活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　像水果这样的农作物通常保质期不长，这限制了它们的运输范围，并且降低了生产的经济回报。因此，需要在保持其质量的同时改善采后储存。乙烯是在成熟过程中由果实自然产生的可以更快地促进水果成熟，同时也可能使果实变质。在本文中，我们研究了使用氧化钴浸渍的活性炭通过吸附除去乙烯来延长水果的保质期。

　　大多数控制乙烯的方法是由通风稀释空气中的含量，用高锰酸钾氧化乙烯和用吸附材料除去乙烯来进行的。这些方法中的每一种都有优点和缺点或限制。例如，通过使用通风来维持乙烯浓度不适合于密封环境。因此，要从包装和贮存去除大气中的乙烯，一般采用高锰酸钾颗粒作为氧化剂。然而，使用高锰酸钾的乙烯氧化将导致高锰酸钾转化为氧化锰。因此，该乙烯氧化剂不能再生和再利用。此外，高锰酸盐有危害不能和水果直接接触。所以吸附是另一种替代方法。它是通过引入活性材料，如钯，铯和钴在活性炭载体上以清除乙烯。后一种方法可能受活性物质的类型，材料负载和活性炭载体材料的性质(例如，比表面积，孔径和孔径分布)的影响。

　　氧化钴浸渍的活性炭制备

　　活性炭是通过热解合成，使用原料为废弃植物壳和间苯二酚的合成聚合物。浸渍过程通过初湿法然后煅烧过程将氧化钴分散在活性炭中。首先，将活性炭在150℃下脱气2小时以清洁孔隙。随后，加入来自硝酸钴(99.8%纯度)在异丙醇中的盐溶液。蒸发溶剂后，然后通过在石英管式反应器中在氮气吹扫下将活性炭和硝酸钴的混合物加热至200℃，进行升温速率进行煅烧。

　　吸附剂的表面特征

　　使用扫描电子显微镜(SEM)观察由植物壳和酚醛树脂的热解获得的活性炭的表面形态，并分别在图1A，C中示出。可以看出，不同的碳前体产生不同的表面形态。生物质衍生的碳显示出刚性和致密的结构，这是典型的木炭特征。而聚合物衍生的碳呈现具有粒子网络的碳球，在球体之间产生大的空隙。然后将两种活性炭用作氧化钴的载体。为了观察金属氧化物在活性炭上的分散，进行了SEM与能量色散X射线(EDX)的元素映射。图1B，D表示装载在两种材料中的氧化钴的代表。所有都显示钴材料(在青色中显示)在活性炭中的均匀分散。这表明通过浸渍方法中描述的简单化学计量计算很好地实现了元素钴的目标负载。换句话说，上述结果清楚地显示了制备氧化钴活性炭的成功制备步骤。

　　图1：活性炭(A，C)及其各自的氧化钴浸渍的活性炭(B，D)扫描电子显微镜照片。

　　活性炭对乙烯的吸附

　　测试氧化钴浸渍的活性炭的性能以进行乙烯吸附。图2A显示在具有和不具有0-101kPa压力范围的氧化钴活性炭中的乙烯吸附等温线。吸附乙烯的体积定义为标准温度和压力下的体积。通常，可以看出乙烯吸收随着压力的增加而增加。大量乙烯吸附至40kPa压力。当将压力增加到40kPa以上时，所有样品可以进一步吸附少量乙烯(添加10%-25%)。氧化钴浸渍的活性炭是无负载的活性炭两倍的乙烯吸附量，它清楚地表明氧化钴在增强活性炭对乙烯吸附方面效果比较好。增加氧化钴的含量进一步增加了乙烯在氧化钴浸渍的活性炭上的吸附能力。当使用30%氧化钴时能达到较高吸附容量。

　　图2：乙烯在氧化钴浸渍的活性炭上的吸附等温线。

　　活性炭对水果保鲜试验

　　图3A，B分别显示了在没有和使用氧化钴浸渍的活性炭在封闭存储期间的水果条件的日常记录。使用活性炭15%氧化钴材料，进行半定量检查(即颜色和棕色区域)。当棕色主要出现时，长期保存时间被定义，并且香蕉从束中掉出来。当将香蕉存放在没有活性炭吸附剂的封闭盒子中时，水果很快变得腐烂。仅在第三天，一束香蕉已经从束中掉出来并出现棕色斑点。使用活性炭吸附剂情况下，可以清楚地看到水果保存时间的延长。相对于没有活性炭，颜色的变化被延迟(图3B)。结果表明氧化钴浸渍的活性炭作为乙烯清除剂在储存系统中的效果，因此延长了水果的储存寿命。

　　图3：在相同条件没有活性炭(A)和在活性炭(B)存在下的情况保存试验中的水果。

　　为了研究活性炭用量的影响，改变了活性炭和水果的质量比。图4显示了活性炭与水果的保存时间与质量比的范围为。活性炭的量会影响保质期，并且可以看到非线性相关性(见图4中的虚线)。没有活性炭达到存在，水果储存时间仅为3天。根据添加的活性炭的质量，保质期可以从2天延长至12天。通过添加15克吸附剂用于1千克水果，可以实现延长高达5倍的保质期。较高质量的活性炭提供较长的保存时间，这可能是由乙烯吸附的活性位点含量较高引起的。结果表明，氧化钴浸渍的活性炭有望用于延长水果的保质期。

　　图4：活性炭的量对水果保鲜时间的影响。

　　通过果壳生物质和合成聚合物的热解产生的活性炭表现出不同的孔隙特征。生物质衍生的碳主要表现为中孔，而聚合物衍生的碳显示出高含量的微孔。通过材料表征证明，钴物质可以成功地加载到这些活性炭中。通过进行浸渍和煅烧的两步法实现氧化钴的良好分散。吸收容量测量表明，乙烯更有利地吸附在分散在具有高比表面积的活性炭内的氧化钴中。吸附的乙烯体积随着活性炭上钴氧化物负载量的增加而增加。经过试验表明，相对于没有吸附剂，活性炭可以将香蕉的成熟过程延长至12天。该研究表明，活性炭吸附作为一种经济的乙烯去除方法具有广阔的应用前景。

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