活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　由于人口的增長，對糧食作物的生產需求增加，所以研發人員使用一些技術來增強植物。這些技術中的一些涉及將各種材料和保護植物的化學物，包括聚合物，粘土，纖維素材料或活性炭等材料施用于植物。植物種子萌發受外部生物和非生物因素以及植物激素內部信號傳導的影響。激素可以促進或延遲發芽并以復雜的方式與環境因素相互作用。

　　活性炭是植物增強技術中使用的材料的示例。活性炭具有高表面積，因為它具有微孔性質。這種高吸附容量可用于從環境和種子中除去植物生長抑制劑或用作添加的生長促進劑的緩釋基質。然而，微孔材料的問題在于一些吸附物可能填充或阻塞孔，降低吸附容量并防止吸附物在微孔內解吸。所以我們選擇具有中孔結構的活性炭，這雖然降低了點吸附能力，但幾乎沒有孔堵塞的風險，同時仍顯示出有效的吸附能力。我們建議使用活性炭植物生長促進劑在發芽期間緩慢釋放，同時從環境和種子中吸附植物生長抑制劑，將兩種功能組合成一種材料以有利于種子發芽。

　　在此，測試了這款活性炭材料對幾種植物生長促進劑和抑制劑的吸附和解吸行為，并與普通活性炭比較(圖1)。活性炭的化學和物理性質取決于碳化溫度，其中前體材料在真空下被加熱到所需溫度。較低的溫度(例如，100-300℃)產生主要是中孔，親水和富含羥基的材料。在較高溫度(例如，700℃及以上)，結構仍然主要是中孔的，然而，微孔性增加，材料親水性降低，趨于零羥基官能度。

　　通過掃描電子顯微鏡(SEM)分析這兩種活性炭材料。對于所有材料，在×750放大率下拍攝圖像(圖2)。所述活性炭樣品不顯示光滑的表面，特別是對低溫度下碳化的活性炭。而商用活性炭示出了光滑的表面，這表明在較低溫度下碳化所觀察到的表面缺陷在導致更少的突出表面缺陷更高的溫度下熱分解。微孔活性炭顯示出比預期更大的顆粒尺寸變化，這也可以解釋增加的表面積，因為與中孔活性炭樣品相比顆粒尺寸更小。在不同溫度下活性炭相比顆粒尺寸也有很大區別。在更高的溫度下，原材料材料進一步碳化并分解成更小的顆粒。

　　吸附和解吸研究

　　固相萃取(SPE)用于分析微孔活性炭和中孔活性炭中激素的解吸附。將低濃度的激素(10mg g-1)吸附到80mg材料上。選擇水作為溶劑，因為它是農業中的主要溶劑，并且選擇氯化鈣以允許受控雜質進入系統，因為在農業中，不期望水被去離子。其中比較了所有洗滌液中的材料和生物活性物質，如圖3所示。觀察到在所有實驗中植物生長抑制劑顯示出較差的解吸水平(小于吸附材料的1%)。中孔活性炭與植物生長促進劑相比顯示出更高的解吸水平，并且對微孔活性炭具有顯著的改善，對植物生長抑制劑的解吸水平非常低。這是一個重要的結果，因為它表明兩種活性炭都可以保留這種類型的植物生長抑制劑，可以防止或阻止種子萌發。

　　當用活性炭測試植物激素時，觀察到沒有記錄來自活性炭的解吸附。觀察到來自活性炭的低解吸附水平(總共1.2%)。這些結果表明來自微孔活性炭的植物激素的解吸是最小的，因此不能實現用微孔活性炭控制植物生長促進劑的解吸附。與微孔活性炭不同的是中孔活性炭顯示出對所有植物生長促進劑的解吸作用。解吸總量超過最大記錄量，遠遠高于其他測試的植物生長促進劑。植物生長抑制劑顯示低解吸水平，總解吸量小于0.1%。這些結果表明抑制劑與吸附劑的相互作用較弱，因此可能受溶劑相互作用的影響更大，從而允許與中孔活性炭的更高水平的解吸附。

　　總的來說，可以得出結論，活性炭的高度中孔性質使得所有植物生長促進劑的解吸水平顯著高于用微孔活性炭觀察到的水平。微孔活性炭在大多數情況下顯示出對所選激素的最高潛在吸附能力，同時也表現出最低的解吸水平。懷疑這種低解吸是由于其微孔性質導致孔堵塞并阻止其表面解吸。然而，取決于碳化溫度，特別是800攝氏度下碳化的活性炭，在所有進行的實驗中顯示所有選定激素的解吸附，除了植物生長抑制劑，其被發現要么不解吸或以非常低的量解吸(即，總共小于0.5%)。所有測試的中孔活性炭都表明它們能夠選擇性地和持續地解吸植物生長促進劑，同時保留植物生長抑制劑。這種選擇性保留可能對種子處理有用。解吸不同水平的活性炭取決于它的碳化溫度，這可以對活性炭性能進行微調，這有可能大大改善當前的種子增強技術。

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