废弃菠菜叶资源化利用的可行途径研究

来源:用户上传      作者:彭超　林威　谢楠　李长旭

　　摘要：通过碳酸氢钾活化工艺，将废弃菠菜叶转化为高性能多孔生物质活性炭材料。活化60min制备多孔炭材料比表面积为1 407 m2 g-1，比电容为248 F g-1;所组装的对称超级电容器内阻为0.37Ω，经过5 000次恒流充放电后电容保留率为96.55%。继而为源于农贸市场废弃蔬菜叶资源化利用提供一种潜在的可行途径。
　　关键词：菠菜叶;资源化利用;碳酸氢钾;超级电容器
　　中图分类号：X799.3 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）06-0-02
　　DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.06.141
　　Study on resource utilization of waste spinach leaf
　　Peng Chao1，Lin Wei2，Xie Nan3，Li Changxu1
　　（1.Chongqing Yu Jia Environmental Impact Assessment Co.，Ltd.，Chongqing 400010，China;2.Chongqing Ou Te Lin Environmental Protection Engineering Co.，Ltd.，Chongqing 400039，China;3.Zheng He Lü Yuan Testing Technology （Chongqing） Co.，Ltd.，Chongqing 401336，China）
　　Abstract：Waste spinach leaves are transformed into high-performance porous biomass activated carbon materials through the activation process of potassium bicarbonate.Activation 60 min，the porous carbon material has a specific surface area of 1407 m2 g-1 and the specific capacitance of 248 F g-1; the internal resistance of the assembled symmetric supercapacitor is 0.37Ω，the capacity retention rate is 96.55% after 5000 cycles of charge and discharge. In turn， it provides a potentially feasible way for the resourceful utilization of waste vegetable leaves from the farmers market.
　　Key words：Spinach leaves;Resource utilization;Potassium bicarbonate;Supercapacitor
　　1 背景简介
　　超级电容器因安全性高、使用温度范围宽和循环寿命长，作为一种新型的电化学能源储能器件。具有多孔结构、较高比表面积、成本低廉、电化学稳定性和电导率高等特点的活性炭材料广泛用作超级电容的电极材料研究[1，2]。生物质通过炭化/活化工艺可制备具有高比表面积和最优化孔结构的多孔材料。茶叶渣、柚子皮等生物质采用KOH活化制备多孔活性炭获得了可观的电化学电容[3，4]，但其产率低且易腐蚀器皿。Satoshi Mitani等以针状焦炭为前驱体，对比氢氧化钾和碳酸钾活化发现：碳酸钾活化制备材料比电容较高，同时产率亦高且对设备的腐蚀较小[5]。为了响应“无废城市”中关于持续推进固体废物源头减量和资源化利用，最大限度地减少固体废物填埋量，将固体废物对环境影响降至最低的城市发展理念。
　　2 实验部分
　　2.1 实验材料及主要仪器
　　材料及试剂：废弃菠菜叶，氩气，碳酸氢钾，泡沫镍，聚四氟乙烯，乙炔黑和导电石墨。
　　仪器：电子分析天平（TP-114），水平管式炉（GSL-1700X），BET测试仪（ASAP-2000）和电化学工作站（CHI 660D）。
　　2.2 菠菜葉基多孔活性炭的制备
　　从农贸市场收集废弃菠菜叶，自然风干备用。炭化过程：将风干菠菜叶在氩气氛围中600 ℃并保温2h，得到炭化产物。活化过程：炭化产物与碳酸氢钾按照一定比例混合，在氩气氛围中800 ℃并保温60（30、90）min，得到的样品BC-60（BC-30和BC-90）。
　　3 结果与讨论
　　3.1 菠菜叶多孔活性炭的微观结构
　　图1a为自然风干的废弃菠菜叶（插图为新鲜的菠菜叶）。图1b，高温炭化后的SEM表面为块体状;对比图1b，活化30min炭材料表面开始呈现颗粒状，见图1c;活化60min的图1d中炭材料表面完全分布着颗粒状。
　　图2a，在相同压力下，随着活化时间的延长，其炭材料吸附量对应增加;材料均呈现中孔结构的IV型滞留曲线。图2b表明BC-30、BC-60和BC-90在微孔范围内的最大吸附量的孔径分别为0.93 nm，1.18 nm和1.19 nm。随着活化时间的延长，微孔尺寸在逐渐增大;当活化时间为90min时，BC-90样品中孔径为1nm到5nm范围内的孔结构占主导部分，而BC-30和BC-60主要的孔尺寸分布在小于1.26 nm范围内。
　　3.2 菠菜叶多孔活性炭的电容行为
　　图3a中，3种炭材料在相同扫描速率下的循环伏安曲线未发生极化现象。图3b表明在电流密度为1 A g-1时，BC-60、BC-90和BC-30的比电容分别为248 F g-1，206 F g-1和175 F g-1。我们利用孔尺寸分布关系来解释：BC-30微孔集中在0.93 nm附近，BC-60的微孔集中在1.18 nm附近，说明BC-30比电容偏低的原因在于孔尺寸不利于电极-电解液界面形成完整的双电层电容;BC-90样品微孔占比少，介孔占比大导致其比电容偏小。 　　3.3 对称超级电容器的电容性能
　　图4可得出，在低频范围中，BC-60超级电容器的扩散曲线的斜率较大，表明其拥有较理想的双电层电容行为。从高频区域（插图）中可以读出BC-60超级电容器内阻为0.37Ω;半圆弧直径较小，表明电极材料在电极-电解液界面的电荷传递阻抗较小。
　　4 结论
　　以农贸市场废弃菠菜叶为生物质碳源，采用碳酸氢钾活化60min制备的多孔活性炭材料的比电容248 F g-1。所组装的对称超级电容器内阻0.37Ω;经过5 000次恒流充放电的电容保留率为96.55%。为农贸市场废弃蔬菜叶的综合利用奠定坚实基础，同时落实“无废城市”中关于农贸市场固体废物源头资源化和减量化可行理念。
　　参考文献
　　[1]陈列春.超级电容器电极材料的制备与研究[D]广州：广东工业大学，2008.
　　[2]Zhe Tang， Chunhua Tang， Hao Gong. A high enengy density asymmetric supercapacitor from nano-architectured Ni（OH）2/carbon nanotube electrodes[J]. Adv. Funct. Mater.2012（22）： 1272-1278.
　　[3]Xu Zhang， Chao Peng， Rutao Wang， Junwei Lang. High-performance supercapacitors based on novel carbons derived from sterculia lychnophora[J].RSC Adv.， 2015（5）：32159-32167.
　　[4]Chao Peng， Junwei Lang， Shan Xu， Xiaolai Wang. Oxygen-enriched activated carbons from pomelo peel in high energy density supercapacitors[J]. RSC Adv.， 2014（4）：54662-54667.
　　[5]Satoshi Mitani， Sang-Ick Lee， Koji Saito， et al. Activation of coal tar derived needle coke with K2CO3 into an active carbon of low surface area and its performance as unique electrode of electric double-layer capacitor[J].Carbon， 2005（43）：2960-2967.
　　收稿日期：2020-05-01
　　作者簡介：彭超（1987-），汉族，硕士研究生，中级工程师，研究方向为生物质活性炭的制备及应用研究和污染场地环境调查、风险评估和治理修复。
　　通讯作者：谢楠
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