介绍
埃及每年的农作物收获和加工产生大量副产品。甘蔗渣是来自糖精炼工业的废产物，在提取用于生产糖的汁液之后获得。全世界每年生产约5400万吨干甘蔗渣（Umesh和Dhiraj，2005年）。2004年埃及生产的蔗渣量约为470万吨（ERC，2006年））。如果不对这些农业废弃物进行适当的处理和处置，它们可能会在环境中造成严重的污染问题。甘蔗渣主要由纤维素和木质素组成。因此，如果在受控条件下或通过一些化学处理进行热解，它是活性炭（AC）生产的较便宜原料的潜在资源。这可以提供减少农业废物量和同时生产有价值的吸附剂的综合效益，其成本低于商业活性炭（Hesas等，2013） ; Acharya等， 2014 ; 穆巴拉克等人，2015年）。反复报道活性炭吸附是一种有效的环境修复技术，用于工业加工，以及去除空气和水中的微量污染物（Ahmad，2004年 ; Nomanbhay和Palanisamy，2005年 ; Qureshi等人， 2008年 ; Lebigue等，2010 ; Mohamed等，2011 ; Guan等， 2013）。由于挥发性有机化合物（VOCs）等危险污染物的积累，工业活动造成了许多环境问题和若干生态系统的破坏，挥发性有机化合物是不同行业排放的最常见的污染物。挥发性有机化合物通常存在于气体或液体中，即使浓度很低，也对人类健康，作物，植被和环境都有害（Mohan et al。，2009））。因此，迫切需要开发新的环保技术和用于去除VOC的新材料（Andriantsiferana等，2013） ; Essawy等， 2014 ; Andriantsiferana等人，2015年）。气态甲醛是室内主要的VOC之一。甲醛已被国际癌症研究机构归类为第1类致癌物。此外，据报道室内环境中存在高浓度的甲醛（Brown， 2000 ; Khoder，2006 ; Mantanis， 2007; Haghighat等，2008 ; Bastani等， 2010 ; An et al。， 2012）。
本研究旨在通过当地甘蔗渣农业废弃物的增值来生产活性炭，然后在马弗炉中在500℃的温度下碳化2小时，并使用30％磷酸进行化学活化24小时以产生微孔结构，并且研究制备的活性炭从两个暴露的盆栽植物室（有和没有AC处理）中去除甲醛气体的效率。
材料和方法
物料
从当地市场收集甘蔗渣废物; 其它材料是磷酸（H 3 PO 4，98克/摩尔），甲醛（HCHO 30克/摩尔），乙醇（C 2 H ^ 6 O，46克/摩尔），氯化氢（HCl，36.46克/摩尔），碳酸氢钠（碳酸氢钠3， 84克/摩尔），碳酸钠（Na 2 CO 3，105.98克/摩尔），氢氧化钠（NaOH，39.99克/摩尔），硫酸（H 2 SO 4，98克/ mol），亚甲蓝（C 16 H 18 N 3SCl，319.85g / mol）和3-甲基-2-苯并噻唑酮腙盐酸盐（C 8 H 9 N）3 S·HCl·XH 2 O，215.70g / mol）。
活性炭的制备
在这项研究中，活性炭是通过化学活化过程产生的。从当地市场收集的甘蔗渣废物用蒸馏水洗涤以除去材料中的物质。然后将其在120℃的热空气烘箱中干燥24小时，研磨并过筛。筛分的甘蔗渣通过在马弗炉中在500℃的温度下点燃而不添加化学试剂并在大气下通过2小时转化为碳。通过碳化，大部分非碳元素氢和氧以气态形式被除去，剩余的碳原子被分组为有组织的晶体形成，称为基本石墨微晶。碳化步骤通常导致具有比表面积和低吸附容量的非活性材料。3 PO 4）以1：1的重量比进行24小时，然后用双蒸水洗涤数次并干燥（Suraya等，2015））。
制备的活性炭的表征
在静态容量装置（Quantachrome NOVA Automated Gas Sorption System）中使用氮气作为山梨酸盐在77K下测定甘蔗渣基活性炭（SBCAC）的比表面积和孔体积。使用BET 方程式（1）计算比表面积：
（1）
哪里
