中国竹炭生产和应用
2005-4-11 10:56:54
作者：张文标 叶良明 张宏 陈文照 （浙江林学院林产工业系，杭州临安，浙江遂昌文照炭制品厂）
摘要：
本文简述了竹炭生产的现状，竹炭的一些理化性质,竹炭及副产品——竹醋液的应用，竹醋液主要成分和分离精制方法，提出了竹炭生产的开发和研究方向。
关键词：竹炭；竹醋液；生产；应用
前 言
竹林是我国重要的森林资源之一，有“第二森林”之称。它生长周期短，成材快，更新易，再生能力强；一次造林，可永续经营利用。
二十世纪五十年代至九十年代，我国竹林面积年均增加3%，现有竹林面积达700万hm2，其中纯竹林400万hm2，原始高山竹丛300万hm2。全国400多万hm2纯竹林中，毛竹林有300万hm2，占70%左右，年产竹材约800-900万吨，竹林面积和竹材产量居世界第一[1]。
目前，我国竹材在传统利用方面常用来制作各种农具、家具、日用品、工艺品、工棚、脚手架等。
在工业利用方面：一是用于制浆造纸，二是将竹材制成各种竹质人造板，广泛用于车厢底板、地板、建筑模板、家具等方面[2]。但从总体上看，在竹材的加工中，由于竹材的实际利用率不到采伐量的1/3，大量的加工剩余物未能得到工业化利用，竹材加工的机械化程度不高及加工成本高等原因，现有的大部分竹材利用尚属粗放型经营，具有极大开发利用潜力。为了充分利用竹材及加工剩余物，提高产品的附加值，开拓新的市场，一种经济实用的方法是对竹材及加工剩余物进行热解而得到竹炭和副产品——竹醋液。加之国家实行天然林保护工程，限制了木炭产业的发展；而采用竹子烧制竹炭既能获得经济效益、生态效益和社会效益，又能促进竹类资源的产业化开发与提升。 1．竹炭生产的现状
竹炭是竹材热解得到的主要产品，在热解过程中还能够得到大量的副产品——竹醋液，它是水溶性的液体混合物。
1.1竹炭生产工艺
目前我国烧制竹炭的方法主要有两种，干馏热解法和土窑直接烧制法。 干馏热解法 其设备从目前看主要是外热式立式干馏釜，这种干馏釜在烧制竹炭时，即可使用预干至含水率为20-25%的竹材，也可使用未经预干的竹材。但以使用经预干的竹材为佳。由于在烧制过程中基本不存在竹炭氧化问题，因此竹炭得率较高，一般为25%左右，高者可达35%，烧制周期一般在48-72小时。但精炼温度提不高，影响竹炭密度；干馏釜容积小，竹炭产量低。如浙江省有些厂家采用这种立式干馏热解釜烧制竹炭。 土窑烧制法 它是采用燃料（木材）直接加热方式，即窑口由燃料燃烧产生的热量上升到窑顶后，向窑内扩散，其中大部分热气流流动在上层，有小部分热量向四周辐射，由上往下缓慢干燥并达到预炭化；燃烧窑内部分竹材使窑内温度继续升高，除去挥发性物质，此时窑内烟气循环流动，各点热量和温度基本均匀，完成炭化和精炼阶段，得到结构致密的竹炭。土窑烧制法通常有烟熏预干燥、干燥、预炭化、炭化、煅烧（精炼）、自然冷却等阶段。各个阶段有不同的温度，烟熏预干燥阶段为60-100℃，干燥阶段为100-150℃，预炭化阶段为150-270℃，炭化阶段为270-450℃，煅烧阶段为450℃至1000℃左右。从目前土窑烧炭的过程来看，和各阶段的温度和炭化速度是通过操作者“眼观鼻嗅”，一是观察烟囱及窑门出烟口烟的变化；二是通过闻烟味来确定。土窑用的鲜毛竹，一般在室外放置一周左右，在放入窑中进行烟熏预干燥，大约要一周左右，而自然冷却至窑口温度50-60℃时也需要一周左右，出窑一般也要2天左右，所以从装窑到出炭一般要25-30天，竹炭得率一般为20%左右，工艺合理，后期氧化燃烧的量少则得率含水量超过20%，否则会低于20%，甚至更低（因空气漏入或空气量进入过大）。用土窑烧制的土窑造价便宜，精炼温度高，竹炭密度大，但质量稳定性差，得率不高。如浙江省遂昌、衢州等竹炭厂家都采用这种土窑烧制竹炭。
