炭和活性炭的综合利用

将纤维原料在隔绝空气的条件下，加热分解可获得多种产品，其固体产品为木炭和活性炭。生产炭和活性炭是重要的森林资源综合利用的手段。在提倡环境保护的今天，其作用越来越重要。

1. 炭

1.1 制炭的原料

制炭的原料可用薪炭材和森林采伐和加工剩余物。为了制取硬质炭，多选用阔叶树材，以硬而重且彻底气干者为佳，心材比边材好，干材比废材好，单宁、树脂含量宜少。常用的树种有栎、柞、水青冈、槲类、洋槐、榉、榆、槠、槭、赤杨、桦木等。其中以麻栎属中的高山栎和乌冈栎为优。此外木屑、树皮、枝桠、梢头、刨花等废料，及山核桃、核桃、油桐和油茶的果壳等均可做原料制炭。

1.2 制炭的原理

木材及纤维原料炭化的基本条件有两个：一是隔绝空气，二是要加热。其热解一般经过干燥、预炭化、炭化、锻烧四个阶段。木材受热分解时，氧和氢元素以及部分的碳以水和其它化合物的形式馏出，随着温度的升高，残留物中氧和氢元素比例越来越小，而碳元素的比例逐渐增加，{zh1}残留物中碳元素占了大多数，形成了炭。木炭中碳元素的含量可超过90％，而这些剩余的碳，只有原料中碳含量的50％。制炭的方法有传统的筑窑烧炭法和现代的炉中烧炭法。

1.3炭的性质 

炭的外表颜色与热解时的温度有关，烧制温度为250℃时，其表面呈褐色；烧制温度为300～450℃时，其表面呈黑色；当烧制温度达700℃以上时，其表面不但显黑色，而且有黑色光泽，敲打时，发出响亮的金属响声。

炭的机械强度沿纵向较高，径向较低，而弦向{zd1}。当烧制的闭火温度相同时，木炭的强度随烧制时间的增加而增强。

炭的密度一般在0.35～0.5g/cm³之间。它会随原料的质量，品种，烧制时的闭火温度和温度的上升速度的不同而有所不同。一般说来，用密度大的硬木烧制的木炭，其密度也大。

炭有较大的比表面和较强的吸附能力，炭的表面积可达500m²/g。

炭具有可燃性，在空气中xx燃烧，可放出热量，生成CO₂，不xx燃烧可放出CO。白炭发热量约为3.27×10⁷J／kg，黑炭发热量约为2.72×10⁷J／kg，炭化温度越高，木炭含炭量越大，发热量也高。

炭的导电性，当闭火温度超过700℃时，烧制的炭原子发生了结构性变化，它产生了部分象石墨原子的六角形环平面层结构，故具有导电性；当炭化温度低于600℃时，木炭不具有导电性。炭具有还原性，可作还原剂。

1.4 炭的用途

炭的用途主要有以下几个方面。

1.4.1 用作能源

炭含挥发物质很少，在燃烧时发热量远远高于木材，并且烟味很少，没有明显的火焰，使用方便，因此广泛地作为燃料使用。日本作为家庭用燃料的炭占总耗量的70％，旅馆饮食业占15％，工业占10％，农业5％。我国许多地方炭主要用于冬季取暖和饮食业。

世界一些国家用炭烧烤食物盛行，而且用量越来越大。

    1.4.2 制造活性炭

炭的密度很小，孔隙度为75％左右（孔隙度为炭中孔隙的容积占炭总体积的百分比），因此炭经再加工后孔隙增多，形成比表面积很大、吸附性很强的活性炭。

1.4.3 制造二硫化碳

炭是制造二硫化碳的好原料。制造二硫化碳要求使用由阔叶树材烧制而成坚硬、密度大、灰分和水分少、碳素含量高的优质木炭。

工业上生产二硫化碳是在反应温度800－900℃，将硫磺蒸汽通过高温木炭层而制成的。

二硫化硫是良好的溶剂，它能溶解磷、硫、碘、生橡胶，各种油脂和树脂类物质，被广泛地应用于人造丝，xxxx和染料工业的生产中，也大量地用来防治各种虫害。

1.4.4 治金工业

黑色治金工业以木炭作为还原剂和燃料，用来冶炼铁矿石。用木炭冶炼的生铁较焦炭熔炼的生铁具有铸件紧密、没有裂纹等特点，此外用木炭生产的生铁，磷硫等杂质少，适用于生产优质钢。

