文 献 综 述

引言

这几年，在国家”去产能”政策实施的大背景下，很多企业和民众都在迫切寻求高效、环保并且可持续的能源利用方式。生物质能作为地球上储量最丰富的能源之一，具有品种多样，取用方便，研究方向广泛且可再生的特点，受到广大科研工作者的喜爱。而其中，发展较早的生物质热解技术作为生物质能利用技术中最具潜力的热化学转换方法之一^[1]，一直是大家研究的重点和热点。生物质热解的概念是生物质在完全缺氧的环境下，生成液体、气体、固体三种产物的热降解过程。热解焦炭不但是优质的燃料，同时也是活性炭或电极材料等具有高附加值产品的原料^[2]。其中水热碳化法就是用生物质为原材料，水为反应媒介，凭借简单地操作，温和地反应条件，成为一种优于其他技术的绿色、可持续的产碳方式，且具有高产碳率、低成本的特点，是将来制备新型碳材料的理想方法。其次，如今全球废弃生物质产生量十分庞大，传统的垃圾处理方式如填埋、焚烧等已无法处理。畜禽的粪便等废弃物的处理更为突出，中国农村里一直以来都存在囤积并影响生活环境的情况；在一些大中城市的城镇郊区，为城市供应蛋，奶，肉等食品的大型养殖场因为资金和技术原因基本上对畜禽废弃物不做相关处理，成为了城市污染源之一，严重影响了市民的健康生活^[3]。当前国际上对畜禽粪便的处理主要分为无害化处理和资源化利用两个方面^[4]。综上所述，加大力度深入研究水热碳化技术来将转换废弃生物质转化成焦炭已经迫在眉睫。本文对畜禽废弃物水热碳化法^[3]生成焦炭的过程进行介绍并着重讲解热解过程及其特性研究方法。

1. 畜禽废弃物的介绍

畜禽废弃物主要有畜禽粪便、畜禽舍垫料、废饲料、皮毛羽、骨骼及血液等废物。目前除了大量的粪尿与污水外，其他各种废弃物基本上已经被各种畜产品加工厂收集、处理、加工和利用，制成皮革、油脂、肥料、羽绒制品，从而取得很大的经济效益^[5-6]。但其实粪尿和污水中也是存在丰富的有机物和氮、磷,钾等元素，如果能得到合理利用，不仅能获得更多的收益，还大大减少废弃物的囤积，真正做到可持续发展，而眼下水热碳化技术正可以达成这一目的。

2 生物质水热碳化技术的介绍

生物质的水热碳化是这样的过程：在温度为150～350℃、压力为1400～27600kPa的环境下，封闭反应容器中生物质与作为反应介质的水溶液通过加热反应1小时以上，使自己发生溶解和碳化，实际上也是一系列脱氧和脱羧的化学反应过程^[7]。生物质水热碳化技术从20世纪发展至今，已经形成了一些比较理想的制备方法。”多步水热碳化”、”活化水热碳化”、”合成碳微球水热炭化”就是目前全球最广泛使用的三种方法^[7]。

3. 生物质水热焦炭的简介

3.1 生物质水热焦炭的基本概念

生物质水热焦炭^[7]即是生物质水热碳化的固体产物，可以谓之为生物质炭，具有纳米微球体、绳状或多孔等独特的形态^[8]。有些科研者把水热炭定义为一种凭借生物质或它的组分为原料，以水为溶剂和反应介质，在150-375℃和自生压力下，经水热反应得到的以碳为主体，具有丰富含氧官能团，高热值（HHV）的黑色固体产物^[9]。它具有难熔、稳定、高度芳香化、富含碳素等特点。在微观上，生物质水热焦炭一般情况下以球形且多孔的炭微球的形式存在，成为水热炭球，可以通过实验设备，用葡萄糖、果糖、纤维素、半纤维素、木质素或富含这些物质的生物质溶液来直接制备出来，方便仔细观察和深入研究^[9-11]。水热温度可以控制有机聚合物的降解、挥发性组分的释放、间体化合物的形成和转化，由此见得它是影响水热碳的物理和化学性质的主要参数。