以農(nóng)業(yè)廢棄物為原料加工活性炭及前景分析

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)以大量化肥代替原有農(nóng)家有機肥的使用，以人工飼料代替農(nóng)業(yè)廢棄物飼料的使用，加之現(xiàn)代農(nóng)業(yè)集約化和規(guī)模化的發(fā)展，打破了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中廢棄物的循環(huán)利用環(huán)節(jié)，結(jié)果造成了農(nóng)業(yè)廢棄物的大量積累，進而產(chǎn)生了較為嚴重的環(huán)境問題和資源浪費問題。因此，農(nóng)業(yè)廢棄物資源的合理利用已日益成為當前世界大多數(shù)國家共同面臨的問題。國內(nèi)外實踐表明，農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用和無害化處理，是控制農(nóng)業(yè)環(huán)境污染、改善農(nóng)村環(huán)境、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。   2農(nóng)業(yè)廢棄物利用現(xiàn)狀   農(nóng)業(yè)廢棄物(agriculturalresidue)是指在農(nóng)業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)與加工過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品、數(shù)量巨大、具有可再生、再生周期短、可生物降解、環(huán)境友好等諸多優(yōu)點，是重要的生物質(zhì)資源。主要有樹皮、果殼、鋸末、秸稈、蔗渣等。據(jù)有關(guān)資料，我國產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)廢棄物按目前的沼氣技術(shù)水平能轉(zhuǎn)化成沼氣3111.5億m3，戶均達1275.2m3，可解決農(nóng)村能源短缺。以農(nóng)作物秸稈為例，將目前的6.5億噸秸稈轉(zhuǎn)化為電能，按1kg秸稈產(chǎn)生電1千瓦時計算，就具有產(chǎn)生6.5億千瓦時電能的潛力;作為肥料可提供氮大約2264.4萬噸、磷459.1萬噸、鉀2715.7萬噸;作為飼料，僅玉米秸稈就能提供1.9~2.2億噸。然而，目前我國農(nóng)業(yè)廢棄物的利用率卻很低乃至沒有利用。因此，農(nóng)業(yè)廢棄物一方面成為最大的擱置資源之一，另一方面又成為巨大的污染源[6]。   從資源經(jīng)濟學的角度上看，農(nóng)業(yè)廢棄物本身就是某種物質(zhì)和能量的載體，是一種特殊形態(tài)的農(nóng)業(yè)資源，蘊含著豐富的能源和營養(yǎng)物質(zhì)。目前，隨著石油、煤炭等不可再生資源的日益短缺，越來越多的國家特別是發(fā)達國家已經(jīng)把農(nóng)業(yè)廢棄物等可再生資源的轉(zhuǎn)化利用列入社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略，以農(nóng)業(yè)廢棄物等可再生資源為原料制備工業(yè)新產(chǎn)品的研究引起了世界各國的關(guān)注。在我國，隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，開發(fā)利用農(nóng)業(yè)廢棄物資源，逐步補充或替代化石資源，是關(guān)系到我國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重大問題。   3農(nóng)業(yè)廢棄物制備活性炭及其改性   目前活性炭制備原料的使用也是由木屑和木片到煤和各種農(nóng)林產(chǎn)品的充分利用。產(chǎn)品由單一品種向多品種發(fā)展:由低檔活性炭向高檔活性炭轉(zhuǎn)變。農(nóng)業(yè)廢棄物制備活性炭的過程一般經(jīng)過原料粉碎、壓棒、炭化、活化、漂洗、烘干和活性炭粉碎等幾個步驟。同時根據(jù)不同的需求可以在不同的步驟中進行表面物理結(jié)構(gòu)的改性或表面化學性能的改性。   3.1表面物理結(jié)構(gòu)的改性   活性炭材料吸附表面物理結(jié)構(gòu)的改性是指在活性炭材料的制備過程中通過物理或者化學的方法來增加活性炭材料的比表面積、調(diào)節(jié)孔徑及其分布，使活性炭材料的吸附表面結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而增加活性炭材料的物理吸附性能。常用的活化劑有堿金屬、堿土金屬的氫氧化物、無機鹽類以及一些酸類，目前應用較多、較成熟的化學活化劑有KOH、NaOH、ZnCl2、CaCl2和H3PO4等[7-10]。   