跨過“能耗”的坎 將生物質活性炭產業(yè)做大

采用生物質制備活性炭，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，制約了生物質生產活性炭的產業(yè)化發(fā)展。

“雙碳”目標的時代背景下，減少碳排放已經成為共識。然而我們的生活中卻片刻也離不開碳，就連我們人類本身也是碳基生物，目前與我們生活、生產相關的絕大部分碳，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”目標的實現至關重要。

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生物質制炭。相關研究成果發(fā)表在工程技術類國際著名期刊《生物資源技術》上。

制備活性炭的生物質來源廣泛

活性炭是生活和生產中經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、可調控的孔隙結構，在吸附、催化、儲能等領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)生產中，經定向調控的活性炭，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都稱為生物質，包括植物、動物、微生物，以及它們所產生的廢棄物，如動物糞便等。“由于生物質是含碳的有機質，因此理論上所有的生物質都可以作為制備活性炭的材料。然而考慮到成本與儲量，以農林廢棄物為代表的木質纖維素是較為理想的活性炭原料。”他說，生物質原料的組分和結構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制備活性炭，如秸稈、木屑、污泥、廢棄蔬菜等來自農業(yè)、林業(yè)以及城市的廢棄物。”馬培勇說。

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

降低成本關鍵要降低制備能耗

近年來，由于生物質的可再生性，生物質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，逐步轉向自生可燃氣循環(huán)燃燒供熱工藝，或是采用生物質炭化、干餾、氣化多聯產工藝，這些工藝促進了生物質制炭產業(yè)化發(fā)展。

在馬培勇看來，目前用生物質生產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活性炭。而以果殼活性炭為代表的高性能生物質活性炭又無法滿足巨大的活性炭

市場需求。此外，生物質原料密度小、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，降低生物質活性炭生產成本至關重要。”馬培勇說。

“我們團隊2012年就開始努力推進生物質制炭方面的研究，包括生物質的干燥、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，采用生物質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。”馬培勇說，他們還利用生物質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，經過水熱預炭化，可以將生物質內大部分自由水、結合水以及氫、氧元素脫除，這實質上顯著降低了后續(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/介孔結構，且碳基底上負載有大量納米碳球，其與碳層編織在一起，形成三維多孔網絡結構。“這種材料對多種污染物均表現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，我們仍在開發(fā)能耗更低的活性炭制備工藝與裝備，并爭取早日實現產業(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)生物質活性炭在二氧化碳捕集與轉化(CCUS)領域的應用，為實現我國‘雙碳’目標貢獻力量。”

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生物質活性炭已在各領域大顯身手

由于工藝的迅速發(fā)展，利用不同生物質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，也已經用于對蔗糖溶液進行脫色。之前，許多工廠都是用二氧化硫對糖液進行脫色處理，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。

城市污水中的污泥也可以用作生產活性炭的原料，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，提高這些制品的性能。