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由生物質(zhì)制成的炭具有無(wú)煙、無(wú)味、熱值高等特點(diǎn)，可以直接施放到土壤中或作為炭基肥的原料使用，一方面改良土壤、增加肥力，另一方面利用其耐降解性質(zhì)，延長(zhǎng)碳在土壤中的封存時(shí)間，降低溫室效應(yīng)對(duì)全球氣候變化的負(fù)面影響。此外，生物炭是一種很好的吸附劑，具有較大的比表面積，其表面含有豐富的含氧活性功能團(tuán)，可凈化水質(zhì)，吸附土壤中一些常見(jiàn)的環(huán)境污染物如重金屬、農(nóng)藥等。因成本較低，已廣泛使用于化工、冶金、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。 目前，已有的生物炭生產(chǎn)系統(tǒng)都會(huì)至少存在下列問(wèn)題之一：①產(chǎn)能小，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)需求，如窯式爐、釜式、螺旋推進(jìn)爐等；②爐內(nèi)溫度難以控制，生物炭品質(zhì)難以保證，如豎流式爐等；③對(duì)原料要求高，應(yīng)用范圍受到限制，如回轉(zhuǎn)窯；④能耗大，生產(chǎn)成本高，存在環(huán)境污染（特別是焦油難處置）。針對(duì)以上問(wèn)題，東南大學(xué)將炭化過(guò)程產(chǎn)生的副產(chǎn)品（焦油和熱解氣）進(jìn)行燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔獠捎脙?nèi)外聯(lián)合加熱方式為生物質(zhì)炭化過(guò)程提供熱量，無(wú)焦油產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)連續(xù)式進(jìn)出料和能量梯級(jí)利用。目前已建成日處理秸稈量7噸和24噸的成套工程，日產(chǎn)生物炭約2.1噸和7.5噸。工程連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。 本技術(shù)已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利3件（授權(quán)2件），發(fā)表學(xué)術(shù)論文12篇，獲國(guó)家“973”、江蘇省環(huán)保廳科技項(xiàng)目支持。

由生物質(zhì)制成的炭具有無(wú)煙、無(wú)味、熱值高等特點(diǎn)，可以直接施放到土壤中或作為炭基肥的原料使用，一方面改良土壤、增加肥力，另一方面利用其耐降解性質(zhì)，延長(zhǎng)碳在土壤中的封存時(shí)間，降低溫室效應(yīng)對(duì)全球氣候變化的負(fù)面影響。此外，生物炭是一種很好的吸附劑，具有較大的比表面積，其表面含有豐富的含氧活性功能團(tuán)，可凈化水質(zhì)，吸附土壤中一些常見(jiàn)的環(huán)境污染物如重金屬、農(nóng)藥等。因成本較低，已廣泛使用于化工、冶金、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。 目前，已有的生物炭生產(chǎn)系統(tǒng)都會(huì)至少存在下列問(wèn)題之一：①產(chǎn)能小，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)需求，如窯式爐、釜式、螺旋推進(jìn)爐等；②爐內(nèi)溫度難以控制，生物炭品質(zhì)難以保證，如豎流式爐等；③對(duì)原料要求高，應(yīng)用范圍受到限制，如回轉(zhuǎn)窯；④能耗大，生產(chǎn)成本高，存在環(huán)境污染（特別是焦油難處置）。針對(duì)以上問(wèn)題，東南大學(xué)將炭化過(guò)程產(chǎn)生的副產(chǎn)品（焦油和熱解氣）進(jìn)行燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔獠捎脙?nèi)外聯(lián)合加熱方式為生物質(zhì)炭化過(guò)程提供熱量，無(wú)焦油產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)連續(xù)式進(jìn)出料和能量梯級(jí)利用。目前已建成日處理秸稈量7噸和24噸的成套工程，日產(chǎn)生物炭約2.1噸和7.5噸。工程連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