1.2竹炭生产的产品
烧制竹炭的竹材一般用当地老龄竹（5年以上）和竹材加工剩余物。其产品的质量和产量近年不断上升。由于经验的积累和外销渠道的畅通，竹炭的质量和产量逐年上升。仅浙江省不完全统计，1999年竹炭产量约4000吨，2000年达5000吨，预计2001年将突破万吨，出口创汇愈亿元。目前，竹炭每吨售价在5000-10000元，竹醋液每吨5000-7000元，烧制6-7吨新竹材可热解成1吨竹炭和350-650Kg竹醋液，每吨竹材可增值3-4倍。
1.2.1竹炭产品的分类
目前，全国尚无统一的竹炭分类标准，生产上按精炼度，竹炭形状和导电性分为3种。
1.2.1.1按精炼度分
精炼度是日本木炭标准中用来测定木炭的炭化程度的一种方法，此项标准对指导生产与消费具有一定作用，常用精炼计来测定，它的原理是根据木炭电阻测定其炭化度，测定范围是100-108Ω，其指数0-8称为精炼度，109Ω以上的称精炼度为9。炭化度越高，电阻值越小，精炼度值越小[3]。一般炭化温度与精炼度有如下关系：精炼度 0 0-1 1-2 2-5 5-7 7-9 炭化温度(℃) 900以上800-900 700-800 600-700 500-600 400-500 目前竹炭炭化程度也参照木炭的精炼度来进行分等，精炼度高低与竹炭的挥发分、水分、灰分等因素有关。
1.2.1.2按竹炭形状分
按竹炭形状分，各类型炭的规格尺寸、特点和用途等列表如下。类型 规格尺寸 产品特点 筒炭 直径2-6cm，长5-15cm 长度不一、基本无裂痕 片炭 长5-15cm， 宽3-5cm 外型尺寸整齐、比重大 有钢音、无裂痕和破损 碎炭 2-10cm 外型大小不一颗粒炭 3-15mm，3-5mm 产品规格齐全，用破碎机加工筛选， 1-3mm 颗粒大小较均匀比重小，产品尺寸 <1mm 不完全相同，吸湿除臭性佳 粉末炭 直径100目-1 mm 颗粒细小，较均匀， 直径100目以下 吸湿和除臭性能极佳，尺寸不完全相同 直径200目
1.2.1.3 按导电性能分
竹炭导电性常与竹炭的密度、精炼度、含水率、灰分含量等因素有关，导电性较好的竹炭要求密度较大，精炼度高，含灰分少，电阻值较小。生产中常用电导率仪来粗略判定竹炭的导电性。按电阻值大小可分高中低三等。 2. 竹炭的物理化学性质
片炭含水率5.0-8.0%，颗粒炭含水率14.0-18.0%；固定炭含量85-88%；灰分含量2-4%；比表面积300-600m2/g；挥发分6-8%；干炭热值30000-33000kJ/kg；PH值8-9；气干密度0.800-1.320/cm3；吸收量180-190ml/g。
3．竹炭、竹醋液的应用
3．1竹炭应用
