭則是同樣以咖啡渣為原料，采用物理化學活化法制備。物理化學活化法是先熱解炭化［5］,然后在氧化性氣體（H2O、02、CO2等）中高溫活化。此方法是對物理法和化學法的結合使用，克服了物理法的孔徑較大、比表面積較小的缺點［6-7］以及化學法活化劑用量高、污染環境的缺點［8-9］，能夠制備出兼得兩者優點的具有高比表面積的高性能活性炭［10］。在制備活性炭后，對其進行重金屬離子（鉻）的吸附效果測定［11-12］，形成完整的數據報告以供參閱。以新型肥皂為代表的日用洗護品則是利用此前制得的咖啡油為主要原料［13］,并加入由物理化學活化法制得的高性能活性炭［14-15］,經檢測，具有良好的去角質能力和吸附重金屬離子能力，針對平時工作在重金屬離子環境中的人群具有極大的使用價值。1材料與方法1.1原料與儀器實驗采取的原料為定點回收的咖啡渣。實驗儀器：電子分析天平，pH計，循環水式多用真空泵，超聲清洗器，氣氛管式爐，恒溫振蕩器，原子分光光度計以及貝士德3H-2000PS1型靜態容量法比表面積孔徑分析儀等。圖1咖啡渣樣品Fig1Thesampleofcoffeegrounds1.2實驗方法1.2.1咖啡油的制備將咖啡渣放入恒溫箱中在40OC~50°C溫度下烘干至粉狀得干燥后的咖啡渣；(2)將干燥后的咖啡渣和乙醇按照1:3的重量比混合均勻得到混合原液；將混合原液進行超聲波處理得到咖啡油和有機溶劑的混合溶液，超聲波頻率為30~70kHZ，超聲波處理時間為5-40min,超聲波處理溫度為20°C~50°C;將咖啡油和有機溶劑的混合溶液進行抽濾，將濾液旋蒸后回收有機溶劑，得到咖啡油。1.2.2活性炭的制備(采用物理化學活化法)前處理：用蒸餾水洗去咖啡渣中的灰分和水溶性物質，多次抽濾后置于50C烘箱干燥24h；熱解炭化：干燥過后的咖啡渣置于氣氛管式爐中，充入氮氣作為保護氣體[17-18]。設置升溫速率(10°Gmin-1)，待溫度升至450C后保持60min,冷卻后獲得咖啡渣碳前驅體；浸漬：將咖啡渣碳前驅體置于燒杯中，按一定的浸漬比(活化劑溶質與咖啡渣前軀體的質量比1.6)加入磷酸溶液浸泡咖啡渣碳前驅體、超聲和烘干；輔助活化：將浸漬干燥過后的原料放入氣氛管式爐中，設置升溫速率10C?min-1，待溫度升至活化溫度600°后，對咖啡渣碳前驅體進行恒溫活化30min；酸洗：用煮沸的鹽酸和95°的蒸餾水反復清洗咖啡渣活性炭，至水溶液呈中性，經抽濾后進行干燥，冷卻，充分研磨過篩，得到試驗樣品。1.2.3肥皂的制備(以肥皂為代表的洗護用品)在150mL燒杯里，盛6g咖啡油和5mL95%的酒精，然后加10mL40%的NaOH溶液，用玻棒攪拌，使其溶解(必要時可用微火加熱)；把燒杯放在電熱套上，不斷用玻璃捧攪拌。在加熱過程中，倘若酒精和水被蒸發而減少應隨時補充，以保持原有體積。可預先配制酒精和水的混合液(1:1)20mL，以備添加；用玻璃棒取出幾滴試樣放入試管，在試管中加入蒸餾水5-6mL，加熱振蕩。靜置時，有油脂分出，說明皂化不完全，可滴加堿液繼續皂化；將20mL熱的蒸餾水慢慢加到皂化完全的粘稠液中，攪拌使它們互溶。然后將該粘稠液慢慢倒入盛入150mL熱的飽和食鹽溶液中，邊加邊攪拌。靜置后，肥皂便鹽析上浮，待肥皂全部析出、凝固后可用玻棒取出，肥皂粗產品即制成；將肥皂粗產品進行熱熔處理，加入活性炭后冷卻風干處理得到肥皂目標產品，即含有活性炭的具有極強去角質和重金屬離子吸附能力的新型高效洗護產品［19］。1.2.4比表面積的測定活性炭產品的比表面積和孔徑大小由比表面積孔徑分析儀(貝士德3H-2000PS1型靜態容量法)表征可得。1.2.5活性炭吸附以鉻(VI)為代表的重金屬離子試驗配置Cr(V)濃度為100mg-L-1的重鉻酸鉀溶液，然后將100mL的溶液置于—系列250mL的錐形瓶中，分別投入五組活性炭(0.2g),改變溶液pH值，加塞后置于恒溫振蕩器中，在30°C下，以100r-min-1的振蕩速率恒溫振蕩120min后過濾，利用原子吸收分光光度計測定濾液中Cr(V)的濃度，計算去除率［20］。