以农业废弃物为原料加工活性炭及前景分析

现代农业以大量化肥代替原有农家有机肥的使用，以人工饲料代替农业废弃物饲料的使用，加之现代农业集约化和规模化的发展，打破了传统农业中废弃物的循环利用环节，结果造成了农业废弃物的大量积累，进而产生了较为严重的环境问题和资源浪费问题。因此，农业废弃物资源的合理利用已日益成为当前世界大多数国家共同面临的问题。国内外实践表明，农业废弃物的资源化利用和无害化处理，是控制农业环境污染、改善农村环境、发展循环经济、实现农业可持续发展的有效途径。   2农业废弃物利用现状   农业废弃物(agriculturalresidue)是指在农业和林业生产与加工过程中产生的副产品、数量巨大、具有可再生、再生周期短、可生物降解、环境友好等诸多优点，是重要的生物质资源。主要有树皮、果壳、锯末、秸秆、蔗渣等。据有关资料，我国产生的农业废弃物按目前的沼气技术水平能转化成沼气3111.5亿m3，户均达1275.2m3，可解决农村能源短缺。以农作物秸秆为例，将目前的6.5亿吨秸秆转化为电能，按1kg秸秆产生电1千瓦时计算，就具有产生6.5亿千瓦时电能的潜力;作为肥料可提供氮大约2264.4万吨、磷459.1万吨、钾2715.7万吨;作为饲料，仅玉米秸秆就能提供1.9~2.2亿吨。然而，目前我国农业废弃物的利用率却很低乃至没有利用。因此，农业废弃物一方面成为最大的搁置资源之一，另一方面又成为巨大的污染源[6]。   从资源经济学的角度上看，农业废弃物本身就是某种物质和能量的载体，是一种特殊形态的农业资源，蕴含着丰富的能源和营养物质。目前，随着石油、煤炭等不可再生资源的日益短缺，越来越多的国家特别是发达国家已经把农业废弃物等可再生资源的转化利用列入社会经济可持续发展的重要战略，以农业废弃物等可再生资源为原料制备工业新产品的研究引起了世界各国的关注。在我国，随着经济的迅速发展，开发利用农业废弃物资源，逐步补充或替代化石资源，是关系到我国社会经济可持续发展的重大问题。   3农业废弃物制备活性炭及其改性   目前活性炭制备原料的使用也是由木屑和木片到煤和各种农林产品的充分利用。产品由单一品种向多品种发展:由低档活性炭向高档活性炭转变。农业废弃物制备活性炭的过程一般经过原料粉碎、压棒、炭化、活化、漂洗、烘干和活性炭粉碎等几个步骤。同时根据不同的需求可以在不同的步骤中进行表面物理结构的改性或表面化学性能的改性。   3.1表面物理结构的改性   活性炭材料吸附表面物理结构的改性是指在活性炭材料的制备过程中通过物理或者化学的方法来增加活性炭材料的比表面积、调节孔径及其分布，使活性炭材料的吸附表面结构发生改变，从而增加活性炭材料的物理吸附性能。常用的活化剂有碱金属、碱土金属的氢氧化物、无机盐类以及一些酸类，目前应用较多、较成熟的化学活化剂有KOH、NaOH、ZnCl2、CaCl2和H3PO4等[7-10]。   3.2表面化学性能的改性   活性炭材料表面化学组成的不同对活性炭材料的酸碱性、润湿性、吸附选择性、催化特性等产生影响。活性炭材料的吸附表面化学性能的改性是指通过一定的方法改善活性炭材料吸附表面的官能团及其周边氛围的构造，使其成为特定吸附过程中的活性点，从而可以控制其亲水/疏水性能以及与金属或金属氧化物的结合能力。活性炭材料吸附表面化学性质的改性可以通过表面氧化改性、表面还原改性以及负载金属改性等修饰。   3.2.1氧化改性   氧化改性主要是利用强氧化剂在适当的温度下对活性炭表面的官能团进行氧化处理，从而提高表面的含氧酸性基团(如羧基、酚羟基、酯基等)的含量，增强材料表面的极性和亲水性。