木炭在铜及铜合金、铝合金、硅合金、铍青铜合金等生产中广泛地用作表面助熔剂。生产结晶硅也要使用木炭。生产结晶硅时电炉中需加入石英岩、木炭、石油焦炭。在高达2000℃的温度下，二氧化硅和一氧化硅同木炭反应生成硅。

1.4.5 农业生产

木炭能促进草、树木、农作物、禾苗等植物的生长。我国闽北山区曾在这方面进行尝试，在烧过炭的旧址种植杉木长势都比较好，如果种植农作物则可三年免施肥料而不影响收成。在海岸砂地植黑松，因风吹、沙摩、盐害、干旱、土质恶劣等原因，苗木死亡较多，当在造林穴内施锯屑炭，树木成活得很好，半年后砂中即有松露菌繁殖，三年后针叶浓绿，地被繁茂。如在碳中补入磷肥，树木长势更好。在大豆田每平方米放置木炭粉500～1500g，使之持肥，量为1％，可以使肥料的效果提高39倍。还有把木炭用于草莓、西红柿、香瓜的种植，产品甜味增加，外皮较硬，减少了在运输中的损失。在高尔夫球场撒上炭粉，草坪早发2～3周，而且绿色浓、根扎得好，使绿色延长一个月。

1.4.6 医药用途

炭的吸附性能，在医学上也被广泛利用。李时珍《本草纲目》中记载：石炭、白炭，有xx、止泻、治痢等功效。

2.竹炭

2.1 竹炭生产

竹炭是竹材热解的固体产物，它的生产技术包括材料选择、热解工艺、加工和保存等技术。目前竹炭产品已有10个系列100多个品种。有竹屑棒炭类、原竹炭类、日用品类、调湿类、除臭类、洗涤用品类、工艺品类、保健类、净化类和屏蔽类等。以竹炭为原料，进一步开发深度加工产品，如垫毯、坐垫、炭纸等。

2.1.1 材料选择 

炭用竹材应选用竹龄4年以上的竹子及其加工剩余物。竹子从上到下，其密度、腔壁结构、组成成分都有一定的差异；竹材的材性还受竹龄、立地条件、气候环境等因素的影响，因此要对原料进行分类，同时要控制竹材的含水率，以免影响竹炭质量。

2.1.2 热解工艺 

热解工艺决定了竹炭的品质，应结合窑体的实际情况，准确控制窑温，尤其是精炼温度。竹材热解和制炭一样，要经过干燥、预炭化、炭化、锻烧四个阶段，要控制好每个阶段的温度和时间。竹炭按生产过程的温度不同可分为低温炭、中温炭、高温炭。低温炭主要用于土壤改良，中温炭、高温炭用作吸附材料。

2.1.3 加工技术 

竹炭根据质量要求分批进行加工，在加工前应先抽检其精炼度，然后根据精炼度的不同分类加工成片炭、筒炭。作为颗粒炭和粉炭除按规格加工外，应特别注意杂质（如泥砂等）。如有些颗粒需经水洗，必须保证水源清洁，应达到国家一级饮用水的标准。

竹炭是多孔性物质，比表面积大，易吸湿和吸异味。竹炭贮存应选择干燥清洁的仓库，并根据出窑日期、精炼度的不同分类堆放。产品设计、包装、运输、销售等环节应遵循有关标准，建立完整的质量检测、控制及跟踪体系。

2.2竹炭的性质

竹炭炭质致密，密度大(0.6g/cm³左右)，分子呈六角形，质地坚硬，细密多孔，比表面积是木炭的两倍。竹炭具有超强的吸附能力，能自动调节湿度，对硫化物、甲醇、苯、酚等有害化学物质起到吸收、分解异味和消臭作用。其产生的负离子有穿透能力，能净化空气，改善空气品质。竹炭放射出的远红外线，能使物体产生微热，加快人体的血液循环，促进新陈代谢，改善人体内环境，xx疲劳。竹炭又具有良好的导电性，能有效阻隔电磁波辐射，并能缩小水分子集团使水柔软。竹炭还富含矿物质。

2.3竹炭的用途

竹炭是一种既传统而又现代的人造材料，用途极为广泛，除被用作燃料外，广泛应用于工业、农业、军事、电子、医药卫生、食品加工、环境保护、纺织等领域。另外可当燃料、制造活性炭等。