目前竹炭已开发了许多领域的用途。 ①燃料 竹炭作为烧烤野炊的燃料清洁而有情趣，它的比表面积是木炭的2倍多（木炭300m2/g，竹炭700m2/g），火力是木炭的3成多[4]。 ②水质净化 因竹炭是多孔性材料，具有很大的比表面积，有很强的吸附性，适合对河水和生活用水的净化。 ③居室调湿 将竹炭作为住宅居室床下的调湿剂可以遏制湿度上升和霉菌、微生物的繁衍，同时还可将竹炭放置于地板下替代原有的卫生球，也能起到防菌、调节湿度的功效。 ④吸附异味 可将炭放入冰箱中消除食品的腥味，保持食品新鲜不变质；放入米缸可防止彀虫的生成及保持米缸干燥确保米质；在橱窗、柜子和钢琴内部等处，可除湿、除霉、除臭，在汽车内用可消除异味；而在煮饭时将竹炭片放入可吸附白米所含的农药残留物，且能使米质变软而不粘；将竹炭放置在电脑、电视和微波炉等旁边，可遮挡电磁波辐射，从而有利于健康。 ⑤保健产品 利用竹炭的多孔结构和吸附特性，可用于汗水、发垢、口水及室内的湿气的吸附，并且释放出天然的香气，提高人的睡眠质量；用竹炭加工而成的健康炭枕还有镇痛的效果，因为竹炭辐射远红外线，能渗透血管，刺激身体各经络的穴道，改善身体器官与机能，如腰痛时将枕头放于腰部即可，目前已开发各种类型的炭枕头、床垫等床上用品和汽车坐垫。 ⑥鲜花水果保鲜 养花瓶中放入几片竹炭，能够延长鲜花的凋谢期；水果箱中放入几片竹炭，能起到一定的保鲜效果。 ⑦美容美肤 遂昌竹炭制品厂正在开发竹炭肥皂和香皂，能使皮肤增白清爽，且对皮肤病有一定的预防和治疗作用，还将开发牙刷、牙膏等日用品。
3．2竹醋液的应用
目前竹醋液已开发的使用领域有： ①熏制火腿和香肠 经澄清的竹醋液浸渍的火腿和香肠，再进行烟熏，火腿和香肠不易生虫，味道更鲜美。 ②除臭味 将竹醋液喷洒在卫生间等有恶臭的地方，能消除臭味，保持空气清新，喷洒一次能维持3-5天。夏天还可作为香水消除身上汗臭等气味，并使人感到凉爽。 ③清洗脚气 脚气经竹醋液清洗能起到止痒治愈功效，一般在竹醋液中浸泡半小时到1小时取出擦干即可。
4．竹醋液的组成和分离精制
4．1竹醋液的主要组成成分及含量
竹醋液是竹材炭化时所得到的液体产物，它是由许多不同的物质组成的，它们的产量随竹材的种类和质量以及炭化条件而不同。竹醋液不是有一定的混合物，而是随着它和空气及光的接触时间以及其他条件而不断变化的混合物。竹醋液的主要组分是水（占８０％以上），其次是酸类物质，主要是乙酸，占6%左右，还有甲酸，丁酸，甲醇，丙酮醇乙二醇， 醛等醛类物质，苯酚及2-6甲氧基苯酚、2-甲基苯酚、3-甲基苯酚，1，2-二苯酚，2-甲氧基-4-2乙基苯酚，2，6-甲基苯酚竹13种酚类物质。少量丙酮，三甲胺(（CH3）3N),吡啶（ C5H5）, 落叶松皮素（ C6H6O3）,及少量焦油含量。其混合液的PH值为2.20-3.01，比重约1.02左右。
4．2竹醋液的分离精制
从竹材热解得到红褐色的粗竹醋液，含有甲醇、苯酚、甲醛等物质。根据不同的用途要进行脱色及分离精制，以便适合不同的用途。
4.2.1 简易精制法