飲用水過(guò)程中預(yù)處理和深度處理通常是分別在飲用水常規(guī)處理工藝之前和以后，采 用適當(dāng)?shù)靥幚矸椒ǎ瑢⒊Ｒ?guī)處理工藝不能有效去除的污染物或消毒副產(chǎn)物的前體物加以 去除，以提高和保證飲用水質(zhì)。臭氧活性炭技術(shù)是目前飲用水處理中最為有效和經(jīng)濟(jì)的 處理工藝之一，臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，它對(duì)水體中病毒的滅活十分有效，將其作為飲用 水預(yù)處理技術(shù)，可氧化部分溶解性有機(jī)物和有效改善常規(guī)處理混凝效果。臭氧生物活性 炭采取先臭氧化后活性炭吸附，在活性炭吸附中又繼續(xù)氧化，這樣可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分 發(fā)揮活性炭吸附和臭氧氧化各自所長(zhǎng)，克服各自所短。通過(guò)該工藝，臭氧能使難氧化降 解的高分子有機(jī)物被氧化成易生物降解的低分子有機(jī)物，這不僅為炭柱降解有機(jī)物創(chuàng)造 了條件，也減輕了活性炭的吸附負(fù)荷。同時(shí)，臭氧氧化使水中有充足的溶解氧，反過(guò)來(lái) 又為好氧微生物的生命活動(dòng)提供了良好的條件。其中，生物活性炭是利用微生物去吸收 利用被活性炭吸附的污染物，客觀上起到了使活性炭再生的作用。通過(guò)長(zhǎng)期中試和生產(chǎn) 性試驗(yàn)證實(shí)：對(duì)于微污染黃浦江原水，經(jīng)處理后水質(zhì)達(dá)到了《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJ/T 206-2005）要求和即將頒布的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》要求。試驗(yàn)結(jié)果處理后主要水質(zhì) 指標(biāo)氨氮≤0.5mg/L，CODMn≤3.0mg/L，能將 Ames 致突變?cè)囼?yàn)陽(yáng)性的原水轉(zhuǎn)變?yōu)?Ames 致 突變?cè)囼?yàn)陰性的出廠水。

陳溫福院士團(tuán)隊(duì)孟軍教授課題組在生物炭-微生物協(xié)同治理抗生素污染方面取得新進(jìn)展

一、項(xiàng)目分類 顯著效益成果轉(zhuǎn)化 二、技術(shù)分析 在“秸稈生物質(zhì)炭土壤改良-炭基肥生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)”(中國(guó)石化行業(yè)協(xié)會(huì),2017)基礎(chǔ)上，發(fā)展秸稈專業(yè)化收集模式和移動(dòng)式就地炭化還田等配套模式，將鄉(xiāng)村秸稈、糞污和綠化廢棄物協(xié)同炭化處理并高值物質(zhì)提取利用，新開(kāi)發(fā)出炭基土壤健康調(diào)理劑和炭基營(yíng)養(yǎng)液體肥，構(gòu)成炭基復(fù)合肥、炭基融合肥、炭基摻混肥等類型的固體炭基肥，生物富硒葉面調(diào)理劑、炭基鐵鋅營(yíng)養(yǎng)肥、炭基液體復(fù)合肥等液體噴施肥，以及固碳、營(yíng)養(yǎng)和抗逆功能的炭基土壤調(diào)理劑拋撒肥等的生物質(zhì)炭產(chǎn)品系列，集成為農(nóng)產(chǎn)品綠色循環(huán)生產(chǎn)的”一炭三肥”（生物質(zhì)炭與炭基有機(jī)肥、炭基復(fù)合肥、炭基液體肥），形成“固碳改土、促生強(qiáng)根、營(yíng)養(yǎng)優(yōu)質(zhì)” 的健康生態(tài)農(nóng)業(yè)體系，通過(guò)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院、專家工作站和揭榜掛帥等形式，示范落地到合作社、肥料企業(yè)、村鎮(zhèn)政府，2020-2021年在南京溧水區(qū)、六合區(qū)的炭基健康水稻收到增產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的顯著成效，既可服務(wù)于碳中和農(nóng)業(yè)，又直接推進(jìn)鄉(xiāng)村振興。 主要技術(shù)特點(diǎn)： （1）生物質(zhì)無(wú)廢循環(huán)，熱解炭化養(yǎng)分循環(huán)率平均65%以上，有機(jī)碳循環(huán)率70%以上； （2）固碳減排：每噸生物質(zhì)平均固碳減排0.6噸CO2當(dāng)量； （3）每年增加土壤有機(jī)質(zhì)0.1 g/kg以上, 減少化肥10-15%； （4）增產(chǎn)5-25%，營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)提升10-20%； （5）炭基肥適合拋撒，炭基液體肥適合水肥一體化。

