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采用生物質(zhì)制備活性炭,，原料成本低，椰殼,、核桃殼、松子殼等果殼以及秸稈,、木屑,、污泥、廢棄蔬菜等廢棄物都可以用作原料,，但對這些原料的預處理活化過程的能耗過高,，制約了生物質(zhì)生產(chǎn)活性炭的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

“雙碳”目標的時代背景下,，減少碳排放已經(jīng)成為共識,。然而我們的生活中卻片刻也離不開碳，就連我們?nèi)祟惐旧硪彩翘蓟?，目前與我們生活,、生產(chǎn)相關(guān)的絕大部分碳，來源于煤炭,、石油等化石資源,，這些資源在生產(chǎn)中會帶來碳排放。因此,，研發(fā)和推廣可替代化石資源的再生碳資源用于碳基材料的制備,，對“雙碳”目標的實現(xiàn)至關(guān)重要,。

近日，合肥工業(yè)大學機械工程學院馬培勇副教授研究團隊,，在生物質(zhì)熱解制備碳材料方面取得了重要進展,，他們的新方法能用更低能耗實現(xiàn)生物質(zhì)制炭。相關(guān)研究成果發(fā)表在工程技術(shù)類國際著名期刊《生物資源技術(shù)》上,。

制備活性炭的生物質(zhì)來源廣泛

活性炭是生活和生產(chǎn)中經(jīng)常能夠遇到的一種典型碳材料,。活性炭具有很高的比表面積,、可調(diào)控的孔隙結(jié)構(gòu),，在吸附、催化,、儲能等領(lǐng)域都有著廣泛的應用,。“活性炭的具體應用場景非常豐富，在居家生活中,，活性炭可用于除臭,、去除裝潢后殘留的甲醛等；在工業(yè)生產(chǎn)中,，經(jīng)定向調(diào)控的活性炭,，可以作為催化劑、催化劑的載體,、電極材料以及超級電容器等,；在環(huán)境保護領(lǐng)域，活性炭可用于污水凈化,、煙氣脫硫脫硝等,。”馬培勇告訴記者,，在“雙碳”背景下,，活性炭在二氧化碳捕集方面也具有較好的應用前景。

馬培勇表示,，生物質(zhì)是一個廣泛的概念,。所有的直接或間接利用綠色植物光合作用獲得的有機質(zhì)都稱為生物質(zhì)，包括植物,、動物,、微生物，以及它們所產(chǎn)生的廢棄物,，如動物糞便等,。“由于生物質(zhì)是含碳的有機質(zhì)，因此理論上所有的生物質(zhì)都可以作為制備活性炭的材料,。然而考慮到成本與儲量,，以農(nóng)林廢棄物為代表的木質(zhì)纖維素是較為理想的活性炭原料,。”他說,，生物質(zhì)原料的組分和結(jié)構(gòu)對活性炭的性能有較大影響,，目前椰殼、核桃殼,、松子殼等果殼原料,，在制備高比表面積的活性炭方面已經(jīng)取得了很好的效果。

“但畢竟這些果殼的儲量很有限,。因此,，我們團隊一直在嘗試使用來源更廣泛的生物質(zhì)制備活性炭，如秸稈,、木屑,、污泥、廢棄蔬菜等來自農(nóng)業(yè),、林業(yè)以及城市的廢棄物,。”馬培勇說,。

據(jù)統(tǒng)計,，單就秸稈而言，我國每年產(chǎn)生的秸稈量就超過11億噸,，因此生物質(zhì)制備活性炭具有巨大的潛力,。

降低成本關(guān)鍵要降低制備能耗

近年來，由于生物質(zhì)的可再生性,，生物質(zhì)制炭的工藝不斷改進升級,，從傳統(tǒng)的外部供熱碳化干餾工藝，逐步轉(zhuǎn)向自生可燃氣循環(huán)燃燒供熱工藝,，或是采用生物質(zhì)炭化、干餾,、氣化多聯(lián)產(chǎn)工藝,，這些工藝促進了生物質(zhì)制炭產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

在馬培勇看來,，目前用生物質(zhì)生產(chǎn)的活性炭通常比表面積較低,，在高值化利用方面有一定的限制，需要制備具有更高比表面積,、更高利用價值的生物質(zhì)活性炭,。而以果殼活性炭為代表的高性能生物質(zhì)活性炭又無法滿足巨大的活性炭

