黄洁萍　刘亚东　李硕　王晓萌　池明

摘    要：为获得西瓜皮基碳气凝胶最佳改性条件，以西瓜皮为碳源，采用水热—冷冻干燥法制备出西瓜皮基碳气凝胶，并用磷酸和氢氧化钠对其进行酸碱改性处理。研究不同改性条件下西瓜皮基碳气凝胶对亚甲基蓝的吸附效果，比较不同西瓜皮基碳气凝胶对亚甲基蓝的吸附量，筛选出西瓜皮基碳气凝胶最佳改性条件。结果表明：固液比1∶2，0.5 mol·L-1 NaOH 或0.07 mol·L-1 H3PO4对西瓜皮基碳气凝胶的改性效果较好，其改性后西瓜皮基碳气凝胶对亚甲基蓝的吸附量分别为7.76、4.07 g·g-1。与磷酸相比，氢氧化钠对西瓜皮基碳气凝胶的改性效果更好，经0.5 mol·L-1 NaOH 改性的西瓜皮基碳气凝胶对亚甲基蓝的吸附量是0.07 mol·L-1 H3PO4改性碳气凝胶对亚甲基蓝吸附量的2倍。综上所述，氢氧化钠和磷酸改性均可提高西瓜皮基碳气凝胶的吸附性能。

关键词：西瓜皮；碳气凝胶；亚甲基蓝；吸附剂；工艺优化

中图分类号： S609.9          文献标识码：A          DOI 编码：10.3969/j.issn.1006－6500.2023.08.015

Study on Adsorption Effect of Modified Watermelon Peel-based Carbon Aerogels on Methylene Blue

HUANG Jieping， LIU Yadong， LI Shuo， WANG Xiaomeng， CHI Ming

（College of Horticulture and Landscape， Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384， China）

Abstract： In order to obtain the best modification conditions of watermelon peel-based carbon aerogels， using watermelon peel as carbon， watermelon peel-based carbon aerogels was prepared by hydrothermal-freeze-drying， and it was modified by phosphoric acid and sodium hydroxide. The adsorption effect of watermelon rind carbon aerogels on methylene blue under different modification conditions was studied， and the adsorption capacity of different watermelon rind carbon aerogels on methylene blue was compared， and the best modification conditions of watermelon rind carbon aerogels were selected. The results showed that the solid-liquid ratio of 1∶2， 0.5 mol·L-1 NaOH or 0.07 mol·L-1 H3PO4 had the better modification effect on watermelon rind-based carbon aerogels， and the adsorption capacity of modified watermelon rind-based carbon aerogels for methylene blue was 7.76 g·g-1 and 4.07 g·g-1 respectively. Compared with phosphoric acid， sodium hydroxide had a better modification effect on watermelon rind-based carbon aerogels. The adsorption capacity of watermelon rind-based carbon aerogels modified by 0.5 mol·L-1 NaOH was twice that of carbon aerogels modified by 0.07 mol·L-1 H3PO4. To sum up， sodium hydroxide and phosphoric acid modification can improve the adsorption performance of watermelon peel-based carbon aerogels.

Key words： watermelon rinds; carbon aerogel; methylene blue; adsorbent; process optimization

碳氣凝胶是一种三维多孔碳材料，它的孔隙率高、密度低、导电性佳，在诸多领域极具应用前景[1]。Pekala改进早前气凝胶的制备方法，以间苯二酚、甲醛为前驱体，Na2CO3为催化剂制备出第一块碳气凝胶，提高了气凝胶的热稳定性[2]。故此，多数碳气凝胶都由酚醛树脂、间苯二酚等化工原料制备而成。这些碳气凝胶虽然交联性好，凝胶结构紧密，但在生产上会产生大量污染，且工艺繁琐，原料成本高，在工业生产和实际应用中受限[3]。因此，亟待探寻一种经济环保的前驱体替代物。

生物质储量丰富，含碳量高，是制备碳气凝胶的理想原料，以农业固体废弃物为原料制备碳材料是目前研究热点[4]。我国是世界上屈指可数的农业大国之一，随着农业生产效率的提高，农业固体废弃物也相应增加。无法处理的农业废弃物不仅污染环境，还影响社会资源的综合利用[5-6]。西瓜是我国重要的瓜类经济作物之一，西瓜皮作为典型的农业固体废弃物，由于再利用率低，经常遭到废弃。废弃瓜皮极易腐烂变质，既污染环境还浪费资源。将西瓜皮加工为生物吸附材料，这样既能实现对废弃物的资源化利用，又能改善环境[7-8]。直接将西瓜皮材料化处理，其吸附效果并不理想，还需对其进行活化改性。