2結果與討論2.1咖啡油制備每次取250mL圓底燒瓶約加入50g左右的干燥的咖啡渣，按1:3的重量比加入無水乙醇混合后，在超聲波清洗器中進行超聲處理，抽濾旋蒸后平均產率達6.32%。表2咖啡油制備實驗產量和產率Table2PreparationofcoffeeoilyieldandyieldofExperiment次序咖啡渣量/g咖啡油量/g產率/%151.13.26.26250.23.46.77349.83.16.22453.23.56.58551.13.26.26750.03.06.00849.72.75.43950.33.46.761052.23.46.511148.93.16.34總計506.5326.32圖2咖啡油產品Fig2Coffeeoilproducts2.2活性炭制備由咖啡渣采用物理化學法累計制備活性炭達7.2726g，平均產率達30.67%。表3活性炭制備實驗產量和產率Table3PreparationofactivatedcarbonyieldandyieldofExperiment次序咖啡渣量/g活性炭質量/g產率/%18.00542.371229.6227.50102.360431.4738.20352.541030.97總計23.70997.272630.67圖3活性炭產品Fig3Activatedcarbonproducts2.3肥皂的制備實驗制得以咖啡油為原料加入了活性炭的肥皂約31g。總體呈咖啡色，并附有活性炭顆粒，伴有淡淡的咖啡香。圖4肥皂樣品Fig4soapproducts2.4孔結構及比表面積分析由表4可以看出，碳前軀體通過磷酸輔助活化后制備的活性炭具有較大的比表面積和較多的中孔結構，這是由于磷酸輔助活化過程中，咖啡渣碳前軀體中的揮發分冷凝并二次炭化形成了以中孔為主的活性炭。氣氛熱解進行自活化，使咖啡渣碳前軀體具有一定的孔隙結構，便于磷酸充分浸漬；同時，剩余揮發分參與磷酸輔助活化過程，進行二次炭化，形成新的微孔和中孔，極大地提高了活性炭的吸附性能。表4樣品的比表面積和孔結構參數Table4Porestructureparametersandspecificsurfaceareasofspecimens樣品比表面積/(m2-g-1)平均孔徑/nm總孔體積/(cm3?g-1)中孔體積/(cm3?g-1)微孔體積/(cm3?g-1)最優活性炭1232.12874.99171.53761.56250.53062.5咖啡渣活性炭對以Cr(VI)為代表的重金屬離子的吸附在試驗溫度為30OC、投加量為2g-L-1、吸附時間為120min，震蕩速率100次/min的條件下，測定廢水pH為1.93、3.94、6.02和7.95時活性炭對Cr(V)的去除率，試驗結果如圖5所示。可以看出，pH的變化對活性炭去除Cr(V)影響十分明顯，隨著廢水pH的增大，兩種活性炭對Cr(V)的去除率不斷降低。這是由于在較低pH條件下活性炭表面官能團發生質子化作用，從而對水中陰離子態的Cr(V)表現出更強的靜電吸附作用。因此，pH=1.93時，咖啡渣活性炭去除率高達97.5%，遠高于商業活性炭的吸附率68.0%[21]。圖5pH對Cr(V)去除率的影響Fig5EffectofactivatedcarbonpHontheCr(V)removal3結論與展望(1)以咖啡渣為原料制備的咖啡油產率達6.32%，活性炭產率達30.67%。由貝士德3H-2000PS1型靜態容量法比表面積孔徑分析儀表征得制備的最優活性炭BET多點法比表面積達1232.1287m2?g-1，平均孔直徑為4.9917nm，以微孔和中孔為主。(2)最佳工藝條件下制備的咖啡渣活性炭吸附Cr(V)試驗表明，在試驗溫度為30C、投加量為2g-L-1、吸附時間為120min，震蕩速率100次/min的條件下，pH=1.93時，咖啡渣活性炭對Cr(V)的去除率最大，達97.5%，是商業活性炭的1.43倍。