木炭业产品开发及利用_特色炭和功能炭

木炭业产品开发及利用(Ò)

)))特色炭和功能炭李欣宁 张少莉 李裕国

(黑龙江省森林资源管理局)

1 前言

伴随着环境意识的增强和社会需求的多样化,木炭业产品的开发利用扩展到许多领域。例如,在水质净化、土壤改良、污染物吸附、吸湿、电磁辐射阻隔、食品加工、农作物生长促进、特用燃料制备及医药品、化妆品、沐浴品、除臭剂、除虫剂、饲料添加剂等的生产方面,木炭(木质热处理材料)都有可能派上用场。因此说,当今木炭产品不再单指传统品种)))黑炭而言,而是种类和功能多样化的局面。现分别特色和功能两个侧面略述其中的一部分。2 特色炭

211 白炭

白炭因其外观泛白色而得名。它与黑炭在烧制方式上有所区别。一是白炭烧制温度大大高于黑炭。二是白炭采用熄炭粉(由灰、炭粉、适量水分组成)熄火,黑炭则采用炭窑密封方式熄火。由于烧制方法的不同,白炭和黑炭的特性存在很大差异。例如,白炭不易点燃,但耐烧且火力易于调整,往往选作烧烤店用燃料。白炭多孔隙,吸附性极强,除充作燃料外,有着广泛的用途。黑炭容易点燃且可以迅速进入高温状态,主要用作休闲娱乐燃料。除以上特性外,白炭和黑炭尚有以下不同(据备长炭博物馆)。

(1)炭质:在炭窑的不同部位,白炭炭质均一,黑炭不尽一致。

(2)碳含有率:白炭为95%,黑炭为89%。

(3)发热量:白炭为8070cal,黑炭为7770cal。(4)硬度:以铅为1计,白炭在15b以上,黑炭为7b。

(5)密度(比重):以白炭为高,黑炭为低。(6)精炼度:白炭为1,黑炭为4~5。(7)内表面积:白炭约230m2/g,黑炭约300m2/g。

(8)官能团(炭表面):白炭为盐基性、黑炭为酸性。

(9)对水的反应:白炭为亲水性(吸水),黑炭为疏水(不沾水)性。

(10)灰分(无机物)在水中的溶解性:白炭高,黑炭低。

(11)表面pH值:白炭为碱性,黑炭为微酸性。

(12)炭体溶出成分的pH值:白炭高,黑炭低。

(13)气体(甲烷等)吸附力:白炭多,黑炭少。

(14)水汽吸附力:白炭有效(除湿用),黑炭无效。

(15)碘的吸附量(小分子的吸附性能):白炭0189g/g,黑炭012g/g。

(16)水分吸附力:白炭10%,黑炭7%~8%。

(17)挥发成分的吸附力:白炭5%,黑炭7%~9%。212 陶质炭

陶质炭属于粉炭类产品。说到粉炭,一般讲,白炭粉炭粒径在215cm以下,黑炭粉炭粒径在3cm以上。粉炭主要用于土壤改良、融雪、建筑物调湿。粉炭功能的关键在于它的吸附性。# 52 # 林 业 勘 查 设 计(总121期) 2002年第1期

首先,讨论陶质炭的特点。陶质炭作为粉炭,最大的特点是炭粒表面包覆一层陶质物质。具体讲,陶质炭是木片等原材料与粘结剂混合炭化而成的粉炭。其产生过程在炭化炉内连续完成的。由于有陶质材料包覆,难以微粉化,但便于使用和管理,虽说是木炭,可具有难燃性。

陶质炭炭化温度比一般粉炭要高。由于高温,产品对气体和湿气的吸收能力很强。陶质炭的原料可以是间伐材和风倒木等的削片,食用菌废木段和废菌床等废弃木质材料,稻壳和酒糟等有待利用有机物质。

陶质炭也使用炭窑烧制,只是结构很简单。当把原材料和粘结剂混合投入旋转炉后,干燥、炭化、冷却过程将连续完成。炉内温度分别干燥、炭化、冷却阶段设定。大体为干燥和冷却阶段温度较低,炭化阶段呈高温状态。同时,按原材料在炉内移送的相反方向输送空气,以造成空气介质的环境。

一般来说,在上述炉体结构中,当原材料与氧接触就会燃烧,造成灰化结局。然而,在陶质炭生产模式中,炭化引起的热熔粘接剂包覆在原材料表面,从而阻隔了氧气,使之外气吹来也不会灰化。此外,这种炭化模式也会使成本降低。