本研究以西瓜皮为碳源，通过水热—冷冻干燥法制备出碳气凝胶，用酸碱活化法对其进行改性处理，以碳气凝胶对亚甲基蓝的吸附量作为指标，选出最佳改性浓度，探讨改性西瓜皮基碳气凝胶的最优工艺，以期为研究者在制备生物质碳材料方面提供理论基础和参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

西瓜皮，市售新鲜麒麟瓜瓜皮；氢氧化钠，购自天津歆毅翎科技有限公司；磷酸，购自天津百奥泰有限公司；三水合亚甲基蓝，购自天津百奥泰有限公司。

1.2 儀器与设备

100 mL水热合成反应釜，购自秋佐科技有限公司；DHG-9070A电热鼓风干燥箱，购自上海一恒科学仪器有限公司；FreeZone-2.5冷冻干燥仪，购自Labconco公司；傅里叶变换中红外光谱仪，购自PerkinElmer公司；R5424高速离心机，购自eppendorf公司；UV-2450紫外-可见光谱仪，购自日本岛津公司。

1.3 试验方法

1.3.1 工艺流程 选材→清洗→去除表皮、果肉→切块→化学改性→水热处理→清洗→冷冻→干燥→成品

1.3.2 西瓜皮基碳气凝胶的制备 按照文献[9]方法进行。将西瓜皮洗净后切成2 cm×1 cm×0.5 cm 的块状瓜皮，放入聚四氟乙烯内衬的水热合成反应釜中，密封后置于电热鼓风干燥箱内，180 ℃水热处理12 h。待反应釜自然冷却至室温后将西瓜皮块体取出，水热反应后获得的产物用蒸馏水洗涤至少3次，然后将其置于-80 ℃冰箱，冷冻8 h，再放入真空冷冻干燥机（42 Pa，-45 ℃）中干燥24 h，可得西瓜皮基碳气凝胶，记为GA。

1.3.3 NaOH/H3PO4改性西瓜皮基碳气凝胶的制备  将西瓜皮洗净后切成2 cm×1 cm×0.5 cm的块状瓜皮，放入水热反应釜中，以NaOH/H3PO4溶液为活化剂，按适宜固液比加入相应浓度的NaOH/H3PO4溶液，保证总体积不超过内衬容积的80 %，密封后置于电热鼓风干燥箱内，180 ℃水热处理12 h。待反应釜自然冷却至室温后将西瓜皮块体取出，水热反应后获得的产物用蒸馏水洗涤至少3次，然后将其置于-80 ℃冰箱，冷冻8 h，再放入真空冷冻干燥机（42 Pa，-45 ℃）中干燥24 h，可得NaOH/H3PO4改性西瓜皮基碳气凝胶，分别记为NaGA和PGA。

1.3.4 NaOH/H3PO4不同固液比对西瓜皮基碳气凝胶吸附效果的影响 将西瓜皮洗净后切块，放入水热反应釜中，按固液比3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3加入0.5 mol·L-1 NaOH/0.07 mol·L-1 H3PO4溶液，保证总体积不超过内衬容积的80 %，按1.3.3方法制备改性西瓜皮基碳气凝胶。

取0.05 g改性西瓜皮基碳气凝胶加入10 mL质量浓度为45 mg·L-1的亚甲基蓝溶液中，室温下，在200 r·min-1摇床上振荡12 h，用移液枪吸取剩余溶液，7 000 r·min-1离心90 min，取上层清液，在664 nm下用紫外-可见分光光谱仪测定其吸光度，结果取3次平行样品的平均值。通过亚甲基蓝标准曲线将其转换成浓度，用公式（1）计算吸附剂对亚甲基蓝的吸附量。

吸附量q 按照下列公式计算[9]：

q=[（Ｃo－Ｃe）/m]V（1）

式中，V为加入亚甲基蓝溶液的体积（L）；m为加入碳气凝胶的质量（g）；C0、Ce分别为吸附前后溶液中亚甲基蓝的浓度（mg·L-1）；q为吸附量（g·g-1）。

1.3.5 NaOH不同浓度对西瓜皮基碳气凝胶吸附效果的影响 在NaOH溶液浓度为0.1、0.3、0.5、0.7、1.0 mol·L-1，固液比1∶2的条件下，按1.3.3方法制备NaOH改性西瓜皮基碳气凝胶，根据NaOH浓度分别记为NaGA-0.1、NaGA-0.3、NaGA-0.5、NaGA-0.7、NaGA-1。按1.3.4方法对改性西瓜皮基碳气凝胶进行吸附试验，应用公式（1）计算碳气凝胶的吸附量。

