活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　像水果這樣的農作物通常保質期不長，這限制了它們的運輸范圍，并且降低了生產的經濟回報。因此，需要在保持其質量的同時改善采后儲存。乙烯是在成熟過程中由果實自然產生的可以更快地促進水果成熟，同時也可能使果實變質。在本文中，我們研究了使用氧化鈷浸漬的活性炭通過吸附除去乙烯來延長水果的保質期。

　　大多數控制乙烯的方法是由通風稀釋空氣中的含量，用高錳酸鉀氧化乙烯和用吸附材料除去乙烯來進行的。這些方法中的每一種都有優點和缺點或限制。例如，通過使用通風來維持乙烯濃度不適合于密封環境。因此，要從包裝和貯存去除大氣中的乙烯，一般采用高錳酸鉀顆粒作為氧化劑。然而，使用高錳酸鉀的乙烯氧化將導致高錳酸鉀轉化為氧化錳。因此，該乙烯氧化劑不能再生和再利用。此外，高錳酸鹽有危害不能和水果直接接觸。所以吸附是另一種替代方法。它是通過引入活性材料，如鈀，銫和鈷在活性炭載體上以清除乙烯。后一種方法可能受活性物質的類型，材料負載和活性炭載體材料的性質(例如，比表面積，孔徑和孔徑分布)的影響。

　　氧化鈷浸漬的活性炭制備

　　活性炭是通過熱解合成，使用原料為廢棄植物殼和間苯二酚的合成聚合物。浸漬過程通過初濕法然后煅燒過程將氧化鈷分散在活性炭中。首先，將活性炭在150℃下脫氣2小時以清潔孔隙。隨后，加入來自硝酸鈷(99.8%純度)在異丙醇中的鹽溶液。蒸發溶劑后，然后通過在石英管式反應器中在氮氣吹掃下將活性炭和硝酸鈷的混合物加熱至200℃，進行升溫速率進行煅燒。

　　吸附劑的表面特征

　　使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察由植物殼和酚醛樹脂的熱解獲得的活性炭的表面形態，并分別在圖1A，C中示出。可以看出，不同的碳前體產生不同的表面形態。生物質衍生的碳顯示出剛性和致密的結構，這是典型的木炭特征。而聚合物衍生的碳呈現具有粒子網絡的碳球，在球體之間產生大的空隙。然后將兩種活性炭用作氧化鈷的載體。為了觀察金屬氧化物在活性炭上的分散，進行了SEM與能量色散X射線(EDX)的元素映射。圖1B，D表示裝載在兩種材料中的氧化鈷的代表。所有都顯示鈷材料(在青色中顯示)在活性炭中的均勻分散。這表明通過浸漬方法中描述的簡單化學計量計算很好地實現了元素鈷的目標負載。換句話說，上述結果清楚地顯示了制備氧化鈷活性炭的成功制備步驟。

　　圖1：活性炭(A，C)及其各自的氧化鈷浸漬的活性炭(B，D)掃描電子顯微鏡照片。

　　活性炭對乙烯的吸附

　　測試氧化鈷浸漬的活性炭的性能以進行乙烯吸附。圖2A顯示在具有和不具有0-101kPa壓力范圍的氧化鈷活性炭中的乙烯吸附等溫線。吸附乙烯的體積定義為標準溫度和壓力下的體積。通常，可以看出乙烯吸收隨著壓力的增加而增加。大量乙烯吸附至40kPa壓力。當將壓力增加到40kPa以上時，所有樣品可以進一步吸附少量乙烯(添加10%-25%)。氧化鈷浸漬的活性炭是無負載的活性炭兩倍的乙烯吸附量，它清楚地表明氧化鈷在增強活性炭對乙烯吸附方面效果比較好。增加氧化鈷的含量進一步增加了乙烯在氧化鈷浸漬的活性炭上的吸附能力。當使用30%氧化鈷時能達到較高吸附容量。

　　圖2：乙烯在氧化鈷浸漬的活性炭上的吸附等溫線。

　　活性炭對水果保鮮試驗

　　圖3A，B分別顯示了在沒有和使用氧化鈷浸漬的活性炭在封閉存儲期間的水果條件的日常記錄。使用活性炭15%氧化鈷材料，進行半定量檢查(即顏色和棕色區域)。當棕色主要出現時，長期保存時間被定義，并且香蕉從束中掉出來。當將香蕉存放在沒有活性炭吸附劑的封閉盒子中時，水果很快變得腐爛。僅在第三天，一束香蕉已經從束中掉出來并出現棕色斑點。使用活性炭吸附劑情況下，可以清楚地看到水果保存時間的延長。相對于沒有活性炭，顏色的變化被延遲(圖3B)。結果表明氧化鈷浸漬的活性炭作為乙烯清除劑在儲存系統中的效果，因此延長了水果的儲存壽命。

　　圖3：在相同條件沒有活性炭(A)和在活性炭(B)存在下的情況保存試驗中的水果。

　　為了研究活性炭用量的影響，改變了活性炭和水果的質量比。圖4顯示了活性炭與水果的保存時間與質量比的范圍為。活性炭的量會影響保質期，并且可以看到非線性相關性(見圖4中的虛線)。沒有活性炭達到存在，水果儲存時間僅為3天。根據添加的活性炭的質量，保質期可以從2天延長至12天。通過添加15克吸附劑用于1千克水果，可以實現延長高達5倍的保質期。較高質量的活性炭提供較長的保存時間，這可能是由乙烯吸附的活性位點含量較高引起的。結果表明，氧化鈷浸漬的活性炭有望用于延長水果的保質期。

　　圖4：活性炭的量對水果保鮮時間的影響。

　　通過果殼生物質和合成聚合物的熱解產生的活性炭表現出不同的孔隙特征。生物質衍生的碳主要表現為中孔，而聚合物衍生的碳顯示出高含量的微孔。通過材料表征證明，鈷物質可以成功地加載到這些活性炭中。通過進行浸漬和煅燒的兩步法實現氧化鈷的良好分散。吸收容量測量表明，乙烯更有利地吸附在分散在具有高比表面積的活性炭內的氧化鈷中。吸附的乙烯體積隨著活性炭上鈷氧化物負載量的增加而增加。經過試驗表明，相對于沒有吸附劑，活性炭可以將香蕉的成熟過程延長至12天。該研究表明，活性炭吸附作為一種經濟的乙烯去除方法具有廣闊的應用前景。

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