2.3.1 农、林业用途

在农、林业生产上可作为土壤的改良剂，果树、花卉等绿色植物的生长促进剂，饲料添加剂及保鲜剂等。

2.3.2 环保用途

在室内起到除臭、净化空气，屏蔽电磁波，调湿，防止地板发霉、腐烂，吸附空气中及冰箱中的异味等作用。室内xx甲醛的{zh0}办法是使用竹炭，{zh0}选择颗粒比较小的竹炭，颗粒越小吸附效果越好。竹炭使用方便，还不会产生二次污染的问题。

2.3.3水质净化

竹炭还可以作为水质净化的材料，用作饮用水净化及污水处理。在一升自来水中放入2-3片竹炭片（约60g）浸泡6小时或直接加热至沸腾后，竹炭能吸附自来水中的有害物质，矿物质溶于水中，产生富含xx矿物质的弱碱性甜美矿泉水，饮用后有利于身体健康，适用与泡咖啡、茶及制作日式酱汤。

2.3.4保健用品

用竹炭制作的日用保健品，主要有竹炭枕头、竹炭床垫、竹炭纤维被、竹炭凉席、竹炭衣柜包、竹炭眼罩、电脑手垫、竹炭护腰带、竹炭护膝、竹炭鞋垫、竹炭鞋塞、竹炭香皂和竹炭汽车坐垫等。还可以添加到美容、护肤用品及沐浴露中，提高护肤效果。

2.3.5 片炭的用途

烧饭时放入1～2片竹炭片（约30g），不仅能净化水质，还能分解出更多xx的钙、钠、镁、钾等矿物质成分，加上竹炭本身的多孔结构和释放远红外线，使米饭均匀受热，米饭松软可口，更加营养。

3. 活性炭

活性炭是由含碳材料制成的外观黑色、内部孔隙发达、比表面积大、吸附能力强的一类微晶质碳。

3.1 生产活性炭的原料

制取活性炭的原料很多，有木材、木炭、果壳、果核、植物加工废料（如水解木素、甘蔗渣等）、煤、石油、沥青以及其它含碳的工业原料，椰子和其它坚果壳是制取活性炭的{zh0}原料。

3.2活性炭的生产

活性炭是将含碳材料（如木质、煤质、石油沥青、石油焦炭、纤维炭），经粉碎、筛选后，放在炭化活化炉内进行高温催化或化学催化，使碳表面与内部生成大量的相互串通的小孔，形成纵横交错的蜂窝状结构，再经过酸洗或水洗、烘干而制成的。其生产方法有：①水蒸汽、气体活化法。利用水蒸气或二氧化碳在850℃～900℃将碳活化。②化学活化法。利用活化剂浸渍原料，经高温处理可得到活性炭。

活性炭的生产常用气体活化法。气体活化法是原料炭用水蒸汽、二氧化碳（如烟道气）或空气作为活化剂在高温下进行活化制造活性炭的方法。活化温度920℃～960℃,通过水蒸气等造成炭内部十分发达的孔隙。不同的原料生产的活性炭具有不同的孔径，其中以椰壳为原料的活性炭的孔径最小，木质活性炭的孔径一般较大，煤质活性炭的孔径介于两者之间。

3.3活性炭的种类

根据活化方法不同，活性炭分为化学炭（氯化锌法）和物理炭（水蒸汽法和闷烧法）。按原料种类，活性炭可分为植物原料炭、煤质炭、石油质炭、骨炭、血炭等。按活性炭的外观形状可分为粉状活性炭，不定型颗粒活性炭和成型颗粒活性炭。按用途不同分为糖用炭、药用炭、维尼纶多用炭、净水炭、脱硫炭等。

3.4活性炭的性质

活性炭的成份主要是炭，除此之外还有少量的氢、氮、氧。它是一种多孔径的炭化物，其细孔构造主要和活化方法及活化条件有关。活性炭的细孔有效半径一般为1～10 000nm,小孔半径在2nm以下；过渡孔半径为2～100nm；大孔半径为100～10 000nm。由于活性炭具有极丰富的微孔结构,所以有巨大的比表面积，其表面积达700～1700m²/g。因而具有良好的吸附特性，它的吸附作用藉物理及化学的吸咐力而成。其外观色泽呈黑色。

3.5 活性炭的用途

由于活性炭具有发达的孔隙结构，且多以小孔为主，因而具有很强的吸附能力。活性炭被广泛地应用在食品加工、制药、化学、治金、国防等工业部门以及环境保护等方面。活性炭能从溶液中的吸附色素和杂质，从空气和其它蒸汽、气体混合物中吸附气体和蒸汽，还可用作催化剂和催化剂载体，甚至直接用作xx疾病的xx等。