P是吸附质气体的部分蒸气压与表面平衡，在77.4 K（液氮的bp），帕斯卡，
P o吸附气体的饱和压力，以帕斯卡为单位，V a是在标准温度和压力（STP）[273.15 K和大气压力（1.013×10 5Pa）] 下吸附的气体体积，单位为毫升，
V m吸附的气体体积，在样品表面产生明显的单层，单位为毫升，和
C无量纲常数，其与吸附质气体在粉末样品上的吸附焓有关。
制备的AC的酸/碱性质通过经典的Boehm滴定法测定（Boehm，1994）。1克活性炭样品的质量放置在50mL的0.05Ñ通过以下方法解决：氢氧化钠，碳酸钠，碳酸氢钠，和盐酸。将小瓶密封并搅拌24小时，然后过滤; 5毫升的滤液移液和过量的碱或酸的溶液用HCl（0.1滴定Ñ）或NaOH（0.1Ñ）， 分别。在假设NaOH中和羧基，内酯基和酚基，Na 2 CO 3中和羧基和内酯基，NaHCO 3仅中和羧基的情况下测定酸性位点的数量。碱性位点的数量由与碳反应的盐酸的量计算。
使用扫描电子显微镜（SEM; Jeol JSM-840A，Japan）研究制备的活性炭的表面形态。最初将少量样品置于圆盘状结构上。使用特定胶带将样品附着到盘的表面。将带有样品的整个圆盘置于电子室中，电子枪喷射一束电子进行扫描。与原子相互作用的电子产生表面形貌的图像，这些图像在监视器上观察。
筛选制备的SBCAC的吸附性能：亚甲基蓝作为参考模型
通过亚甲基蓝（MB）的分批吸附实验研究了甘蔗渣基活性炭的吸附性能。使用水浴振荡器在25℃下用0.05g制备的活性炭搅拌各种初始浓度（C 0 = 3mg / L至40mg / mL）的染料溶液（100mL），达到73小时，以达到平衡浓度。平衡后，过滤样品，并使用紫外/可见（UV / VI）S分光光度计（NOVASPEC 4049分光光度计LKB BIOCHROM）在625nm处测量溶液中的染料浓度（C e）。通过使用等式计算染料去除百分比
（2）
SBCAC制备甲醛气体吸附实验研究
植物筛选实验
图1显示了用于植物暴露于HCHO并通过制备的活性炭除去的实验装置。实验装置是由含液体甲醛，空气泵，气体流量计，以及与0.512米的内部体积的一组两个塑料腔室的存储瓶（250mL）中的3（立方为0.8μm侧）。在实验开始之前，在相同的实验条件下将不同体积的HCHO溶液蒸发到空室中以确定系统中相应的甲醛浓度。所需的HCHO浓度范围为15-20mg / cm 3。同时，通过在储存器中使用相同水平的甲醛溶液，空气和甲醛气体的压缩混合物以相同的流速在相同的温度和相同的时间段内进入腔室，导致饲料中的甲醛浓度相似。 ，可以为污染室和处理室获得。将植物在18小时内沿着几个时间间隔暴露于HCHO气体，所述时间间隔在实验过程中逐渐增加。在该实验中植物暴露的总时间为7天。
图1.用于测量甲醛去除率的装置图示，没有甘蔗渣基活性炭的暴露植物室（污染，a）; 用制备的AC暴露植物室（处理，b）。
使用四种成熟的盆栽植物（矮牵牛花）作为制备的甘蔗渣基活性炭性能的实验指标。在处理过的室中，我们使用制备的活性炭去除甲醛气体污染物。将该室中甲醛的去除率与没有活性炭（污染室）的室中测量的甲醛浓度进行比较。
甲醛测定方法
使用3-甲基-2苯并噻唑酮腙盐酸盐（MBTH）法比色测定甲醛浓度（Harrison和Perry，1986））。甲醛与氯化物反应，然后将酸加入到该产物中，形成蓝色阳离子染料，其可通过分光光度计测定。据报道，该方法的灵敏度在空气中为30 ppb甲醛。
不同的植物反应测量
评估受污染和处理过的植物室中受甲醛污染物影响的生理和生化参数（干重，叶绿素含量和蛋白质浓度）
植物干重和形态变化
观察污染和AC处理室中植物的平均干重和形态变化。
叶绿素的测量
用95％乙醇提取叶绿素（Wang，2006）。使用UV-Vis分光光度计在664和648nm的波长下测量提取的叶绿素的浓度。使用以下等式计算叶绿素a，叶绿素b和总叶绿素的浓度：（3）（4）
其中A664和A648分别是664和648nm处叶绿素的光密度值。