常用的氧化剂主要有HNO3、HClO3和H2O2等。Tsutsumi[11]认为HNO3是最强的氧化剂，产生大量的酸性基团，HClO3的氧化性比较温和，可调整活性炭的表面酸性到适宜值。氧化后活性炭表面的几何形状变得更加均一。刘文宏等[12]使用浓HNO3分别在常温和沸腾状态下对活性炭进行改性，研究结果表明:活性炭经常温浓HNO3改性后，比表面积和孔容都明显提高，而经沸腾浓HNO3改性后，比表面积和孔容却明显减小，但2种改性方式都使活性炭表面产生更多的含氧基团。韩彬[13]等选择磷酸氢二铵为活化剂在不同的活化温度和预氧化条件下来制备活性炭。结果表明,在先浸泡后预氧化处理并在700℃下活化制得的样品的比表面积为1078.21m2/g,其得率和碘吸附值分别为39.75%和636mg/g。   3.2.2还原改性   表面还原改性是指通过还原剂在适当的温度下对活性炭材料表面官能团进行还原改性，从而提高含氧碱性基团的比含量，增强表面的非极性，这种活性炭材料对非极性物质具有更强的吸附性能。常用的还原剂有H2、N2、NaOH、KOH等。Menendez等[14]认为，活性炭的碱性主要是由于其无氧的Lewis碱，可以通过在还原性气体H2或N2等惰性气体下高温处理得到碱性基团含量较多的活性炭。Krisztinalaszlo等[15]研究了经N2处理的活性炭对溶液中苯酚和2，3，4-三氯苯酚的吸附，结果表明，当溶液pH为3时，吸附量最大，当溶液pH为11时，吸附量下降。Haghserssht等[16]研究发现，经H2和N2还原碱性活性炭对水溶液中p-甲酚、硝基苯和p-硝基苯酚的吸附，较未处理过的活性炭吸附量大。   3.2.3负载金属和金属氧化物改性   负载金属改性大都是利用活性炭对金属离子的还原性和吸附性，使金属离子先在其表面上吸附，再还原成单质或低价态的离子，并通过金属离子或金属对被吸附物的较强结合力，增加活性炭对被吸附物的吸附性能，其中代表性产品有载银活性炭，果壳载银炭。中南林业科技大学研究了利用农业废弃物棉秸秆为原料[17]，采用氯化锌活化法制取活性炭的工艺，以及制备过程中各种因素对活性炭吸附性能的影响，得出了适宜的工艺条件:氯化锌溶液浓度为40°Be′，固液比为1:2，400℃炭化180min，650℃活化60min。Garg等[18]采用浓硫酸在150℃下处理印度红木锯末24h，去除残余酸后制得活性炭吸附剂，与甲醛处理的锯末相比，这种吸附剂有更好的Cr(VI)去除能力。   4农业废弃物制备活性炭的应用   活性炭的应用已经有很长的历史。活性炭最初用于糖的脱色，后逐步扩大到生产和生活的各个行业，并不断地根据市场的需求开发出新的产品。农业废弃物制备的活性炭目前已应用于污水处理、水质净化、治理烟气等方面   5结语   活性炭具有吸、脱附速度快，可再生等优点，在环保领域日益显示出其主导地位，越来越受到人们的重视。但其制备和应用领域还有许多要改进和深入研究的问题。同时，随着人们对农业废弃物资源化利用的重视，如何将农业废弃物制备活性炭工艺进行工业化、规模化的发展将显得尤为重要。例如，如何降低活性炭生产成本、优化生产工艺，及针对不同的用途进行活性炭的表面改性，创造性地开发活性炭的新用途等。另外，如何设计制备出不同种类和不同用途的特效负载活性炭，将是未来活性炭研究的热点，也是拓宽活性炭应用范围的一个重要途径。加强对农业废弃物制备的活性炭及其吸附机理的系统研究，使之成为一种选择性好，吸附能力强，应用广泛的新型吸附材料。