3.5.1 液相吸附方面的应用

一般在液相吸附中，应选用较多过渡孔径及平均孔径较大的活性炭。活性炭在液相吸附中的用途如下：

（1）制糖  如蔗糖、甜菜糖、葡萄糖、冰砂糖、饴糖、玉米糖、蜂蜜等的精制，除去色素、发色体、铁质、灰分、亲液胶体、生成胶体的菌类、减少蒸发时的泡沫，提高结晶速度。

（2）酒类加工  加速酒的酯化过程，除去醛类、酯类和产生气味的物质，防止浑浊。

（3）油脂类精制  用于花生油、大豆油、芝麻油、菜籽油、椰子油、蓖麻油、橄榄油的精制，除去色素、外来气味、皂类和黄粉等。

（4）制药工业  用于xx素、解热药、维生素、磺胺药、抗结核病药、辅酶A生物碱、xx、注射用针剂等的精制，除色素、杂质等。

（5）有机化学药品精制  用于酯类、酚类、腈类、柠檬酸、没食子酸、乳酸、酒石酸、甘油、醋酸、紫胶、谷氨酸等的精制，除去色素和杂质。

（6）无机化学药品精制  用于硼酸、磷酸、硫酸、硫化钾、硫代硫酸钠、硫酸铜、氯化铅、氯化钠、明矾等的精制，除去色素和杂质。

（7）冶金工业  用于精选铜矿，有色金属的提纯，回收金、银、钯等贵重金属。

（8）净化用水  活性炭在水处理中主要用于：① 污水源的净化。活性炭吸附水中有机物、颜色、臭味、油、苯酚等；② 有机工业废水处理。由于活性炭对水中的有机物具有突出的去除能力，对一些难以被生物降解的有机物更有独特的去除效果而被用于制革废水处理、造纸染料化工废水处理、焦化废水处理及其他有机废水处理中。用ACF（活性炭纤维）处理不同浓度的含酚有机废水不仅吸附速度快而且再生容易。③ 无机工业废水处理。活性炭对于废水中无机重金属离子具有一定的选择吸附能力。如颗粒状活性炭对于Ag+, Pd2⁺, Cd²⁺等离子的吸附去除率可达85%以上。对其他金属离子如锑、铋、锡、汞、钴、铅、镍、铁等均具有良好的吸附能力。④ 饮用水及微污染水净化领域。ACF对饮用水净化有特殊功能,载银的ACF具有很好的xx活性,可用来软化饮用水并除去水中的xx。

（9）其它用途  如净化液体燃料，作色层分析的吸附剂、净化合成漆，分离碘，用于人工肾，从血液中除去有毒物质等。

3.5.2气相吸附方面的应用

活性炭在气相吸附中的应用如下：

（1）回收溶剂和其它蒸汽  回收化工生产过程中使用的各种挥发散失的溶剂，以便回收利用，还可使车间中溶剂的浓度保持在爆炸极限以下，以保证操作安全。回收的溶剂主要有丙酮、苯、甲苯、二甲苯、石脑油、三氯甲烷、三氯乙烯、四氯乙烯、汽油、二硫化碳、乙醇、乙酸乙酯、乙醚、甲醇、异丙醇、甲乙酮等。

（2）气体净化  工业上用来净化有害气体，防止环境污染以及回收利用有用物质，如回收排出气体中的硫，制造硫酸；从城市煤气中回收苯，从天然气中回收汽油、丙烷、丁烷等。活性炭材料不仅对有机蒸汽有良好的吸附作用，对造成大气污染的几种主要气体，如工厂烟道排放的SO₂ 、汽车尾气排放的CO₂ 、NO₂ 、烃、醛类气体都能够吸附，因而活性炭还可制成干法脱硫装置及汽车尾气过滤装置。此外，活性炭还可吸附O₃ 、含氟气体、烟味、人体和仪器排放的多种异味，可制成空气净化器。

（3）防御毒气和有害气体  国防和民用工业中用活性炭装填各种防毒面具、生化防护服等，用来防御毒气和有害气体。利用活性炭浸渍化学药剂和纤维浆在一起制造防毒和防放射性纺织品。

（4）核工艺中应用  在核反应堆操作中用活性炭吸附混入保护气体中的氩和氮，也吸附漏入保护气体中的放射性氙和氪。活性炭还可作为原子反应堆厂房的应急通风系统的过滤器。排出的气体通过活性炭过滤后再排入大气中，以防污染。