3.2表面化學性能的改性   活性炭材料表面化學組成的不同對活性炭材料的酸堿性、潤濕性、吸附選擇性、催化特性等產(chǎn)生影響。活性炭材料的吸附表面化學性能的改性是指通過一定的方法改善活性炭材料吸附表面的官能團及其周邊氛圍的構(gòu)造，使其成為特定吸附過程中的活性點，從而可以控制其親水/疏水性能以及與金屬或金屬氧化物的結(jié)合能力。活性炭材料吸附表面化學性質(zhì)的改性可以通過表面氧化改性、表面還原改性以及負載金屬改性等修飾。   3.2.1氧化改性   氧化改性主要是利用強氧化劑在適當?shù)臏囟认聦�活性炭表面的官能團進行氧化處理，從而提高表面的含氧酸性基團(如羧基、酚羥基、酯基等)的含量，增強材料表面的極性和親水性。常用的氧化劑主要有HNO3、HClO3和H2O2等。Tsutsumi[11]認為HNO3是最強的氧化劑，產(chǎn)生大量的酸性基團，HClO3的氧化性比較溫和，可調(diào)整活性炭的表面酸性到適宜值。氧化后活性炭表面的幾何形狀變得更加均一。劉文宏等[12]使用濃HNO3分別在常溫和沸騰狀態(tài)下對活性炭進行改性，研究結(jié)果表明:活性炭經(jīng)常溫濃HNO3改性后，比表面積和孔容都明顯提高，而經(jīng)沸騰濃HNO3改性后，比表面積和孔容卻明顯減小，但2種改性方式都使活性炭表面產(chǎn)生更多的含氧基團。韓彬[13]等選擇磷酸氫二銨為活化劑在不同的活化溫度和預氧化條件下來制備活性炭。結(jié)果表明,在先浸泡后預氧化處理并在700℃下活化制得的樣品的比表面積為1078.21m2/g,其得率和碘吸附值分別為39.75%和636mg/g。   3.2.2還原改性   表面還原改性是指通過還原劑在適當?shù)臏囟认聦�活性炭材料表面官能團進行還原改性，從而提高含氧堿性基團的比含量，增強表面的非極性，這種活性炭材料對非極性物質(zhì)具有更強的吸附性能。常用的還原劑有H2、N2、NaOH、KOH等。Menendez等[14]認為，活性炭的堿性主要是由于其無氧的Lewis堿，可以通過在還原性氣體H2或N2等惰性氣體下高溫處理得到堿性基團含量較多的活性炭。Krisztinalaszlo等[15]研究了經(jīng)N2處理的活性炭對溶液中苯酚和2，3，4-三氯苯酚的吸附，結(jié)果表明，當溶液pH為3時，吸附量最大，當溶液pH為11時，吸附量下降。Haghserssht等[16]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)H2和N2還原堿性活性炭對水溶液中p-甲酚、硝基苯和p-硝基苯酚的吸附，較未處理過的活性炭吸附量大。   3.2.3負載金屬和金屬氧化物改性   負載金屬改性大都是利用活性炭對金屬離子的還原性和吸附性，使金屬離子先在其表面上吸附，再還原成單質(zhì)或低價態(tài)的離子，并通過金屬離子或金屬對被吸附物的較強結(jié)合力，增加活性炭對被吸附物的吸附性能，其中代表性產(chǎn)品有載銀活性炭，果殼載銀炭。中南林業(yè)科技大學研究了利用農(nóng)業(yè)廢棄物棉秸稈為原料[17]，采用氯化鋅活化法制取活性炭的工藝，以及制備過程中各種因素對活性炭吸附性能的影響，得出了適宜的工藝條件:氯化鋅溶液濃度為40°Be′，固液比為1:2，400℃炭化180min，650℃活化60min。Garg等[18]采用濃硫酸在150℃下處理印度紅木鋸末24h，去除殘余酸后制得活性炭吸附劑，與甲醛處理的鋸末相比，這種吸附劑有更好的Cr(VI)去除能力。   4農(nóng)業(yè)廢棄物制備活性炭的應用   活性炭的應用已經(jīng)有很長的歷史。活性炭最初用于糖的脫色，后逐步擴大到生產(chǎn)和生活的各個行業(yè)，并不斷地根據(jù)市場的需求開發(fā)出新的產(chǎn)品。農(nóng)業(yè)廢棄物制備的活性炭目前已應用于污水處理、水質(zhì)凈化、治理煙氣等方面   5結(jié)語   活性炭具有吸、脫附速度快，可再生等優(yōu)點，在環(huán)保領(lǐng)域日益顯示出其主導地位，越來越受到人們的重視。但其制備和應用領(lǐng)域還有許多要改進和深入研究的問題。同時，隨著人們對農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的重視，如何將農(nóng)業(yè)廢棄物制備活性炭工藝進行工業(yè)化、規(guī)模化的發(fā)展將顯得尤為重要。例如，如何降低活性炭生產(chǎn)成本、優(yōu)化生產(chǎn)工藝，及針對不同的用途進行活性炭的表面改性，創(chuàng)造性地開發(fā)活性炭的新用途等。另外，如何設(shè)計制備出不同種類和不同用途的特效負載活性炭，將是未來活性炭研究的熱點，也是拓寬活性炭應用范圍的一個重要途徑。加強對農(nóng)業(yè)廢棄物制備的活性炭及其吸附機理的系統(tǒng)研究，使之成為一種選擇性好，吸附能力強，應用廣泛的新型吸附材料。