2023
生物质活性炭是符合绿色发展理念的碳中性材料，其大力发展和推广应用有助于实现国家“双碳”目标。为促进生物质活性炭产业发展，综述了炭化、活化、改性和再生等生产工艺，讨论了其在吸附净化、催化反应和能源储存等方面的应用，从拓展原料、优化工艺、开发新装备、研制新产品和开展“碳中和”战略规划及标准化研究等方面提出了进一步加快生物质活性炭产业发展的建议。
随着人民生活水平的日益提高和环保行业的快速发展，各类民用和工业用活性炭需求量越来越大。生物质活性炭是指利用果壳/核、木竹材、秸秆、有机固废等各类生物资源作为含碳原料，经炭化、活化加工，使其具有发达的孔隙结构、较大的比表面积和丰富的表面化学活性基团，可用作选择性吸附的可再生碳材料。与煤炭等其他矿物资源生产的碳材料相比，生物质活性炭具有原料来源广泛、灰分低、机械强度高、绿色清洁、碳中性等特点。随着“碳达峰、碳中和”发展战略的提出，利用可再生生物质原料生产绿色环保、用途广泛的活性炭材料具有良好的碳中和效应。
我国活性炭行业起步于20世纪50年代，在90年代后进入高速发展期，经历30余年的发展，初步形成了较为完善的工业体系，产能和出口量持续增加。活性炭企业数量由20世纪80年代初几十家快速增加到目前千余家，且未来将继续处于快速成长期阶段。我国已成为全世界最大的活性炭生产国，产能不仅能满足国内需求，还大量出口到欧美及日本等国家和地区。为促进生物质活性炭产业高质量发展，本文主要探析生物质活性炭的生产及应用现状，分析“双碳”战略下生物质活性炭的发展趋势并提出建议。
Part 1
生物质活性炭的生产
生物质活性炭的生产首先受到原料种类的影响，生产过程包括炭化、活性和改性等主要工艺，以及成型和再生等工序。
1.1原料种类
生物质活性炭的原料主要包括三大类:（1）果壳/核类，来源于各类林果和农业食品生产加工所产生的剩余物，如核桃壳、杏核、竹笋壳、稻壳等；（2）木质类，主要来源为木竹材等废弃木质材料和林业三剩物（即采伐、造材和加工剩余物）；（3）秸秆类，包括秸秆、玉米芯、甘蔗渣等农业废弃物。除以上三类外，可用作生物质活性炭的生产原料还包括一些生物污泥、有机固体废弃物和动物残体等。
1.2技术原理
生物质活性炭的生产过程主要包括炭化、活化、改性等步骤。炭化是指在缺氧或无氧的高温条件下，将含碳物质热解转化成多孔性的炭化料，原料中氧、氢等非碳元素会生成挥发性气体逸出。炭化料由于微观结构分解程度有限以及部分挥发性气体凝结沉积，导致其孔隙不够发达、吸附能力有限。因此炭化料需要活化处理，打通被堵塞的孔隙并进一步扩孔。活化过程是利用气体（如水蒸气、二氧化碳等）或化学试剂（如磷酸、氯化锌、氢氧化钾等）对经过炭化的原料进行进一步活化处理，其目的是拓展内部孔隙结构，增大比表面积和改善吸附性能。为增强活性炭的吸附性能，往往还需要对其进行改性，利用各种物理或化学方法改变表面物理化学性质，使其成为具有较强选择性的吸附材料。
1.3加工工艺
1.3.1炭化
生物质炭化通常在缓慢的升温速率和相对较低的温度下发生，包括热解炭化、水热炭化、微波炭化等，目前工业上以气相热解炭化为主。炭化过程中，生物质主要是通过发生脱水、脱挥发分、解聚、降解和异构化等一系列热解反应脱除大部分氧元素、部分碳氢及微量元素。通常，生物质原料中纤维素和半纤维素主要是通过糖苷键断裂生成液态产物和固态炭，而木质素主要通过醚键断裂、支链脱除和脱水、再聚合等过程转化为固态炭和小分子气体等。
1.3.2活化
活性炭的吸附性能主要取决于其孔隙结构和表面化学基团特性，因此对炭化料的活化处理十分重要。活化通常采用物理活化、化学活化和物理-化学耦合活化等方法。物理活化法是以二氧化碳、水蒸气、空气等作为活化气体，通过活化处理使炭化料原有的闭塞孔打开、已打开的孔隙扩大，同时创造出新孔，形成更发达的孔隙结构。物理活化法工艺流程相对简单、环境负荷小且易于大型机械化生产。化学活化法是利用磷酸、氢氧化钾、氯化锌等作为活化试剂，混合浸渍炭化料后通过化学反应过程增加活性炭孔隙结构。化学活化法制得的活性炭孔隙结构较发达，比表面积大且得率高，但活性炭产品会需要经过洗涤处理以去除残留的活化试剂。物理化学耦合活化法是一种将化学活化法与物理活化法相结合的一步式活化法，即先用活化试剂浸渍原料，促进原料内部形成输送活化气体的通道，然后在高温下通入气体进行物理活化，实现兼具物理和化学过程的综合活化。物理化学耦合活化法可有效调控活性炭孔隙结构，减少化学活化剂的用量、降低活化处理温度，集成了物理活化法和化学活化法的优点，但工艺相对复杂。