人類在發(fā)展過(guò)程中目前面臨能源危機(jī)和環(huán)境污染雙重壓力。在能源消費(fèi)方面，目前世界能源消耗91%的是一次性礦物燃料能源，但礦物燃料是有限的，不可能成為人類的永久性能源。因此尋找可替代化石能源的新能源是人類可持續(xù)發(fā)展的必由之路。 據(jù)估計(jì)，全世界每年由光合作用而固定的碳達(dá)2×1011 噸，含能量達(dá)3×1018 千焦，可開(kāi)發(fā)的能源約相當(dāng)于全世界每年耗能量的10 倍；生成的可利用干生物質(zhì)約為1700 億噸，而目前將其作為能源來(lái)利用的僅為13 億噸，約占其總產(chǎn)量的0.76％，生物質(zhì)資源開(kāi)發(fā)利用潛力巨大。據(jù)測(cè)算，我國(guó)擁有的生物質(zhì)能資源為50 億噸左右，是我國(guó)目前總能耗的4 倍左右[5]。生物質(zhì)資源雖然豐富，但由于保存和轉(zhuǎn)化的技術(shù)落后導(dǎo)致生物質(zhì)資源浪費(fèi)嚴(yán)重，如秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物在田間焚燒，林業(yè)產(chǎn)品加工產(chǎn)生的木屑、鋸末等被直接丟棄，食品加工的殼、皮等被當(dāng)作垃圾填埋，這不僅污染了環(huán)境，還造成了生物質(zhì)資源的巨大浪費(fèi) 利用生物質(zhì)制備炭材料，在能源領(lǐng)域利用可以直接作為燃料使用，可以避免生物質(zhì)原料本身能量密度低、體積龐大難于運(yùn)輸?shù)缺锥耍瑫r(shí)相對(duì)于燃煤可以減少硫排放，從而減少對(duì)環(huán)境的污染，但目前制造成本高，只有在特定的場(chǎng)合才使用，目前生物質(zhì)炭在能源方面主要作為高端的燃料電池正極材料。另一方面生物質(zhì)炭本身的多孔性致使它具有巨大的比表面積、發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)以及較好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，在環(huán)保領(lǐng)域?qū)χ亟饘倭己玫奈叫阅埽虼藢?duì)重金屬?gòu)U水處理及土壤恢復(fù)與改良具有巨大的應(yīng)用潛力[8-14]。 由于傳統(tǒng)工藝制造活性炭成本高，因此限制了其應(yīng)用范圍。如何最大限度降低制造成本是科研工作必須努力的方向。 生物質(zhì)炭的制備方法主要分為：熱分解法，微波炭化法，水熱炭化法。熱分解炭化法是目前制備生物質(zhì)炭的主要方法，熱分解制備生物質(zhì)炭是在隔絕空氣條件下生物質(zhì)的高溫裂解成炭，一般需要炭化與活化兩個(gè)過(guò)程且二者可分步或同步進(jìn)行。首先炭化過(guò)程是在300 –1000 0C下使生物質(zhì)中分子鏈中C-O、C-C鍵斷裂成炭，隨著溫度的升高, 生物質(zhì)炭的產(chǎn)量降低, 含碳量逐漸增加。活化的目的是利用氣體或化學(xué)物質(zhì)改變炭化料的內(nèi)部結(jié)構(gòu), 擴(kuò)大孔體積, 增加活性炭的吸附性能。物理活化采用如水蒸氣、空氣、CO2進(jìn)行活化；化學(xué)活化則采用化學(xué)物質(zhì)如NaOH，ZnCl2，KOH, K2CO3等在600~11000C下活化，得到活性生物質(zhì)炭產(chǎn)品。熱分解法的缺點(diǎn)在于反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，反應(yīng)耗能大，傳熱效率低和反應(yīng)原料加熱不均勻等。微波炭化法則是通過(guò)被加熱體內(nèi)部偶極分子的高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使分子間相互碰撞產(chǎn)生大量摩擦熱量，繼而使物料內(nèi)外部同時(shí)快速均勻升溫從而達(dá)到裂解及炭化的目的。微波加熱具有操作簡(jiǎn)單、升溫速率快、反應(yīng)效率高、可選擇性均勻加熱等優(yōu)點(diǎn)。