竹材加工剩余物制备竹炭的发展现状与前景展望

2023-02-01

竹子是一种重要的森林资源, 它具有分布广、生长周期短、用途多、生态和经济价值高等特点, 被誉为“绿色的金矿”。目前地球环境的恶化已经波及到人们的生产和生活, 其中大气污染和水污染尤其严重, 并且正在影响着我们生存的空间。在这样的背景下, 新型环境保护材料的开发就成为材料领域的重大课题之一。竹炭作为机能性材料和环境保护材料正是在这种背景下应运而生, 并引起人们的高度重视。竹炭具有良好的吸附性能, 在大气污染和水污染的治理方面具有广阔的应用前景。它的出现不仅为竹材产业的可持续发展提供了一个新的研究和应用领域, 同时也为环境保护提供了一种新型材料。竹子与木材相比, 竹子具有生长周期短、产量高、成材快的特性。利用竹材来代替木材, 不仅能缓解木材资源的匮乏, 而且能有效保护生态环境。

我国的竹材工业虽然得到了迅速发展, 但主要是对毛竹的初步加工利用, 且利用率不高。目前除竹碎料板外, 其他各类竹材的竹材利用率都在一半以下, 个别产品仅有20%~25%, 资源浪费严重。此外, 我国人民对于竹炭的认识程度还处于比较初级的状态, 因此, 积极开发竹系列产品及竹炭的研究将是今后几年主要的发展方向, 尤其是利用竹材加工剩余物制备竹炭将备受关注。

1 竹材加工剩余物制备竹炭的研究现状

1.1 竹炭及竹醋液的形成

竹材是天然生长的高分子有机体, 由各种不同形状和功能的细胞组成, 有特殊的微孔构造。竹炭是竹材经热解后的产物, 竹醋液是竹炭生产过程中产生的副产品。竹材中含有各种化学成分, 其中的纤维素、半纤维素和木质素在炭窑中随温度的上升依次分解。目前, 竹子中含有的各成分的分解起始温度尚无测定数据。竹材在400℃即可全部热解成炭。竹醋液随着竹炭的烧制不断产生, 可以回收加以利用。

1.2 竹炭、竹醋液种类

竹炭根据使用原料不同, 可以分为原竹炭和竹屑棒炭, 原竹炭是以竹子为原料烧制而成;竹屑棒炭是利用竹材加工剩余物经粉碎、干燥、挤压成型制成竹屑棒后烧制而成。按竹炭的形状, 可以分筒炭、片炭、颗粒炭、粉炭及工艺炭 (将竹炭加工成工艺品) 。按用途可以分为净化水用炭、净化空气用炭、保健用炭、果品保鲜用炭等。目前, 市场上已经出售竹炭制的香皂, 此种香皂具有较好的杀菌消毒作用, 并且具有排毒养颜的功效, 渐渐受到人们的青睐。

竹材热解过程中产生的气体混合物经冷凝器分离后, 得到棕黑色的粗竹醋液, 经较长时间存放后, 上层为澄清竹醋液, 下层为沉淀竹焦油。竹醋液含有醋酸、丙酸、甲醇等多种化合物, 有特殊的烟焦气味;焦油是黑色、粘稠的油状液体, 含有大量的酚类物质和多种有机物质。竹醋液经过进一步的精炼后可以制成洗发水, 具有抑制脱发的功效, 但现在还处于实验阶段, 相信在不久的将来会面向市场, 并且将成为一种炙手可热的产品。

目前, 有学者对竹材剩余物加工竹炭进行研究, 利用高温干馏方式对竹材加工剩余物进行热解, 控制料温干馏时不仅使竹屑均匀加热升温, 而且控制升温上限值, 分温度段逐步裂解。从而获得化学成分较为单纯的竹醋液和均质竹炭[3]。

2 竹炭的改性

目前, 对竹炭的改性主要有以下几个方面。

(1) 表面物理结构特性的改性。改性方法常用的有3种:物理法有微波改性、氧化性气体改性 (如水蒸气、二氧化碳、对炭化物进行活化处理, 形成发达的孔隙结构) 、化学法改性 (即用活化剂如KOH、ZnCl2等对炭化物进行活化处理) 和物理化学联合法即将物理活化及化学活化两种方法结合起来所采用的改性方法。

(2) 表面化学性质的改性。改性方法有氧化改性 (即利用强氧化剂HNO3、H2O2和等试剂对活性炭表面的官能团进行氧化处理, 从而提高表面的含氧酸性基团的含量, 增强表面的极性) 、还原改性 (主要通过还原剂对活性炭表面官能团进行还原改性, 从而提高含氧碱性基团的比含量, 增强表面的非极性) 和负载金属改性。

(3) 电化学性质的改性。活性炭的电化学性质同时决定了物理吸附和化学吸附, 电化学改性是通过微电场使活性炭表面的电性和化学性质发生改变, 从而提高吸附的选择性和性能。