植物蛋白质含量的测定
凯氏定氮法是测定氮含量最常用的方法; 然后将总氮转化为蛋白质含量。将植物叶子样品用蒸馏水洗涤，切成小块，风干，并研磨成细粉末。将已知重量（2g）的植物样品与20mL浓H 2 SO 4和凯氏消化片（催化剂）一起煮沸; 然后过滤混合物，用蒸馏水将溶液补足至250mL。在此之后，将50mL的45％氢氧化钠溶液中的溶液，然后150 mL的溶液收集在含有100毫升0.1的锥形烧瓶（500mL）中ÑHCl和甲基红指示剂。该蒸馏到接收锥形瓶中的氨与酸反应，将烧瓶中的过量的酸，通过对2.0反滴定估计中号的NaOH与从红色到黄色（端点）的颜色变化。仅对所有试剂进行测定（空白测定）。方程式5用于将氮含量转换为蛋白质含量（Magomya等，2014）：（5）
使用给定P值的单因素方差分析（ANOVA）对所有数据进行统计分析（平均值，标准偏差）（略显着P <0.05，高度显着P <0.01，非常高显着P <0.001）。
结果与讨论
表征活性炭
图2显示了基于甘蔗渣的活化（SCBAC）碳在77K下的N 2吸附 - 解吸等温线。两种等温线都是II型; 这意味着SCBAC包含微孔和中孔。等温线的第一部分代表微孔，而高相对压力的第二部分是由于中孔中的多层吸附。
图2.制备的SCBAC在77K 下的N 2的吸附 - 解吸等温线。
制备的SCBAC 的BET表面积（S BET）为约557m 2 / g，并且该BET小于大多数商业活性炭。制备的SCBAC的总中孔和微孔体积分别为0.310和0.273cm 3 / g。同样，El-Sayed等人。（2014年）报道了通过化学活化用浓缩的H3PO4酸从玉米芯制备的活性炭（AC），然后在400,500处热解，并且600℃的表面积分别为700,633和600m2/ g。
表1给出了制备的活性炭SCBAC的表面官能团。SCBAC的总酸性基团含量为0.008mol / g，碱性基团的含量为0.031mol / g。碱性基团的存在通过形成电子受体 - 供体复合物增强了芳香族化合物的吸附（Haydara等，2003））。
表1.甘蔗渣基活性炭（SCBAC）的表面官能团。
图3表示SCBAC的扫描电子显微镜（SEM）图像。SEM结果表明，以磷酸为活化剂制备的甘蔗渣基活性炭具有更多的孔隙特性。
图3. SCBAC（70×，200X和1500×）的扫描电子显微镜（SEM）图像。
亚甲蓝吸附研究
图4显示了使用制备的SCBAC在25℃下去除亚甲蓝的百分比。结果表明，最大染料去除率约为90％（消除能力= 58.9mg / g活性炭）; 因此，SCBAC在从水溶液中吸附亚甲蓝方面更有效。因此可以证实制备的活性炭是中孔的，因为亚甲基蓝用于表征中孔活性炭。El-Sayed等人。（2014年）观察到玉米芯制备的活性炭成功地用作从水溶液中除去MB染料（96.2％）的吸附剂。
图4.使用制备的SCBAC在25℃下去除亚甲蓝的百分比。
甲醛去除率
SCBAC用于去除甲醛的性能如图5和6所示。在污染和处理过的植物室中，在实验的总时间（7天）内甲醛气体暴露时间（18小时）逐渐增加。图6显示，与污染室（19.284±0.113mg / m 3）在第一天（暴露1小时）相比，处理室中的甲醛浓度降低至每立方米毫克。在第二个暴露日，甲醛暴露时间增加到8小时，处理室中的浓度值与第一天大致相同（1.607±0.222 mg / m 3））。在污染室中，它下降1.384±0.132至5.107±0.122 mg / m 3，这可能是由于植物本身的甲醛吸附。在第三次处理中，将甲醛气体连续分配到两个室中9小时; 结果表明，两室甲醛浓度均高于前期处理。该结果可能与所用活性炭中的一些吸附位点饱和的事实有关，从而降低了实验期间SCBAC的吸附能力。在最后一次处理（暴露30分钟）时，污染室中的植物完全受损，甲醛浓度达到与第一次处理相同的值（19.190±0.113，mg / m 3））。然而，制备的SCBAC在实验期结束之前仍然有效去除甲醛。在污染和处理的植物室中，总暴露期间甲醛浓度的平均值分别为3.093±0.032mg / m 3和9.037±0.0022mg / m 3（图7）。统计分析表明，污染室与暴露于甲醛气体的处理室之间存在极显着的变化（P <0.001）。