市場需求。此外,，生物質(zhì)原料密度小,、含水量高,，使得原料的預處理成本增加。“因此,，開發(fā)更節(jié)能環(huán)保的制備工藝,，降低生物質(zhì)活性炭生產(chǎn)成本至關(guān)重要?！瘪R培勇說,。

“我們團隊2012年就開始努力推進生物質(zhì)制炭方面的研究，包括生物質(zhì)的干燥,、擠壓成型等預處理工藝,。”馬培勇告訴記者,，他們在研究過程中發(fā)現(xiàn),，采用生物質(zhì)制備活性炭雖然原料成本低，但如果考慮預處理過程和長時間高溫炭化活化過程,，最終的整體能耗還是比較高的,。

為了降低制備過程的能耗，團隊進行了大量探索,。“例如我們將生物質(zhì)與活化劑直接干法混合,，盡可能減少額外水分的引入，從而減少過程中水分蒸發(fā)的能量消耗,?！瘪R培勇說，他們還利用生物質(zhì)自身高含水性的特點,，采用先低溫水熱預炭化再活化的方法來制備活性炭,。

“低溫水熱階段的熱量需求可以由高溫活化階段余熱回收來提供，經(jīng)過水熱預炭化,，可以將生物質(zhì)內(nèi)大部分自由水,、結(jié)合水以及氫、氧元素脫除,，這實質(zhì)上顯著降低了后續(xù)炭化活化過程的能耗,。”馬培勇說,。

他告訴記者,，近期他們還開發(fā)了磷酸水熱聯(lián)合快速熱解的活性炭制備方法。以木屑為原料,，在通過磷酸低溫水熱預處理后,，可以在450℃的較低活化溫度下，僅通過2.8分鐘的活化時間就獲得比表面積接近2000平方米/克的活性炭，這個比表面積是普通商用活性炭的2—3倍,。而常規(guī)活化溫度在600℃以上,，活化時間長達數(shù)小時。此外,，利用該方法制備的活性炭有較為豐富的微/介孔結(jié)構(gòu),，且碳基底上負載有大量納米碳球，其與碳層編織在一起,，形成三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),。“這種材料對多種污染物均表現(xiàn)出了良好的吸附性能,，具有良好的應用前景,。”他說,。

“我們的方法大大降低了活化能耗,。目前，我們?nèi)栽陂_發(fā)能耗更低的活性炭制備工藝與裝備,，并爭取早日實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化目標,。”馬培勇表示,，“我們還會在開發(fā)清潔,、低能耗的活性炭制備工藝與裝備的同時，進一步開發(fā)生物質(zhì)活性炭在二氧化碳捕集與轉(zhuǎn)化（CCUS）領(lǐng)域的應用,，為實現(xiàn)我國‘雙碳’目標貢獻力量,。”

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生物質(zhì)活性炭已在各領(lǐng)域大顯身手

由于工藝的迅速發(fā)展,，利用不同生物質(zhì)制備的活性炭逐漸走入我們的生活,，不僅可節(jié)約資源，還可改善環(huán)境,。

用秸稈制備的活性炭,，由于對銅離子有較好的吸附作用，已經(jīng)用于處理廢水中的銅離子,。

以椰子殼為原料制備的活性炭,，也已經(jīng)用于對蔗糖溶液進行脫色。之前,，許多工廠都是用二氧化硫?qū)μ且哼M行脫色處理，帶來了環(huán)境污染,。而椰殼活性炭具有毛細孔分配均勻和吸附力強的特點,，且可多次使用，既經(jīng)濟又環(huán)保,。

稻殼制備活性炭的工藝簡單,、成本低,，對香煙中傷害人體健康的焦油、煙氣中煙堿有良好的吸附作用,，可以用來去除這些有害物質(zhì),。

城市污水中的污泥也可以用作生產(chǎn)活性炭的原料，并且污泥活性炭已用于對染料廢水進行脫色,。此外,，污泥制成的活性炭還可作為填充劑和著色料，用于聚氯乙烯防水卷材,、聚乙烯塑料管材以及橡膠密封墊圈,、橡膠輸送帶等制品的生產(chǎn)，提高這些制品的性能,。