生物質(zhì)通過(guò)微波炭化處理其活性炭得率較高(一般達(dá)到40%左右)且表面積大。但微波炭化的不足在于物料的反應(yīng)溫度不能精確控制，過(guò)量的微波輻射將對(duì)人體健康有損害且工業(yè)化放大過(guò)程比較困難。水熱炭化法是在一定溫度(一般200 ℃)和壓強(qiáng)（下將水熱反應(yīng)釜內(nèi)的生物質(zhì)( 碳水化合物、有機(jī)分子和廢棄生物質(zhì)等) 、催化劑和水進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物質(zhì)炭化的過(guò)程。水熱炭化一般制得的生物質(zhì)表面積小一般500m2/g以下，同時(shí)反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，因此生產(chǎn)成本較高。 總之制備生物質(zhì)炭材料具有豐富的原料來(lái)源，同時(shí)在能源及環(huán)境方面具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其在重金屬污染治理及土壤恢復(fù)及改良前景更為廣闊。但目前生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為炭流程長(zhǎng)，分解溫度高，造成生產(chǎn)成本高而致使生物質(zhì)的利用率低。如何更高效、成本更低廉實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的炭轉(zhuǎn)化，無(wú)論對(duì)于人類能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化及環(huán)境保護(hù)均有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本項(xiàng)目提出了一種酸催化裂解炭化生物質(zhì)原料的方法，采用酸催化直接將生物質(zhì)分解及炭化，并在低溫下(2000C左右)加速炭化及活化(6000C以下) 過(guò)程，吸收炭化及活化過(guò)程蒸發(fā)的酸及液態(tài)有機(jī)物，酸進(jìn)行循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)炭材料綠色制備。由此可以制備出生物質(zhì)炭材料比表面在1000m2/g以上，得率達(dá)到50%以上，從而降低生物質(zhì)炭的制造成本，拓寬其應(yīng)用范圍。二．技術(shù)路線酸催化生產(chǎn)技術(shù)路線見(jiàn)下圖，生物質(zhì)粉碎后，采用一定酸浸濕潤(rùn)，干燥后進(jìn)行炭化及活化，控制在4000C下炭化完全冷卻，炭化活化過(guò)程進(jìn)行酸回收并返回使用，炭化完全后冷卻，加粘結(jié)劑壓塊便得到生物質(zhì)炭。  圖1 酸催化制備生物質(zhì)炭工藝流程三．技術(shù)開(kāi)發(fā)內(nèi)容及指標(biāo)技術(shù)開(kāi)發(fā)內(nèi)容生物質(zhì)原料的篩選及酸種類的篩選溫度、時(shí)間工藝參數(shù)的優(yōu)化；粘結(jié)劑的選擇與添加工藝確定日處理1噸中試放大設(shè)備選擇與設(shè)計(jì)；技術(shù)指標(biāo)生物質(zhì)炭得率大于50%；生物質(zhì)炭的碳含量高于80%；生物質(zhì)炭燃燒后的灰分小于5%；生物質(zhì)炭材料比表面在1000m2/g以上。四．經(jīng)濟(jì)效益初步分析生物質(zhì)炭售價(jià)按3000元/噸計(jì)算，原材料及處理成本約1500元/噸；按年生產(chǎn)1萬(wàn)噸計(jì)算，年效益為=（3000-1500）x10000=1500萬(wàn)元。 本項(xiàng)目作為生物質(zhì)炭新工藝相對(duì)于傳統(tǒng)工藝，大幅度提高了生物質(zhì)炭的轉(zhuǎn)化效率及降低了生產(chǎn)成本，因此經(jīng)濟(jì)效益非常顯著，如果作為活性炭使用效益更加顯著。同時(shí)具有很好的推廣前景。

