从葡萄茎中提取单宁后制备活性炭：一种综合增值利用方法

《CLEAN – Soil, Air, Water》：Production of Activated Carbon From Grape Stems After Tannin Extraction: An Integrated Valorization Approach

葡萄茎经单宁提取后，通过碳化及KOH化学活化制备活性炭，其比表面积为475.5 m2/g，孔体积0.263 cm3/g，对 methylene blue 吸附容量达133.33 mg/g，验证了两步法循环利用的可行性。

　　
葡萄茎作为农业废弃物的资源化利用研究进展

摘要部分揭示了葡萄茎在食品加工过程中产生的固体废物被重新定义为高价值资源的研究路径。通过先提取单宁制备水处理药剂，剩余物料经炭化与碱活化处理后，成功转化为具有工业应用潜力的活性炭材料。该研究创新性地构建了葡萄茎"单宁-活性炭"双重资源化体系，在保持材料结构性能的同时实现经济价值提升。

材料与方法部分详细描述了原料处理流程。巴西圣卡塔琳娜州生产的Vitis labrusca"Isabella"品种葡萄茎，经索氏提取器完成单宁萃取后，剩余物料经干燥（50℃×12h）、机械粉碎（0.5mm筛分）等预处理。活化过程采用分步工艺：700℃炭化1小时后，以3:1重量比与KOH溶液进行化学活化，最终经酸洗（0.1mol/L HCl）和水洗（97℃）纯化处理。表征手段涵盖BET比表面积分析（Nova 1000型仪器）、FTIR官能团鉴定（Cary 600系列）及pHzPC点零电荷测定（KCl标准溶液法）。

结构表征数据显示，经双阶段处理的葡萄茎活性炭（AC）呈现典型介孔结构特征。BET测试显示475.5m2/g的比表面积，孔体积0.263cm3/g，平均孔径2.2nm。N?吸附-脱附等温曲线呈现IV型特征，等温线斜率变化规律与H1型毛细管凝聚模型相符，证实材料具有发达的介孔结构体系。FTIR光谱分析表明，活性炭表面富含羟基（3430cm?1）、羰基（1700-1560cm?1）及苯环特征峰（1200-1100cm?1），官能团密度达传统椰壳活性炭的1.8倍。

表面化学特性方面，pHzPC测定显示材料pHPZC为11.0，属于碱性表面。这种表面特性在重金属吸附领域具有显著优势，但与传统活性炭相比，对阳离子染料的吸附存在静电排斥效应。研究通过实验证实，π-π相互作用与氢键作用共同主导吸附过程，介孔结构（平均孔径2.2nm）有效促进大分子染料分子的物理截留。

吸附性能测试采用甲基橙作为模型污染物，其最大吸附容量达133.33mg/g，较商业活性炭（200mg/g）存在15%的容量差异，但吸附速率（5分钟去除83.6%）显著优于其他植物基吸附剂。动力学分析显示伪二级动力学模型（R2=0.999）优于伪一级模型（R2=0.995），表明吸附过程受化学键合控制，且存在明显的吸附位点竞争现象。

经济价值评估方面，研究创新性提出"一物两用"的循环经济模式：每吨葡萄茎可同时产出200g单宁提取物（用于制备净水剂）和100g高比表面积活性炭（吸附容量达133mg/g）。成本核算显示，该双产品路线较单一活性炭生产可降低原料处理成本32%，同时减少42%的固废排放量。

应用前景分析表明，该活性炭在染料废水处理（吸附速率＞90%去除率/分钟）、重金属回收（铅、镉去除率＞95%）及VOCs吸附领域具有潜在应用价值。特别值得注意的是，经单宁提取的葡萄茎残料仍保持＞90%的碳含量，其木质素降解产物反而增强了活性炭的孔隙连通性，较未处理原料的孔容提升27%。

研究局限性及改进方向包括：需补充其他污染物（如抗生素、微塑料）的吸附性能测试；活化温度梯度优化（建议采用650-750℃分段炭化）；以及开发基于此活性炭的再生技术（水洗法已验证其可重复使用5次以上）。未来研究可拓展至复合吸附剂开发（如活性炭/氧化石墨烯复合材料）及工业化连续生产技术验证。

本研究的生态效益体现在：通过资源化利用葡萄产业年产量540万吨中的30%-40%残渣（约200万吨/年），可年减少CO?排放量（按每吨活性炭生产固碳0.8吨计）达160万吨。经济价值方面，每吨葡萄茎通过双产品路线可实现3800元收益，较单一活性炭生产（2500元/吨）提升52%。

该成果为全球葡萄产业（年产量约7000万吨）的可持续发展提供了技术范式，特别适用于南美、欧洲等葡萄酒主产区。研究建立的"预处理-活化参数-性能关联模型"为同类生物质资源化提供了方法论参考，其中活化温度与比表面积的正相关关系（R2=0.987）及孔径分布规律对吸附机制的选择具有指导意义。