摘要：以酒厂废弃软木塞为碳源，尿素为结构导向剂，氢氧化钾为活化剂，通过水热碳化与化学活化制备生物质基多孔碳材料。最佳制备工艺参数：活化温度900℃,水热炭、尿素、氢氧化钾质量比为1∶1.5∶2，该条件下制备的多孔碳材料比表面积达1 994 m2/g，具有合理的孔隙结构，中孔与微孔比例显著提升。在动态吸附实验中，材料对丙酮和甲苯的饱和吸附量为6.4、5.7 mmol/g；静态吸附实验中，对丙酮和甲苯的吸附量为17.5、9.5 mmol/g。结果表明，合理的孔径分布和表面官能团的协同作用显著增强了材料吸附性能。本研究为低成本、高效VOCs吸附材料开发提供了依据。

　　关键词：多孔碳材料；生物质炭；水热碳化；VOCs吸附

　　0引言

　　挥发性有机化合物（VOCs）是常见的大气污染物，存在于工业废气和机动车尾气中，不仅污染环境，还危害人体健康[1]。吸附技术因其高效、无二次污染的特点，成为治理VOCs的重要方法[2]。废弃生物质为前驱体制备的多孔碳材料因低成本和环保优势备受关注。丙酮和甲苯是常见的工业VOCs，广泛用于溶剂、涂料和化工生产，具有高挥发性和毒性，对人体及环境均构成威胁[3]。通过水热碳化和化学活化，制备出比表面积高、孔隙结构优化的多孔碳材料。尿素的加入可有效调控孔径分布，从而提高吸附性能[4]。本研究以废弃软木塞为前驱体，优化工艺条件，研究孔径结构对丙酮和甲苯吸附性能的影响，为高效吸附材料的开发提供理论依据。

　　1实验材料与方法

　　1.1实验材料与仪器

　　软木塞来源于福建某酒厂废弃软木塞；尿素；氢氧化钾；自制去离子水；丙酮（AR）；甲苯（AR）；高纯氮气；稀盐酸。

　　主要仪器有：高压反应釜、扫描电子显微镜（SEM）；X射线光电子能谱仪（XPS）、比表面积及孔隙结构测试仪（BET）、质谱仪。

　　1.2实验方法

　　1.2.1多孔碳材料制备

　　1）原料处理。将软木塞废弃物粉碎并筛分至粒径小于850μm，得到软木粉。

　　2）水热碳化。称取软木粉5.0 g，与100 mL去离子水混合，转移至200 mL高压反应釜，在180℃下水热反应8 h。反应结束后冷却至室温，用去离子水多次洗涤至中性后过滤，最后105℃下过夜干燥，获得水热炭（SRC）。

　　3）化学活化。将水热炭、尿素、氢氧化钾按一定质量比混合均匀，转移至石英舟中，置于管式炉内进行活化反应。活化条件：升温速率5℃/min，目标温度为设定值，保温2 h，氮气流量60 mL/min。

　　4）后处理。反应结束后自然冷却至室温，用质量分数为5%的稀盐酸洗涤产物以去除残留无机盐，随后用去离子水洗涤至中性，过滤并于105℃烘干过夜，获得多孔炭材料。

　　1.2.2吸附性能测试

　　吸附性能通过静态吸附实验和动态吸附实验评估，分别用于研究材料的吸附容量和在实际使用条件下的吸附行为[5]。

　　1）静态吸附实验。在25℃恒温条件下，通过静态吸附仪测定样品对丙酮和甲苯的吸附量。逐步增加压力，记录吸附量随压力变化的等温线，并采用Langmuir和Freundlich模型拟合以计算最大吸附容量和吸附强度。

　　2）动态吸附实验。动态吸附实验采用固定床反应装置，包括样品柱、载气系统和质谱检测仪。实验条件：以50 mL/min流速输送丙酮和甲苯气体，在25℃监测出口气体浓度，绘制动态穿透曲线（C/C0），确定初始穿透点（C/C0=5%）和饱和点（C/C0=95%）。根据穿透曲线计算样品的动态吸附量。

　　2结果与讨论

　　2.1工艺参数对多孔碳材料孔径结构的影响

　　2.1.1活化温度对孔径调控的影响

　　在其他实验条件一致，水热炭、尿素、氢氧化钾质量比为1∶1∶2时，采用不同活化温度（600、700、800、900℃)进行多孔碳材料制备实验，考察活化温度对多孔炭材料孔径结构的影响。样品未活化时，水热碳表面非常粗燥，表面几乎看不到明显的空隙，如图1-1所示；随着活化温度升高，在材料表面开始出现大小孔嵌套的发达孔隙结构，特别在活化温度为800、900℃时，材料表面呈现出大量均匀分布且嵌套的多级孔，如图1-2和1-3所示。然而，进一步提高温度会导致材料产率显著下降，这是由于高温下过度碳化引起的质量损失。因此，为兼顾孔隙结构的优化和产率，实验确定最佳活化温度为900℃,此时多孔碳材料的产率为15.19%。

　　2.1.2尿素投加量对孔径调控的影响

　　在多孔炭材料的制备过程中，尿素作为结构导向剂，对孔隙结构的形成和调控起重要作用。在其它实验条件一致，活化温度900℃,采用不同水热炭、尿素、氢氧化钾质量比（1:0:2、1:0.5:2、1:1:2、1:1.5:2、1:2:2、）进行多孔碳材料制备实验，考察尿素投加量对多孔炭材料的孔径结构的影响，如图2所示。