1.3.3改性
活性炭改性是为了进一步提高其选择性吸附性能，主要包括物理改性和化学改性方法。物理改性主要包括高温热处理改性和微波改性，而化学改性包括酸碱改性、氧化改性、还原改性、金属负载改性和等离子体改性等。目前应用较多是酸改性，可以显著提升活性炭表面的酸性官能团数量，增大对特殊物质的吸附能力。活性炭改性领域有较广的发展空间，如针对空气等气相环境中特定有机挥发物、水中重金属等物质的定性吸附改性等。此外，采用多种手段复合改性可以使活性炭同时吸附两种或多种不同种类的污染物，增加活性炭的利用率。通过不断探索改性新技术可以促进活性炭在更多领域实现广泛应用
1.3.4成型
经炭化、活化和改性后制备的活性炭产品种类繁多，根据其外观、尺寸、形态等可将其分为颗粒炭、粉末炭、纳米炭、成型炭等。其中，成型炭又包括球形炭、泡沫炭、蜂窝炭等。近年来，利用胶黏剂将粉状活性炭压缩成型制得特定尺寸、结构和形状的成型炭产品成为一个重要趋势，方便后续深加工应用。成型活性炭的制备方法包括直接将具有规则形状尺寸的木材等天然植物炭化活化，先将原料炭化活化后再采用粘结剂将粉体活性炭质粘接成型，以及用粘结剂先将原料粘接成型后炭化活化等三种方式。
球形活性炭
柱状活性炭
蜂窝活性炭
成型活性炭净水滤芯
1.4活性炭再生
活性炭在使用时达到吸附饱和后会降低或丧失吸附能力，需要进行再生处理。再生就是采取各种方法破坏活性炭与吸附质的吸附平衡，使得吸附质从活性炭中脱去，使其恢复一定吸附能力的过程。常用的活性炭再生方法主要包括加热脱附、降低两者表面亲和力、溶剂萃取等。目前针对这些方法也开发出了很多活性炭再生技术，主要包括热再生、溶剂再生、生物再生、湿式氧化再生等传统方法，还有电化学再生、超临界流体再生、超声波再生、微波辐照再生和催化湿式氧化再生等方法，具体需要根据吸附质的特点和活性炭结构性能要求等来选择适合的再生处理方法。
Part 2
生物质活性炭产品应用
活性炭具有良好的吸附性能、发达的孔隙结构、较大比表面积和丰富的表面化学活性基团，可作为吸附材料、催化材料、能源材料、电子材料等多种功能材料，广泛应用于环保、食品、医药、化工、水处理、农业乃至军工等众多行业。依据活性炭所发挥的作用，主要可以分为吸附净化、催化反应和能源储存等三个领域。
2.1吸附净化
吸附净化是目前活性炭的主要应用领域。根据吸附剂与吸附质之间的作用方式不同，活性炭吸附可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附主要依靠范德华力，而化学吸附则依赖于活性炭表面的各类官能团，包括含氧官能团和含氮官能团。含氧官能团主要是羧基、内酯基、醇基、羟基、羰基、醌基、醚基等，含氮官能团主要是酰胺基、酰亚胺、内酰胺、吡咯酰胺、吡啶酰胺等。根据吸附质的状态不同，可将生物质活性炭吸附领域分为气相吸附和液相吸附两类。气相吸附主要在净化室内空气、电厂烟气联合脱硫脱硝、油气回收专用、吸附净化有机废气、空气分离富氧等方面实现了商业化应用。液相吸附主要应用于饮用水净化、重油的脱色除臭、水中金属离子吸附、制药过程选择性吸附、净化血液以及污水处理等水处理、制药、化工、环保和食品领域。
2.2催化反应
由于特殊的晶型结构和内表面积，活性炭被广泛地用作催化剂和催化剂载体材料。活性炭的晶型结构包括石墨化炭和无定形炭，具有不饱和键，并表现出类似结晶缺陷的功能，从而被作为催化剂广泛应用，尤其是在烟道气脱硫、光气氧化、臭氧分解及电池中氧的去极化等氧化还原反应中。因其具有较大的内表面积，活性炭还是很好的催化剂载体，例如通过在活性炭负载光催化剂后可以用于有机废气等的降解处理。
2.3能源储存
近年来，活性炭电极正在被越来越多地应用于超级电容器、锂离子电池、燃料电池、空气电池等储能器件，不仅表现出了优异的电化学和电催化性能以及稳定性，而且促进了储能器件材料领域的绿色可持续发展。随着国家“双碳”战略对清洁能源和储能技术的发展需求，生物质活性炭材料未来将在能源储存领域进一步发挥重大作用。
Part 3
生物质活性炭材料碳中和效应分析