1.3.6 H3PO4不同浓度对西瓜皮基碳气凝胶吸附效果的影响 在H3PO4溶液浓度为0.03、0.05、0.07、0.1 mol·L-1，固液比1∶2的条件下，按1.3.3方法制备出H3PO4改性西瓜皮基碳气凝胶，根据H3PO4浓度分别记为PGA-0.03、PGA-0.05、PGA-0.07和PGA-0.1。按1.3.4方法对改性西瓜皮基碳气凝胶进行吸附试验，应用公式（1）计算碳气凝胶的吸附量。

1.3.7 FT-IP分析 将西瓜皮基碳气凝胶粉碎至粉末后待测，光谱采集的区间为650～4 000 cm-1，分辨率为8 cm-1，数据间隔2 cm-1，累积量为64次。样品收集3次光谱信息，将所得数据平均值作原始光谱。

1.3.8 NaGA-0.5对亚甲基蓝的吸附效果 取0.05 g NaGA-0.5加入10 mL质量浓度为20 mg·L-1的亚甲基蓝溶液中，室温下，在200 r·min-1摇床上振荡12 h，用移液枪吸取剩余溶液，7 000 r·min-1离心90 min，取上层清液。用摄像机对NaGA-0.5吸附后的染料溶液进行拍摄，比较NaGA-0.5吸附亚甲基蓝前后效果。

1.4 数据分析

用Excel进行数据处理和作图，用SPSS对数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 NaOH不同固液比对西瓜皮基碳气凝胶吸附效果的影响

如图1所示，随着固液比值的降低，GA对亚甲基蓝的吸附量呈现先升高后降低的趋势。当固液比为1∶3时，GA对亚甲基蓝的吸附量最低，为4.85 g·g-1，极显著低于其他固液比处理。固液比在1∶2时，GA对亚甲基蓝的吸附量达到最高（7.56 g·g-1），极显著高于其他固液比处理，是最低固液比吸附量的1.5倍。因此，1∶2为NaOH改性西瓜皮基碳气凝胶的最佳固液比。

2.2 H3PO4不同固液比对西瓜皮基碳气凝胶吸附效果的影响

如图2所示，随着固液比值的降低，GA对亚甲基蓝的吸附量呈现先增加后减小的趋势。当固液比为1∶3时，GA对亚甲基蓝的吸附量最低，为1.08 g·g-1，极显著低于其他固液比处理。固液比在1∶2时，GA对亚甲基蓝的吸附量达到最高，为4.56 g·g-1，极显著高于其他固液比处理，是最低固液比吸附量的4倍。因此，1∶2为H3PO4改性西瓜皮基碳气凝胶的最佳固液比。

2.3 改性西瓜皮基碳气凝胶的性质

将西瓜皮通过水热-冷冻干燥法制备西瓜皮基碳气凝胶，从图3-C可以看出，GA表面具有較清晰的网状条纹结构，粗糙有褶皱，颜色偏深棕色。NaGA-0.5质地轻巧蓬松，像海绵一样疏松，可以轻松放在花瓣上不掉落（图3-A），上浮于水中不下沉（图3-B）。分别以0.1、0.3、0.5、0.7、1.0 mol·L-1 NaOH溶液为活化剂对GA进行碱改性处理，由图4-A可看出，随着NaOH浓度的提高，经碱改性后的西瓜皮基碳气凝胶颜色由深变浅。以0.03、0.05、0.07、0.1 mol·L-1 H3PO4溶液为活化剂对GA进行酸改性处理，随着H3PO4浓度的提高，西瓜皮基碳气凝胶的表观颜色由浅变深（图4-B）。

2.4 不同浓度酸碱改性西瓜皮基碳气凝胶对亚甲基蓝的吸附效果

2.4.1 不同浓度NaOH改性西瓜皮基碳气凝胶对亚甲基蓝的吸附效果 从图5可以看出，随着NaOH浓度的提高，NaGA对亚甲基蓝的吸附量呈先升后降的趋势。当NaOH改性浓度为0.1 mol·L-1时，NaGA对亚甲基蓝的吸附量最低，为6.30 g·g-1。0.5 mol·L-1 NaOH的改性效果最好，NaGA-0.5和NaGA-0.7对亚甲基蓝的吸附量均高于7.20 g·g-1，极显著高于NaGA-0.1对亚甲基蓝的吸附量。当改性浓度较高时，NaOH对GA的腐蚀性增强，残留污染物较多，且吸附效果差；而改性浓度较低时，NaOH对GA的改性程度低，改性不完全，导致吸附效果降低，增加额外成本。综合考虑，0.5 mol·L-1 NaOH对西瓜皮基碳气凝胶的改性效果最好。