(3)咖啡渣活性炭采用物理化學活化法制備，克服了物理法的孔徑較大、比表面積較小的缺點以及化學法活化劑用量高、污染環境的缺點，能夠制備出高性能活性炭且具有節能減排的重要意義。以肥皂為代表的日用化學品則是采用了咖啡油制備，并加入了高性能活性炭，具有良好的去角質清潔能力和吸附重金屬離子能力，針對平時工作在重金屬離子環境中的人群具有較好的可行性和實際生活效益。【相關文獻】ZuoSL，LiuJL，YangJX，etal.Effectsofthecrystallinityoflignocellulosicmaterialontheporosityofphosphoricacid-activatedcarbon[J].Carbon,2009,47:3574-3584.NamaneA,MekarziaA,BenrachediK,etal.DeterminationoftheadsorptioncapacityofactivatedcarbonmadefromcoffeegroundsbychemicalactivationwithZnCl2andH3PO4[J].Hazard.Mat.,2005,B119:189-194.董宇，申哲民，申哲民，等.亞臨界水解預處理稻草秸稈制備活性炭及表征[J].環境科學，2012,33(5):1753-1759.EguirimM,LimousyL,DutournieP.Pyrolysiskineticsandphysicochemicalpropertiesofagropelletsproducedfromspentgroundcoffeeblendedwithconventionalbiomass[J].ChemicalResearch,2014,92(10):1876-1882.立本英稚，安部郁夫?活性炭的應用技術其維持管理及存在問題[M].南京：東南大學出版社，2002.劉斌，楊繼亮，馬葉，等.磷酸活化法制備梧桐葉活性炭及表征[J].林產工業，2013,(6):35-40.MonserL,AdhoumN.RemovalofCr(VI)fromaqueoussolutionusingactivatedcarbonmodifiedwithnitricacid[J].ChemicalEngineeringJournal,2009,152:434-439.MussattoSI,BallesterosLF,MartinsS,etal.Extractionofantioxidantphenoliccompoundsfromspentcoffeegrounds[J].SeparationandPurificationTechnology,2011,83:173-179.沈曾明，張文輝，張學軍，等?活性炭材料的制備與應用[M].北京：化學工業出版社，2006.ValixM,CheungWH,McKayG.Preparationofactivatedcarbonusinglowtemperaturecarbonisationandphysicalactivationofhighashrawbagasseforaciddyeadsorption[J].Chemosphere,2004,56:493-501.謝新蘋，孟中磊，蔣劍春，等.磷酸活化桉木屑制備活性炭的影響因素及表征[J].東北林業大學學報，2013,41(4):116-119.(a)朱光真，鄧先倫.磷酸法制備活性炭活化機理研究[J].安徽農業科技，2011,39(30):18653-18655(b)周曰，潘衛國，郭瑞堂，等.用磷酸活化法制備甘蔗渣活性炭及其吸附性能研究[J].上海電力學院學報，2013,29(1):97-100.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