生物质活性炭材料是农林生物质等植物资源通过热化学加工过程而制备的绿色碳材料，具有良好的固碳、降碳和储碳效果。在活性炭原料的生长阶段，植物光合作用会吸收自然界中二氧化碳，具有碳负排特性，实现固碳效果；在活性炭生产阶段，通过改进设备、优化工艺和能源综合利用等可以节能减排，降低能耗和碳排放，实现降碳效果；在活性炭产品的应用阶段，由于原料来源于植物从大气中固定的可再生碳源，因此活性炭在使用时属于碳零排过程，特别是通过再生处理可以达到活性炭的持续循环利用，还可以用于碳封存，实现储碳效果。因此，生物质活性炭材料在全生命周期内都具有积极的碳中和效应。
生物质活性炭材料生产和应用碳中和效应分析图
Part 4
生物质活性炭材料产业发展建议
4.1拓展活性炭生产原材料范围，建立原料资源特性评价体系
生物质原料资源丰富、种类繁多，可以被应用于活性炭生产的原料潜力巨大，未来需要进一步探索将碳中和原料林、能源林、薪炭林、能源作物等作为活性炭生产原料。同时，加大对生物质原料特性的研究，根据不同的原料性质来开发具有特殊吸附性能和品质的活性炭产品。建议重点对生物质原材料的化学成分、元素组成、工业组成、孔隙结构、致密度等进行分析,并研究原料特性与中间炭化料、终端活性炭产品质量的相关性，评价不同原材料混合加工对所活性炭生产过程和产品质量的影响，逐步建立原材料资源评价体系，为活性炭定向制备和工艺优化提供基础依据。
4.2优化活性炭绿色低碳高效生产工艺技术
在活性炭生产工艺方面，建议重点优化生产工艺参数和精准控制活性炭质量，并更加注重绿色低碳加工工艺技术开发应用。为实现活性炭生产过程碳减排，需要不断提升生产原料的转化率、降低生产能耗、引入绿色能源和加大余热利用，如活性炭生产过程中能源梯次耦合利用、产品多联产（炭、电、热、燃气等）、微波辅助快速升温、高效连续炭化、太阳能集热应用等。未来需要综合考虑原料、设备、能耗等多因素来优化生产工艺过程，在降低活性炭制造成本的同时实现绿色低碳高效生产。
4.3研发活性炭智能环保自动化生产装备
当前活性炭生产设备整体向自动化、智能化、连续化、节能化和环保化方向发展。开发先进的活性炭生产装备可提高生产效率，降低人力成本，并保障产品性能的稳定性，从而降低制造成本和提升产品质量。建议重点开发自动上料设备、低能耗烘干设备、炭化活化一体化设备、活性炭表面处理和精准改性设备、活性炭清洁再生设备、全工段智能控制以及产品质量在线检测系统等活性炭智能环保生产新设备。
4.4创制活性炭高附加值功能新产品
市场需求是活性炭产业的发展动力，未来应大力开发各类活性炭功能新产品，提高产品附加值和扩展应用领域。活性炭在二氧化碳吸附捕集、氢能储存、电能储存等碳中和领域有很大的发展潜力。建议重点围绕特殊吸附性能专用活性炭新品种、高吸附指标活性炭、催化剂载体活性炭、活性炭家居装饰板材、多种环保粘合剂成型产品、清除胃肠道医疗用活性炭药品上、活性炭土壤改良剂、活性炭文化创意产品等进行创制和研发。此外，还要加快活性炭行业与其他延伸配套产业相融合，提高活性炭产品的工业影响力，进一步扩大下游市场对活性炭的需求，增强活性炭全产业链的发展动力。
4.5推进活性炭“双碳”战略发展规划和标准化研究
生物质活性炭具有很多优异的性能和不可替代性，目前还无其他产品能够完全代替，但缺乏系统的行业规划。应抢抓国家“双碳”战略机遇期，将活性炭积极纳入碳中和行动方案、标准体系、核算范围等。重点开展“碳中和”背景下活性炭产业的政策环境、市场供求、技术状况等研究，确立生物质活性炭总体发展战略，进行活性炭产量和供应结构预测，优化产业规模和发展布局，制定标准化体系，推动生物质活性炭产业不断发展壮大。同时，加快活性炭产业标准的研制和推广应用，与国际主要活性炭贸易国进行标准互认，为国内活性炭产业规模的发展壮大以及加快进入全球市场提供有利条件。
Part 5
结语
“碳达峰”、“碳中和”被纳入经济社会发展和生态文明建设整体布局，生物质活性炭产业应坚定不移走生态优先、绿色低碳的高质量发展道路，抓住国家扩大内需战略、构建“双循环”经济新格局和发展绿色低碳循环经济等重要机遇，加大生态环保新产品供给和发挥固碳减排作用，为助力碳中和、实现乡村振兴和林业产业转型升级等起到更大的积极推动作用。
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