利用農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈生產(chǎn)生物炭，返施農(nóng)田，并輔助其它技術(shù)， 可以達(dá)到固定重金屬污染農(nóng)田，在微污染農(nóng)田中生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，挽 救因重金屬污染造成的農(nóng)田損失；同時(shí)可以減少化肥施用量，達(dá)到減 施以保護(hù)地表環(huán)境免受富營(yíng)養(yǎng)化污染。目前重金屬造成農(nóng)田的污染修 復(fù)以及化肥減施大部分屬于國(guó)家公益項(xiàng)目。 農(nóng)田重金屬固定技術(shù)已經(jīng)在天津東麗區(qū)區(qū)示范運(yùn)行 3 年，運(yùn)行效 果好，蔬菜重金屬達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，增加農(nóng)作物產(chǎn)量，減少化肥施用，因此， 廣受農(nóng)民歡迎。

利用農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈生產(chǎn)生物炭，返施農(nóng)田，并輔助其它技術(shù)，可以達(dá)到固定重金屬污染農(nóng)田，在微污染農(nóng)田中生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，挽救因重金屬污染造成的農(nóng)田損失；同時(shí)可以減少化肥施用量，達(dá)到減施以保護(hù)地表環(huán)境免受富營(yíng)養(yǎng)化污染。目前重金屬造成農(nóng)田的污染修復(fù)以及化肥減施大部分屬于國(guó)家公益項(xiàng)目。 農(nóng)田重金屬固定技術(shù)已經(jīng)在天津東麗區(qū)區(qū)示范運(yùn)行 3 年，運(yùn)行效果好，蔬菜重金屬達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，增加農(nóng)作物產(chǎn)量，減少化肥施用，因此，廣受農(nóng)民歡迎。

活性炭作為一種多孔材料，由于其具有發(fā)達(dá)的孔徑結(jié)構(gòu)和豐富的表面官能 團(tuán)，所以廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)部門和人們的日常生活。活性炭不僅可用于液相 脫色，上下水凈化，氣相吸附，溶劑回收，空氣凈化；還可用于催化劑的合成， 作為貴金屬催化劑的載體。尋求新原料制備高性能的活性炭具有重要的意義。 濕地植物在冬季出現(xiàn)枯萎的現(xiàn)象，若不及時(shí)收割，會(huì)導(dǎo)致基質(zhì)阻塞和腐爛 等問(wèn)題。當(dāng)前濕地植物秸稈大多通過(guò)焚燒和填埋的方式進(jìn)行處理，利用率低且 污染環(huán)境。本項(xiàng)目技術(shù)在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，濕地植物秸稈具有孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、碳 含量高等特點(diǎn)，故采用濕地植物秸稈作為生產(chǎn)活性炭的原料，既能解決濕地植 物秸稈利用率低、污染環(huán)境的問(wèn)題，又能降低活性炭的生產(chǎn)成本，廢物利用。 本技術(shù)采用新型的改性方法和活化方法：首先，采用表面改性的方法來(lái)提 升活性炭的吸附性能；其次，采用原位改性的方法，節(jié)約成本，簡(jiǎn)化工藝，提 升活性炭性能；再次，使用新型活化劑，實(shí)現(xiàn)一步法直接活化生產(chǎn)目標(biāo)活性炭， 使其具有特定孔徑結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)。 本項(xiàng)目技術(shù)制備出的新型活性炭，比表面積高，表面官能團(tuán)豐富，對(duì)重金 屬、有毒有害有機(jī)污染物具有高效的吸附性能。以植物生物質(zhì)為原料制備活性 炭，過(guò)程簡(jiǎn)單，速度快，制備成本低，產(chǎn)品性能優(yōu)異，具有良好的實(shí)用性能。

本發(fā)明公開(kāi)了一種利用餐廚垃圾制備生物炭的方法，將餐廚垃圾晾曬至含水率降到10%以下后粉碎的顆粒投入碳化爐內(nèi)，通入氮?dú)饧訜幔?-10℃/min升溫至200～300℃恒溫30～60min；以5～20℃/min升溫至350～500℃恒溫1～4h；然后在缺氧條件下降溫至80℃出料；粉碎后過(guò)100目篩獲得生物炭。本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，制備出的生物炭比表面積大，應(yīng)用于農(nóng)田可改良土壤的性質(zhì)，提高土壤肥力，節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，修復(fù)受污染土壤；減少了餐廚垃圾對(duì)環(huán)境的污染，為餐廚垃圾處置提供一條新的途徑，引領(lǐng)餐廚垃圾產(chǎn)業(yè)向低碳、可持續(xù)健康發(fā)展，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。