　　未添加尿素时（图2-1），样品表面粗糙且孔隙结构不规则，分布无序，表面碎片堆叠较多，孔隙破碎不完整，样品产率仅为9.34%。当尿素质量比增加至0.5（图2-2），材料表面逐渐平整，孔隙分布开始显现规律性；尿素质量比达到1（图2-3）时，孔径形态规则，表面光滑度提升，中孔和大孔比例显著提高；当尿素质量比为1.5（图2-4）时，样品表面光滑度达到最佳，孔隙结构最为发达，比表面积和孔容均达到最大值。然而，当尿素质量比进一步增至2（图2-5），样品表面出现塌陷和破碎现象，孔隙结构紊乱，机械强度下降。

　　实验结果表明，尿素的适量投加能够优化多孔炭材料的孔隙结构，提高材料的比表面积和孔容。过量尿素则可能导致孔隙过度破坏，降低材料性能。在本实验条件下，最佳物料比为水热炭、尿素、氢氧化钾质量比为1:1.5:2，此条件下样品展现出最优的孔径调控效果。

　　2.2多孔碳材料吸附性能测试

　　在最优工艺条件下：活化温度900℃,水热炭、尿素、氢氧化钾质量比为1:1.5:2，制备的多孔碳材料比表面积1 994 m2/g、微孔体积0.68 cm3/g、介孔体积0.46 cm3/g、总孔容1.14 cm3/g、氮质量分数2.63%、氧质量分数3.76%。取材料样品测试对VOCs动态和静态吸附性能。

　　2.2.1多孔碳材料对VOCs的动态吸附

　　动态吸附实验评估材料在模拟实际使用条件下对VOCs的吸附能力。以丙酮和甲苯作为目标分子，采用固定床反应装置，在25℃、50 mL/min的气流条件下进行实验。通过动态穿透曲线（C/C0）分析样品的吸附性能。

　　实验结果表明，样品对丙酮和甲苯的饱和动态吸附量分别为6.4、5.7 mmol/g，均表现出优异的吸附能力。动态吸附能力的优异性主要源于样品的合理孔径分布和较高比表面积：微孔为目标分子提供了丰富的吸附位点；中孔的存在促进了分子传质，提高了吸附效率。

　　其中，丙酮的分子尺寸较小，更易进入微孔，并通过氧和氮官能团与吸附剂表面形成强分子间作用力；而甲苯较大的分子尺寸则更依赖于中孔（孔径1.6~3.6 nm）提供的吸附通道。

　　2.2.2多孔碳材料对VOCs的静态吸附

　　静态吸附实验用于测定材料在恒定温度和压力下的最大吸附能力。通过等温吸附曲线分析样品在不同压力条件下的吸附行为。

　　在25℃测试条件下，样品对丙酮和甲苯的饱和静态吸附量分别为17.5 mmol/g（18 kPa）和9.5 mmol/g（3 kPa），表现出显著的吸附能力。等温吸附线呈Langmuir型，表明吸附行为以单分子层吸附为主。吸附性能受以下因素影响：孔径分布：丙酮的最佳吸附孔径为1.2~2.8 nm，而甲苯为1.6~3.6 nm；表面化学性质：材料表面的氧、氮官能团增强了与极性VOCs分子的作用力，显著提高了吸附性能。

　　综合动态和静态吸附实验，多孔碳材料展现了优异的VOCs吸附能力，其性能的优异性主要归因于其合理的孔隙结构以及表面丰富的功能性官能团。

　　3结论

　　本研究以酒厂废弃软木塞为碳源，采用水热碳化+化学活化法，制备了生物质基多孔碳材料，确定了最优工艺条件，活化温度900℃,水热炭、尿素、氢氧化钾的质量比为1:1.5:2，制备的材料比表面积高达1 994 m2/g，具有合理的孔隙分布，微孔体积为0.68 cm3/g，介孔体积为0.46 cm3/g，微孔与中孔比例得到了优化。动态吸附实验中对丙酮和甲苯的饱和吸附量分别为6.4、5.7 mmol/g；静态吸附实验中，在25℃条件下饱和吸附量分别为17.5、9.5 mmol/g。实验结果表明，优化的孔径分布及表面含氧、含氮官能团的协同作用显著增强了材料对丙酮和甲苯等典型VOCs的吸附能力。

　参考文献

　　[1]欧阳宇航，陈英.回收涤纶制备多孔碳材料及其吸附性能[J].印染，2024，50（2）：62-67.

　　[2]吴倩芳，黄才洋，李赛赛，等.废弃物木屑制备多孔碳材料及亚甲基蓝吸附性能研究[J].功能材料，2023，54（5）：5141-5147.

　　[3]蒋雨微.以生物质为前驱体的多孔炭材料制备及其VOCs吸附性能研究[D].长沙：中南大学，2023.

　　[4]刘蜀疆，陈占营，赵永刚，等.氙常温吸附性能与多孔碳材料孔径分布关联分析[J].化工进展，2020，39（S2）：243-250.

　　[5]潘学峰，顾五洲.ZnCl2活化法多孔碳材料及其吸附性能研究[J].化学工程与装备，2020（7）：12-14.