物理活化法制备埃及姜果棕与海枣壳活性炭：孔隙特性与吸附性能研究

本研究针对农业废弃物资源化利用问题，通过物理活化法（N2/CO2）将埃及姜果棕（BA）和海枣壳（HT）转化为高性能活性炭（AC）。结果表明，CO2活化样品比表面积高达1329 m2/g，微孔占比超70%，表面呈碱性（pHPZC 10.2-10.8），碘吸附指数达1298 mg/g。该研究为非洲地区农业废弃物高值化利用提供了新策略。

　　

农业废弃物处理一直是全球可持续发展的难题，尤其在撒哈拉以南非洲地区，埃及姜果棕（Balanites aegyptiaca, BA）和海枣（Hyphaene thebaica, HT）的果壳常被当作垃圾填埋。这些富含木质纤维素的生物质其实蕴藏着制备高性能活性炭（Activated Carbon, AC）的潜力——这种孔隙发达的材料在污水处理、气体净化和催化领域有不可替代的作用。然而，传统活化工艺存在能耗高、化学污染等问题，如何通过绿色方法将这类废弃物转化为高附加值材料成为研究焦点。

针对这一挑战，尼日尔阿卜杜·穆穆尼大学（Abdou Moumouni University）材料水与环境实验室的Maazou SIRAGI D B团队在《Carbon Trends》发表研究，系统比较了氮气（N₂）和二氧化碳（CO₂）物理活化对BA/HT壳活性炭性能的影响。研究人员通过三阶段控温 pyrolysis（热解）工艺（150°C预处理→400/600°C碳化→800/900°C活化），结合氮气吸附（77 K）、Boehm滴定、pH_PZC测定等技术，揭示了气体类型与温度对材料特性的调控规律。

关键实验方法

研究采用水平管式炉（LENTON THERMAL DESIGNS CSC 12/600H）进行物理活化，气体流速80 mL/min。通过氮气吸附（Micromeritics Gemini VII）分析比表面积（BET模型）和孔隙分布（BJH/t-plot/DFT模型）；甲基蓝/碘吸附试验（ASTM标准）评估液相吸附能力；Boehm滴定和FTIR（Bruker Equinox 55）表征表面官能团；XRD（Bruker D8 Advanced）解析晶体结构。

研究结果

3.1 孔隙特性

CO₂活化样品展现出显著优势：HT壳衍生AC在600°C二级碳化+900°C活化时达到最高比表面积1329 m²/g，微孔占比73.4%（表3）。Boudouard反应（C_B + CO₂ → 2CO）在高温下促进孔隙发育，使CO₂组微孔体积（0.379 cm³/g）比N₂组高63%。等温线（图1-2）显示I型特征，滞后环提示存在狭缝状微孔。

3.2 吸附性能

CO₂活化样品碘指数（I_I2）达1298 mg/g，远超商业活性炭Norit RB1（1005 mg/g）；甲基蓝吸附（I_MB）为33 g/100g，表明其兼具微孔和中孔吸附能力（表4）。

3.3 化学特性

Boehm滴定显示碱性官能团占主导（86 meq/100g），红外光谱（图5-6）在1500 cm^-1处出现芳环C=C键特征峰。pH_PZC曲线（图7）证实材料表面碱性（pH 10.8），有利于阳离子污染物吸附。

3.4 结构特征

XRD图谱（图8-9）在2θ=25°/45°出现石墨微晶衍射峰，但整体呈现非晶态结构，与Raman光谱既往研究结果一致。

结论与意义

该研究成功将非洲特色农业废弃物转化为高性能活性炭，突破性发现CO₂在600°C二级碳化阶段能显著提升孔隙发育效率。所得材料兼具高比表面积（>1000 m²/g）、碱性表面和分级孔隙结构，其性能媲美商用Norit系列产品。这不仅为尼日尔等地区的废弃物管理提供绿色解决方案，所揭示的"温度-气体-生物质"协同调控机制（如CO₂促进Boudouard反应）为定向设计功能化碳材料提供了新思路。未来在重金属废水处理、VOCs吸附等领域的应用值得期待。