图5.污染室和处理室中实验暴露时间内的甲醛浓度。
图6.总暴露期间的甲醛浓度平均值。
图7.与室外对照植物相比，从污染室和处理室收集的植物的叶绿素含量。
几项研究结果探讨了用不同原料制备的活性炭有效去除空气中的甲醛（Wen et al。，2011 ; An et al。，2012）。
形态变化
与对照室外植物相比，污染室和处理室中的植物干重显示在表2中。在污染室中表现出植物干重减少40.5％。与对照室外植物的干重相比，处理室中的这种降低为12.6％。在该研究期间污染室中的植物形态变化是显着的。在高甲醛浓度下短时间暴露导致花和叶脱落和萎黄。在实验结束时，污染室中的植物被完全损坏。
表2.从污染室和处理室以及对照室外植物收集的矮牵牛植物的植物干重和减少百分比（％）。
叶绿素含量
与对照室外植物相比，污染室和处理室中所选植物的叶绿素含量的变化如图7所示。通常，由于甲醛空气污染，两室中的植物显示出与对照室外植物相比光合色素的减少。污染室中的矮牵牛植物显示叶绿素总含量（暴露期间叶绿素a和b）显着降低。污染室中植物叶片中叶绿素a的浓度记录为1.86±0.123 mg / g，而处理室和对照室外植物中的叶绿素a浓度分别为4.98±0.212 mg / g和5.33±0.145 mg / g。 。因此，叶绿素a减少65％（非常显着的差异，P与对照室外植物相比，在污染的植物室的叶子中记录了= 0.003）。在处理室中，与对照室外植物相比，这种减少仅为6％（不显着的差异，P = 0.195）。另一方面，从污染和处理室收集的叶子样品中叶绿素b的浓度分别为1.30±0.213mg / g和2.62±0.145mg / g。因此，与处理的样品相比，污染室样品的叶绿素b含量减少62％（略微显着，P = 0.019）。此外，总叶绿素含量的降低为64％（非常显着的差异，P在从污染室收集的样品中= 0.001）。然而，从处理室收集的样品中，这种降低仅为约13％（略微显着差异，P = 0.014）。一些研究报告说，暴露在空气污染胁迫下的植物叶片中的总叶绿素损失相当大，这支持了叶绿体是空气污染物攻击的主要场所的论点（Mir et al。，2008） ; Bakiyaraj和Ayyappan，2014年）。
植物蛋白质含量
图8显示了与对照室外植物相比污染和处理室中所选植物的蛋白质含量。与对照室外植物相比，观察到从污染室收集的植物叶子的蛋白质含量显着降低，这可能归因于高甲醛暴露浓度。与对照室外植物的叶子相比，在污染室和处理室中蛋白质含量分别减少30％（不显着差异，P = 0.321）和12％（不显着差异，P = 0.325）。污染胁迫下蛋白质含量的降低可能是由于蛋白酶活性的增加（Palma et al。，2002）。一些作者报道，蛋白质含量对污染物非常敏感，对植物的代谢活动产生不利影响（Pandey和Neraliya，2002） ; Cape，2003 ; 辛格和提瓦里， 2003年 ; Naik等， 2005）。
图8.与室外对照植物相比，从污染室和处理室收集的植物的蛋白质含量。
结论
该研究工作证明了甘蔗渣废料原料生产的活性炭的有效性。采用化学法制备的活性炭的BET表面积（SBET）为557 m 2 / g，SCBAC的总中孔和微孔体积分别为0.310和0.273 cm 3 / g。从水溶液实验中的亚甲蓝吸附可以看出，SCBAC的最大染料去除率约为90％。结果表明，植物处理室甲醛气体去除率超过67％。植物响应结果证实，甘蔗渣废弃物原料产生的活性炭可用作处理室内环境中各种气体污染物的适用吸附剂。
利益冲突
作者声明他们没有利益冲突。
承认
作者感谢国家研究中心为成功完成这项工作提供实验室设施。
