采用生物质制备活性炭，原料成本低，椰壳、核桃壳、松子壳等果壳以及秸秆、木屑、污泥、废弃蔬菜等废弃物都可以用作原料，但对这些原料的预处理活化过程的能耗过高，制约了生物质生产活性炭的产业化发展。
“双碳”目标的时代背景下，减少碳排放已经成为共识。然而我们的生活中却片刻也离不开碳，就连我们人类本身也是碳基生物，目前与我们生活、生产相关的绝大部分碳，来源于煤炭、石油等化石资源，这些资源在生产中会带来碳排放。因此，研发和推广可替代化石资源的再生碳资源用于碳基材料的制备，对“双碳”目标的实现至关重要。
近日，合肥工业大学机械工程学院马培勇副教授研究团队，在生物质热解制备碳材料方面取得了重要进展，他们的新方法能用更低能耗实现生物质制炭。相关研究成果发表在工程技术类国际著名期刊《生物资源技术》上。
制备活性炭的生物质来源广泛
活性炭是生活和生产中经常能够遇到的一种典型碳材料。活性炭具有很高的比表面积、可调控的孔隙结构，在吸附、催化、储能等领域都有着广泛的应用。“活性炭的具体应用场景非常丰富，在居家生活中，活性炭可用于除臭、去除装潢后残留的甲醛等；在工业生产中，经定向调控的活性炭，可以作为催化剂、催化剂的载体、电极材料以及超级电容器等；在环境保护领域，活性炭可用于污水净化、烟气脱硫脱硝等。”马培勇告诉记者，在“双碳”背景下，活性炭在二氧化碳捕集方面也具有较好的应用前景。
马培勇表示，生物质是一个广泛的概念。所有的直接或间接利用绿色植物光合作用获得的有机质都称为生物质，包括植物、动物、微生物，以及它们所产生的废弃物，如动物粪便等。“由于生物质是含碳的有机质，因此理论上所有的生物质都可以作为制备活性炭的材料。然而考虑到成本与储量，以农林废弃物为代表的木质纤维素是较为理想的活性炭原料。”他说，生物质原料的组分和结构对活性炭的性能有较大影响，目前椰壳、核桃壳、松子壳等果壳原料，在制备高比表面积的活性炭方面已经取得了很好的效果。
“但毕竟这些果壳的储量很有限。因此，我们团队一直在尝试使用来源更广泛的生物质制备活性炭，如秸秆、木屑、污泥、废弃蔬菜等来自农业、林业以及城市的废弃物。”马培勇说。
据统计，单就秸秆而言，我国每年产生的秸秆量就超过11亿吨，因此生物质制备活性炭具有巨大的潜力。
降低成本关键要降低制备能耗
近年来，由于生物质的可再生性，生物质制炭的工艺不断改进升级，从传统的外部供热碳化干馏工艺，逐步转向自生可燃气循环燃烧供热工艺，或是采用生物质炭化、干馏、气化多联产工艺，这些工艺促进了生物质制炭产业化发展。
在马培勇看来，目前用生物质生产的活性炭通常比表面积较低，在高值化利用方面有一定的限制，需要制备具有更高比表面积、更高利用价值的生物质活性炭。而以果壳活性炭为代表的高性能生物质活性炭又无法满足巨大的活性炭
市场需求。此外，生物质原料密度小、含水量高，使得原料的预处理成本增加。“因此，开发更节能环保的制备工艺，降低生物质活性炭生产成本至关重要。”马培勇说。
“我们团队2012年就开始努力推进生物质制炭方面的研究，包括生物质的干燥、挤压成型等预处理工艺。”马培勇告诉记者，他们在研究过程中发现，采用生物质制备活性炭虽然原料成本低，但如果考虑预处理过程和长时间高温炭化活化过程，最终的整体能耗还是比较高的。
为了降低制备过程的能耗，团队进行了大量探索。“例如我们将生物质与活化剂直接干法混合，尽可能减少额外水分的引入，从而减少过程中水分蒸发的能量消耗。”马培勇说，他们还利用生物质自身高含水性的特点，采用先低温水热预炭化再活化的方法来制备活性炭。
“低温水热阶段的热量需求可以由高温活化阶段余热回收来提供，经过水热预炭化，可以将生物质内大部分自由水、结合水以及氢、氧元素脱除，这实质上显著降低了后续炭化活化过程的能耗。”马培勇说。
他告诉记者，近期他们还开发了磷酸水热联合快速热解的活性炭制备方法。以木屑为原料，在通过磷酸低温水热预处理后，可以在450℃的较低活化温度下，仅通过2.8分钟的活化时间就获得比表面积接近2000平方米/克的活性炭，这个比表面积是普通商用活性炭的2—3倍。而常规活化温度在600℃以上，活化时间长达数小时。此外，利用该方法制备的活性炭有较为丰富的微/介孔结构，且碳基底上负载有大量纳米碳球，其与碳层编织在一起，形成三维多孔网络结构。“这种材料对多种污染物均表现出了良好的吸附性能，具有良好的应用前景。”他说。
“我们的方法大大降低了活化能耗。目前，我们仍在开发能耗更低的活性炭制备工艺与装备，并争取早日实现产业化目标。”马培勇表示，“我们还会在开发清洁、低能耗的活性炭制备工艺与装备的同时，进一步开发生物质活性炭在二氧化碳捕集与转化（ccus）领域的应用，为实现我国‘双碳’目标贡献力量。”
生物质活性炭已在各领域大显身手
由于工艺的迅速发展，利用不同生物质制备的活性炭逐渐走入我们的生活，不仅可节约资源，还可改善环境。
用秸秆制备的活性炭，由于对铜离子有较好的吸附作用，已经用于处理废水中的铜离子。
以椰子壳为原料制备的活性炭，也已经用于对蔗糖溶液进行脱色。之前，许多工厂都是用二氧化硫对糖液进行脱色处理，带来了环境污染。而椰壳活性炭具有毛细孔分配均匀和吸附力强的特点，且可多次使用，既经济又环保。
稻壳制备活性炭的工艺简单、成本低，对香烟中伤害人体健康的焦油、烟气中烟碱有良好的吸附作用，可以用来去除这些有害物质。
城市污水中的污泥也可以用作生产活性炭的原料，并且污泥活性炭已用于对染料废水进行脱色。此外，污泥制成的活性炭还可作为填充剂和着色料，用于聚氯乙烯防水卷材、聚乙烯塑料管材以及橡胶密封垫圈、橡胶输送带等制品的生产，提高这些制品的性能。◎本报记者 吴长锋