（5）其它用途  在宇宙电讯中利用活性炭吸附干扰性气体，使电讯准确收送；将活性炭放入冰箱内，用来捕捉冰箱中有恶臭的化合物，可起到净化冰箱的作用；活性炭用于气体贮存，能增加气体的容量；净化食品工业中使用的二氧化碳；在真空技术中用来吸附扩散泵中的气体；测定空气和工业气体中的吸附物质的含量；用来制造比较安全的固体组合喷气燃料以及应用于香烟过滤嘴等。

3.5.3 活性炭作为催化剂和催化剂载体

活性炭重要用途之一是作催化剂载体和助催化剂，也可直接用作催化剂。活性炭在催化剂上的应用如下：

（1）异构化作用  用镍—炭催化剂使植物油（如棉籽油、亚麻油、菜籽油等）异构化，从非共轭的油变成共轭的形式。

（2）氢化、脱氢和脱氢芳构化，环化及异构化作用：用载钯或铂的活性炭作催化剂可起到这种催化作用。

（3）烯烃的低压聚合作用  用含镍、钴或它们的氧化物的活性炭作催化剂能使烯烃聚合。

（4）合成纤维  在维尼纶生产上用含醋酸锌的活性炭作催化剂，使乙炔和醋酸合成醋酸乙烯酯。

（5）松香再加工  用含钯的活性炭作催化剂生产岐化松香和氢化松香等。

（6）合成氯乙烯  用含二氯化汞的活性炭作催化剂，使乙炔和氯化氢合成氯乙烯。

在直接用活性炭作催化剂方面如：

（1）制造过氧化氢  用活性炭覆盖的多孔管作阴极，使从阴极上放出的氢同压入的氧作用生成过氧化氢。

（2）使硫化氢转化为元素硫  活性炭能吸附硫化氢并使氧化成元素硫，以除去气体中的硫化氢。

（3）水的脱氯作用  活性炭能起吸附和催化两种作用，从水中除去氯。

此外，由于活性炭的催化作用能使氯和一氧化碳反应生成光气；使二氧化硫和氯反应生成硫酰氯；使氯和氢反应生成氯化氢；使溴和水蒸汽反应生成氢溴酸；使硫酸亚铁氧化硫酸铁；以及作为三聚氯氰聚合物反应的催化剂载体。

3.5.4 活性炭的药用价值

活性炭除了在制药工业上用来脱色和净化除去杂质外，也直接用于制造外用药，如干的粉状炭包裹于绷带中可作包扎用品，用于烂疮，化浓性或坏疽的创伤；还可用来制造内服药，活性炭用来xx腹泻、胃肠胀气以及作为食物中毒时的xx药。

3.5.5 活性炭雕

活性炭雕产品全部由优质的活性炭制成，具有无能耗、无二次污染、长效净化空气的作用，经传统手工工艺雕刻，采用珍贵的xx硅颜料着色，具有高雅、时尚、个性的特点，是活性炭成型技术与传统雕刻工艺的xx结合，是一种既能清洁空气又能美化环境的多功能环保产品。它主要用于“室内空气污染”的治理，是适应市场文化及健康双重需求的时尚产品，活性炭雕可以大量吸附空气中的各种有毒气体（甲醛、苯及其同系物、一氧化碳、氨、氯、二氧化硫等）、烟雾、异味等，能有效净化空气，xx污染，有效调节室内湿度，维护人体健康，美化空间。

3.5.6 活性炭的其它用途

（1）农业上  活性炭能促进氮的生物固定作用，使有机氮更快地转化成氨或硝酸盐，调整土壤结构，提高土温，增加水容量，改善充气作用，调节植物对肥料的消费，此外，活性炭能吸收毒素和有害物质，xx农药对作物的毒害。

（2）用作防腐涂料  涂料中含有带氨的活性炭时，能保护钢铁的表面，防止锈蚀。对二氧化硫、硫化氢、水蒸汽等防腐蚀能力比氧化铅更大。

（3）制造锌空气电池和作为去极剂、填充剂  活性炭可以用来制造锌空气电池的电极。具有导电性的活性炭可用来代替二氧化锰，作为干电池的去极剂。也可作为干电池的填充剂。

（4）炭材料可用于制造飞机刹车片。

（5）白色活性炭逐步用于环保、日用品（如牙膏）、食品、化妆、美容、医药、装饰、家具艺术等领域。而可喝可吃的菊花炭也将走入人们的生活。