2.4.2 不同浓度H3PO4改性西瓜皮基碳气凝胶对亚甲基蓝的吸附效果 如图6所示，随着H3PO4浓度的提高，PGA对亚甲基蓝的吸附量呈先上升后降低的趋势。当H3PO4改性浓度为0.05 mol·L-1时，PGA对亚甲基蓝的吸附量最低，为1.50 g·g-1。H3PO4改性浓度为0.07 mol·L-1时，PGA对亚甲基蓝的吸附量最高，为4.07 g·g-1，是PGA-0.05对亚甲基蓝吸附量的2.7倍。由此可得，0.07 mol·L-1 H3PO4对西瓜皮基碳气凝胶的改性效果最好。

2.5 改性效果比较

2.5.1 FT-IR分析 碳气凝胶表面的活性官能团会对吸附剂的吸附效果起重要作用，因此，要对改性前后的西瓜皮基碳气凝胶进行FT-IR分析。FT-IR分析确定了西瓜皮基碳气凝胶在吸附亚甲基蓝过程中起作用的活性官能团，如图7所示，对于GA和NaGA-0.5在3 300 cm-1处的峰值是由于—OH的自由拉伸振动引起的，而PGA-0.07的—OH峰移动到3 208 cm-1处。GA在1 065、1 582 cm-1所处的峰分别对应C—OH和C=O的拉伸振动，这2个官能团在NaGA-0.5和PGA-0.07的峰中强度明显增加。GA在1 369 cm-1处的峰对应COOH—的伸缩振动，在NaGA-0.5中，该峰值往前移至1 419 cm-1处且峰的强度增加；在PGA-0.07中，该峰值强度不变，但却分裂成2小峰，分别在1 405、1 348 cm-1处。NaGA-0.5在873 cm-1处的峰对应C—H的自由拉伸振动。综上所述，当西瓜皮基碳气凝胶经过酸碱活化后，其C—O、C=O、—OH和COO—都发生了明显的变化。经酸碱活化后的碳气凝胶，羰基、羧基官能团的峰强明显提高，这可能是改性西瓜皮基碳气凝胶的吸附效果比未改性西瓜皮基碳气凝胶的吸附效果好的原因。

2.5.2 吸附效果比较 如图8所示，NaGA-0.5对亚甲基蓝的吸附量（7.76 g·g-1）是GA对亚甲基蓝吸附量（3.22 g·g-1）的2.4倍。PGA-0.07对亚甲基蓝的吸附量（4.07 g·g-1）明显高于GA的吸附量。显然，酸碱活化法改性的碳气凝胶具有较高的孔隙量和良好的吸附能力。相对H3PO4，NaOH的改性效果更佳，其对亚甲基蓝的吸附量是H3PO4改性西瓜皮基碳气凝胶对亚甲基蓝吸附量的2倍。

从图9可看出，用NaGA-0.5吸附亚甲基蓝，其吸附前后溶液的澄清度变化很大。吸附前，溶液呈蓝色，这是亚甲基蓝本身的颜色；吸附后，溶液呈现的颜色与GA吸附后溶液呈现的颜色一致，这是凝胶本身的颜色。原因可能是大部分亚甲基蓝分子都进入到西瓜皮基碳气凝胶孔隙中，因此碳气凝胶颜色偏深，而溶液中不显蓝色。

3 讨论与结论

文献资料表明，以生物质为原料制备碳材料可处理染料废水。施逸帆等[10]用红薯制备碳气凝胶吸附染料，发现红薯碳气凝胶可吸附罗丹明 202.2 mg·g-1，甲基橙83.6 mg·g-1，茜素红160.2 mg·g-1。本研究用西瓜皮制备碳气凝胶吸附亚甲基蓝染料，发现其对染料的吸附量为3.22 g·g-1，通过FT-IR分析发现，碳气凝胶表面具有羟基、羰基、羧基等基团，这与以往报道的生物质碳材料的红外图谱相似，说明西瓜皮基碳气凝胶具有吸附能力。但是，在实际应用中，无论用何种方法原料制备纯生物质碳材料，其吸附效果均不理想。訾曼莉[11]用榴莲壳制备生物炭吸附刚果红染料，发现生物炭对染料的吸附量为32.05 mg·g-1。张娟等[12]研究辣椒秸秆生物炭对考马斯亮蓝的吸附性能，发现生物炭对考马斯亮蓝的吸附量仅为20.51 mg·g-1。碳材料的吸附能力在很大程度上受材料本身的孔隙数量、结构、表面含氧官能团的种类、浓度所限制。因此，可以通过酸碱改性提高碳材料的孔隙率、比表面积或表面含氧官能团的种类、浓度，以提高生物质材料的吸附能力。