这是最简单的方法之一，利用简易装置进行竹醋液初步分离精制，具体方法及分类如下: 静置分离法---直接静置法和添加药品的静置法 吸附分离法----竹炭吸附法、活性炭吸附法 ①静置法 就是将接收来的原液放置一段时间以后，自然分为上下现层，上层为浅色，是澄清竹醋液（有要物的水溶）和沉淀竹焦油。 ② 用药品精制 用有机溶剂苯、氯矾按不同比例分别与竹醋液混合搅拌，静置后分为两层，将两层分离后取出溶液，经蒸馏取出溶剂并回收。 ③ 竹炭颗粒或粉末的精制法 按炭粒或粉末不同比例与竹醋液混合，搅拌后过滤，得到精制竹醋液。 ④ 用活性炭的精制法 用不定型颗粒炭、成型炭及粉末活性炭3种，按不同比例加入原竹醋液中，混合搅拌，静置后过滤，得到精制竹醋液。 采用静置法分离，有操作简单，成本低，主要成分没有变化等优点，但分离效果不佳；而采用吸附分离法，成本较高，有效成分（如醋酸）等部分被吸附，精制液接近无色。
4.2.2 蒸馏法
利用竹醋原液中各组分的沸点不同而进行分离的一种方法，常有简单蒸馏法和精馏蒸馏法两种。 ①简单蒸馏法 将待分离的混合物装入蒸馏釜内，加热和部分蒸发。由蒸馏釜放出的蒸气导入冷凝器中，由于冷却作用蒸汽在冷凝器中转变为液态，生成的蒸馏液流入收集器。此法投资少，能耗大，只能用于粗分混合物。 ②精馏法 利用蒸馏设备中生成的蒸汽和先前蒸出的蒸汽，局部冷凝所得的液体（回流液）相互作用的方法。同简单蒸馏法相比，投资大，但蒸汽的耗费量较低，分离程度高，产品质量好。
5．竹炭生产及产品的开发与研究
竹炭烧制和产品开发是一个新兴产业，尽管目前我国生产有一定的规模，实现了初步的产业化，但在生产工艺技术还需要进一步改进，以提高炭得率和品质；对产品进行深入研究，拓宽竹炭和竹醋液的应用领域，在医学和高科技领域有所突破；另外为了规范市场，提高产品的质量和档次，需要尽快制定相关的标准。
5．1 竹炭生产工艺完善
原料的选择，如竹材含水率、竹龄等确定；不同培育方式、不同竹龄的竹材对热解工艺与产品性能的影响；研究改进窑体方法；建立窑体温度自控系统；研制新型高效的竹炭窑；探讨增加热解产物及副产品得率的新途径。 5．2 产品研究和开发
为进一步推动我国竹业产业化的进程，开发竹炭产品的使用领域，必须加强基础研究，应用基础研究和应用开发研究。用电子显微镜和扫描的方法研究竹炭的超微结构；用质谱仪分析竹材热解产物；用中子激发技术进行竹炭的元素分析[5]；用液相色谱——红外光谱分析仪对竹醋液成分的定性定量分析。用先进的技术手段对竹炭、竹醋液进行系列研究，扩大竹炭、竹醋液的应用领域：进行土壤改良，提高农作物的产量，并可防治病虫害；利用竹炭能吸附由植物体内产生的乙烯气体，延缓果实的成熟和老化，有利于水果保鲜；研制开发竹炭复合板、炭纸等功能型材料；利用竹炭的电导率特性，开发新型半导体材料，应用于电子和航空技术领域；开展竹醋液在医药领域的应用研究，使竹醋液能应用于治疗糖尿病和湿疹等疾病。
5．3 标准制定
目前，我国规模化、机械化生产竹炭还处于起步阶段，为了进一步加强竹炭生产和管理，以利于竹炭的推广应用，稳定竹炭产品的质量，同时作为指导生产和交货依据，制定竹炭相关标准势在必行。
参考文献
1．周芳纯 著. 竹林培育和利用. 北京：中国林业出版社，1999，1~20.
2．张齐生 著. 中国竹材工业化利用. 北京林业出版社，1995，1~200.
3．贾明勋等. 木炭的精炼度. 吉林林业科技，1992，98（3），43~45.
4．吉田敏八. 开发竹炭新用途. 特产情报，1995，（4），37~39
5．钱慧娟. 国外木炭生产与科研动态. 世界林业研究，1991，（2），91~92
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