目前有学者对使用水蒸气生产竹质活性炭进行过研究, 发现炭化竹材时, 活化温度900℃, 炭水比1∶2为最佳;活化时间可以根据对产品的性能要求而定。此方法生产的炭脱色效果好, 过滤速度快, 中孔发达, 在生产过程中又不添加任何化学试剂, 减少了对环境的污染。

3 竹炭的性质及应用

竹炭具有很大的比表面积和超强的吸附性能, 竹炭孔隙性能常常决定吸附性能的大小, 竹炭的吸附能力比木炭大, 矿物质含量也比木炭多, 因而竹炭具有除臭、吸附异味等特殊功效。

3.1 环境保护方面

竹炭的组织结构中存在着大量的微细孔隙, 干重“比表面积”达到800m2/g左右, 是木炭的3倍。因此, 竹炭的吸附能力很强, 能将水中的有害杂质吸附在孔隙中, 2005年吉林省松花江发生的严重水污染事件, 就曾紧急调购了大量的竹炭、木炭和活性炭进行净化处理, 效果良好。至今, 竹炭已成为水处理工艺中的重要的吸附剂之一。

3.2 农业方面

竹炭的吸附能力强、空隙率高, 适合作为土壤微生物和有机营养成分的载体, 可以增强土壤的活力, 是一种良好的土壤改良剂。而且竹炭自身还富含植物生长所需的矿物元素, 可为植物的生长提供肥力。将竹炭施于土壤中, 不仅可以改善土壤, 而且促进植物生长, 提高产率, 从而获得更高的经济效益。

3.3 医药卫生方面

竹炭中含有金属元素钾、镁、钙、铝、锆、锰及其碳化物, 能辐射远红外线, 这种远红外线可以渗透血管, 刺激身体各经络的穴道, 改善身体器官机能。此外还可以激发产生负离子, 加快血液循环, 改善人体环境。竹炭具有除湿、调节环境温度的特殊性能, 它可使吸附的水分呈弱碱性, 使其具有抗菌、漂白、美肤等功效。在医药卫生方面的前景巨大而广阔。

3.4 纺织方面

竹炭粉末加入纺丝过程制成竹炭纤维, 人们可以在人造空气负离子的小环境中, 进行“无痛磁性理疗”, 达到全天候保健的目的。可以在纤维中添加一种离子催效素, 从而使纤维的这些功能作用成倍增强。此外, 竹炭纤维还解决了负离子纤维加工面料时磨针严重的问题, 减少了设备损耗。纤维表面涂上超细竹炭添加剂, 在涤纶、丙纶、腈纶、粘胶等是在其纤维表面涂上一种纯天然的超细竹炭添加剂加工而成。这种天然植物添加剂移植到化纤中本身就是一个新亮点, 也是超细纳米技术和纺织工程相结合的产物。其面料具有远红外保健功能、抑菌功能和高吸附功能[7]。

4 前景展望

竹炭是一种传统而又现代的人造材料, 有许多的功效。在农林上可用于土壤的改良, 果树、花卉等绿色植物生长促进剂, 饲料添加剂及保鲜作用;在建筑室内起到除臭、净化空气, 屏蔽电磁波, 调湿, 防止地板发霉、腐烂, 吸附空气异味等;还可以作为水质净化, 制作炭枕、竹炭香皂等日用保健品, 美容、护肤用品及沐浴露等;另外可当燃料、制取活性炭等等。

竹炭近似纯炭, 它完全可以代替木炭使用。竹炭与原料为毛榉、栎木的木炭相比, 原料只需后者的一半, 而售价却可高一倍。竹炭的表面积是木炭的2倍多, 火力比木炭大30%, 可制成高级燃料。竹炭代替木炭, 对保护森林资源具有积极意义。竹屑制成棒形炭的生产, 可以解决竹制品中大量竹屑处理问题, 减少环境污染。竹炭还是制造活性炭的优质原料, 活性炭有着广泛的用途。

我国竹炭产业还面临着严峻的挑战比如龙头企业少, 技术含量低, 科技投入力度不大, 研究相对滞后, 企业生产不规范缺乏产品的行业标准等都是制约我国竹炭产业的重要因素。随着科技的发展, 竹炭必将走出其瓶颈阶段。但我国在利用竹资源上浪费严重, 因而, 采用利用竹材剩余物制备竹炭不仅能提高竹材的利用率, 而且也是缓解能源危机的有效途径。同时随着社会发展, 绿色环保产品必然成为主流, 竹炭作为一种功能性材料和环境保护材料, 由于其优越的性能, 越来越受到人们的青睐。随着科学的发展和进步, 竹炭必将具有广阔的应用前景和巨大的发展空间。

摘要：中国竹材资源丰富, 但是竹材利用率不高。利用竹材加工剩余物研究开发新型竹材产品, 以此来代替木材产品, 不仅能变废为宝, 提高经济效益, 同时也是缓解木材资源短缺的有效途径。本文介绍了竹材加工剩余物制备竹炭的研究现状、竹活性炭的生产及应用价值, 并对其发展前景进行了展望。

关键词：竹材剩余物,竹炭,竹活性炭