陶质炭的形状有粉末状、球状或圆柱状等。作为特种炭,可以用于调湿、除臭、土壤改良,炊饮用材等。3 功能炭

为便于叙述,笔者以功能炭为标题继续讨论木炭业的产品。本文所说的功能主要指环境净化功能。311 木质净化用炭

木炭水质净化功能表现在过滤功能、吸附功能和微生物分解功能上。实践得知,低温条件下的炭化木材残留有木素和焦油,挥发成分也较多,不仅难以净化水质,反而会污染水质。因此水质净化用炭的炭化温度要高些。应该作为专用炭,按规定的温度区间去处理。一般说,木炭的水质净化功能很强,净化水非常清澈,但往往随着木炭投放时间的推近,出现木炭孔隙堵塞问题。

木材吸附能力和特点除决定于炭化温度,还与树种、烧制方法有关系。一些技术指标需要加以控制。例如木炭表面积比、细孔径及容积、炭化(程)度、木炭渍水pH值等。另外,木炭的粒度要处理好,并对木炭净化水质的适用范围和对象加以明确。实践表明,净水槽的作用和功效是肯定的。净水材料的合理搭配也很有效。例如,可以将枯木、石砾、特殊织物与木炭配套使用,据说效果很好。

鉴于水质净化是一个很重要的课题,容笔者专文综述。

312 吸附有毒气体的木质材料

热处理在提高废弃木材附加值且因不使用药剂而较少污染环境方面不愧为一种有用技术。木材在热处理的条件下,化学结构和物理性质会发生有益变化。例如,可以形成活性官能团和疏水(不沾水)性。利用这一反应可以开发出相应产品。现以一种吸附盐基性气体的木质材料为例作以叙述。

所谓盐基性气体系指氨和胺类等气体而言,是厕所、生活垃圾、宠物、畜舍等散发出的恶臭气体的主要成分。

众所周知,木材热处理制作吸附剂是木材综合利用方法的一种。木材在惰性介质下经高温处理可以形成大量的微小孔隙。这种木炭的孔隙可以吸附恶臭等化学物质。此外,木炭也可以阻隔电磁波并具有导电性等性质。然而,这些性质并非同一类吸附材料所完全具备,而决定于热处理的条件。也就是说,处理温度、时间、介质的合理控制成为热处理开发木质新材料的关键。

经不同条件下的热处理及对处理后的化学性质和物理性质等的调查,发现在空气介质下低温热处理的木炭见不到微小空隙,而是生成大量的活性官能团(羟基、内脂等)。这种热处理木质材料在化学性质上也表现出2002年第1期 林 业 勘 查 设 计(总121期) # 53 #

吸附能力。通过对吸附能力的评价,认定对氨、胺等气体的吸附能力超过活性炭。现举一例,以做佐证。实验者利用冷杉木材、冷杉热处理材料(低温加热并在空气介质下)、活性炭分别进行氨吸附率的调查。实验30分钟后,冷杉材置放空间的氨残留率为80%,冷杉热处理材料置放空间的氨残留率不超过1%,活性炭置放空间的氨残留率为6%。60分钟后,三者的氨残留率分别为78%、0%、3%。

如前所述,热处理制成的吸附剂不存在使用药物处理的问题,除环境净化能力强以外,在废弃时也很容易处理。无论是废物利用还是再生利用或埋藏或燃烧处理都很安全,与环境很容易协调。313 木质吸油材料

按照环境保护要求,注入河流湖泊或从工厂及家庭排出的油污需要清除。自然对有效的吸油材料提出了需求。由于是吸附浮游于水体中的油污,吸油材料最好是吸附的油

量要大,而吸水量要小。从水体本身来看,油吸附材料应该也是水质净化材料。

在试制调湿用炭的过程中,发现经低温处理获得的炭化物几乎不吸收湿气。进一步的研究,搞清楚了疏水(不沾水)性热处理的条件要求。在一系列的实验基础上,所谓吸油不吸水的热处理木质材料研制成功。

吸油试验表明,灯油、轻油、重油等只需数秒钟即被吸附;色拉油、豆油、芝麻油等也只不过需要一分钟时间。为了投入实际应用,可以将木质吸油材料装入一定尺寸规格的聚丙烯粘胶纤维袋中,制成油吸附垫。必要时,吸附垫可以联成网放置于河中围成挡油堤(油围栏)。4 结语

从木质材料经热处理获得环境净化等功能和提高木材综合利用率及其附加值考虑,木炭业产品开发利用可能是有意义的,今后应加强这方面的工作。

收稿日期 2002-01-06

[编后]

木炭业产品开发及利用是一项极富经济价值的研究技术,本刊现已刊出两期并将继续以系列的形式对有关该技术做更深层次的研究。待全部系列文献刊发后,将形成一个完整的材料,作为一项研究成果鉴定,并迅速转化为生产力,旨在填补此项研究空白。

相关的技术研究也在开发之中,我们圈列了一个名录并刊出,望有需要这方面技术的单位和个人与本刊编辑部联系、咨询。

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