NaOH作为常用的碱活化剂，腐蚀性比KOH小，也更经济环保。夏天明等[13]做了关于稻壳碱改性处理的试验，发现改性稻壳对亚甲基蓝的吸附量比改性前提高6倍多。薛媛等[14]用改性大豆荚吸附甲基蓝溶液，发现改性大豆荚对甲基蓝的去除率高于原豆荚的去除率。田莉[15]用改性核桃殼吸附亚甲基蓝，发现改性后核桃壳对亚甲基蓝的去除率高达99.59 %。本研究结果显示，通过FT-IR分析发现NaOH改性碳气凝胶的羰基、羧基官能团的峰强提高，比较两者的吸附效果可看出，改性凝胶对亚甲基蓝的吸附量是未改性凝胶的2.4倍，吸附效果优于未改性凝胶。这表明NaOH改性处理可提高碳材料含氧官能团的数量和吸附效率。原因可能是NaOH具腐蚀性，可腐蚀碳材料表面堵塞的毛孔，影响原料纤维素间的化学键，或在高温条件下分解成气体和水扩散至材料内部，使得碳材料的结构变疏松、孔隙率增大，从而提高材料的吸附效果。有研究发现，将材料置于碱性环境中，可使材料表面携带负电荷，更有利于吸附亚甲基蓝等带正电性的污染物质[16]。

H3PO4与其他酸活化剂相比，不容易产生有毒副产物。对西瓜皮进行酸改性处理，在碳结构中引入氮、磷基团可以增强生物碳表面酸度和表面极性[17]。田龙等[18]研究磷酸改性秸秆基活性炭的吸附性能，发现改性活性炭对亚甲基蓝的吸附率高于未改性活性炭。尚娜等[19]用磷酸改性玉米芯吸附亚甲基蓝发现，改性后玉米芯吸附剂对亚甲基蓝的吸附能力明显增强。郑瑶等[20]发现，磷酸改性后的玉米秸秆吸附剂对甲基橙染料的脱色率达到97 %。本研究结果表明，经H3PO4改性的碳气凝胶对亚甲基蓝的吸附量高于未改性凝胶的吸附量，改性凝胶在1 050 cm-1处出现了C-OH伸缩振动的高强度峰，这说明H3PO4在高温条件下发生了脱水反应，与西瓜皮中的氢、氧元素通过水的形式脱除，从而提高碳气凝胶的孔隙量；并且磷酸会氧化碳，在材料表面形成新的官能团，使改性凝胶的官能团数量增加。Zhao等[21]研究认为，加入磷酸会让材料的C/O比提高，更有利于提高材料的芳香化程度，此结论与本研究结果一致。

朱留凯等[22]研究不同生物碳改性方法发现，NaOH活化法更能提高生物碳的孔隙量和孔隙结构，H3PO4活化法能更好修饰生物碳表面极性，改善活性官能团数量。本研究结果发现，NaOH改性碳气凝胶对染料的吸附量比H3PO4改性碳气凝胶对染料的吸附量更高，可能是亚甲基蓝属于大分子染料，更易于依附在凝胶孔隙内部，碳气凝胶的孔隙数量对凝胶吸附染料的影响更大。

综上所述，酸碱改性均可提高西瓜皮基碳气凝胶的吸附效果，以固液比1∶2，0.5 mol·L-1 NaOH 或0.07 mol·L-1 H3PO4对西瓜皮基碳气凝胶的改性效果更好。

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收稿日期：2023-02-23

基金项目：国家自然基金青年计划项目（31902094）；天津农学院科学研究发展基金计划项目（2016NZD01）；天津市“青年后备人才支持计划”项目

作者简介：黄洁萍（1997—），女，广西玉林人，在读硕士生，主要从事园艺植物废弃物资源化利用研究。

通讯作者简介：池明（1982—），女，天津人，讲师，博士，主要从事园艺植物废弃物资源化利用研究。