竹炭的性能和应用研究进展/朱江涛等 ·41 竹炭的性能和应用研究进展 朱江涛1,黄正宏1,康飞宇,傅金和2,岳永德 1清华大学材料科学与工程系,北京10084:2国际竹藤网络中心,北京100102) 摘要介绍了竹炭的组成、结构等基本性能,着重总结了竹炭的吸附和电性能,简要介绍了竹炭的应用状况,指 出竹炭是一种性能良好,有着广阔发展空间的多功能材料。 关键词竹炭吸附导电性能 Development of Performance and Application of Bamboo Charcoal ZHU Jiangtao', HUANG Zhenghong, KANG Feiyu, FU Jinhe, YUE Yongde2 2 International Center for Bamboo and Rattan, Beijing 100102)s 100084; (1 Department of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beiji Abstract Based on a brief introduction to the composition and structure of bamboo charcoal, this paper views its adsorption and electric performances, as well as its application. It is pointed out that bamboo charcoal is a kind Key words bamboo charcoal, adsorption, conductance, property 0前言 灰分(2%~12%包括NaK、SCa、Mn等金属的氧化物)和少 量挥发分;竹炭以不定形炭为主。竹炭的炭含量与炭化温度有 近年来,竹炭的研究已经成为炭材料研究领域中的一个热关,灰分含量与竹子生长地的地质有关。 Cheng H M等发 点1,2。竹炭是竹材在高温下热解后的固体产物其机械强度现,300℃C下高温处理的竹炭的XRD图并没有明显的石墨峰 较高,孔结构发达,导电性能良好,可以用作吸附剂导电材料(见图2)推测竹炭为难石是化炭材料。 等。目前国内外的研究工作主要围绕以下几个方面:竹材的 热解过程,包括热解过程中组分孔结构的变化;竹炭的制备 及改性,包括活性竹炭的制备n;竹炭的表征,包括竹炭的组 成、形貌和孔结构的表征;竹炭的性能研究,包括竹炭的吸 附性能和导电性能等;竹炭的应用开发包括用于水处理、空气 净化和超级电容器等。本文着重介绍了竹炭的性能和应用的研 究进展。 1竹炭的基本性能 竹材由纤维素、半纤维素和少量木质素组成竹炭就是由这 3种物质不同程度地分解炭化而形成的。目前竹炭的工业化制 备方法主要有干馏釜热解法和土窑直接烧制法两种;間。研究 图1慈竹经800℃炭化的SEM图像 表明,竹材在600℃以后热解逐渐变缓,基本完成炭化。竹材 在热解过程中伴随着微束、薄壁组织逐渐缩小和孔结构的变2竹炭的吸附性能 化。图1是慈竹在800℃炭化后的SEM图像可以看出竹炭的 显微结构与一般活性炭的显微结构有所不同,在较低的倍数下 竹炭对有害气体有不同程度的吸附去除能力。初步研究发 都能看到大量的孔隙。左宋林认为炭化温度低于600℃时,竹现竹炭对有害气体的吸附能力与竹炭炭化的温度有密切联系 材孔径分布随温度的升高逐渐从025~50m收缩到0.55- Asada t等发现竹炭对苯、甲苯、吲哚粪臭素的吸附能力随 5.50m,这种变化在300~400℃表现最显著。可见,竹炭的竹炭炭化温度的升高而增强,竹炭对氨气的吸附能力却相反,随 炭化温度对竹炭的性能有直接的影响 炭化温度的升高而下降,但对甲醛的吸附能力随炭化温度的变 竹炭的组成简单,主要成分是碳(75%~95(w)%),其次是化没有明显的变化。 Saito y等研究发现不同炭化温度(600 *973基金项目(2004CB720601) 朱江涛:男,1981年生,硕士生康飞字:联系人,教授博导,主要从事新型炭材料研究Tcl:0106277752 E-mail: Fykan mail, tsinghua. edu. cn
竹炭的性能和应用研究进展／朱江涛等 ·41· 竹炭的性能和应用研究进展 朱江涛 ，黄正宏 ，康飞宇 ，傅金和。，岳永德。 (1 清华大学材料科学与工程系，北京 100084；2 国际竹藤网络中心，北京 1OO102) 摘要 介绍了竹炭的组成、结构等基本性能，着重总结了竹炭的吸附和电性能，简要介绍了竹炭的应用状况，指 出竹炭是一种性能良好，有着广阔发展空间的多功能材料。 关键词 竹炭 吸附 导电 性能 DevelopmentofPerformanceand Application ofBamboo Charcoal ZHU Jiangtao ，HUANG Zhenghong ，KANG Feiyu ，FU Jinhe，YUE Yongde (1DepartmentofMaterialsScienceandEngineering，TsinghuaUniversity，Beijing100084； 2InternationalCenterforBambooandRattan，Beijing100102) Abstract Basedonabriefintroductiontothecompositionandstructureofbamboocharcoal，thispaperre viewsitsadsorptionandelectricperformances，aswellasitsapplication．ItispointedOUtthatbamboocharcoalisakind ofpromisingmultifunctionalmaterials． Keywords bamboocharcoal，adsorption，conductance，property 0 前言 近年来，竹炭的研究已经成为炭材料研究领域中的一个热 点_1]。竹炭是竹材在高温下热解后的固体产物，其机械强度 较高，孔结构发达，导电性能良好，可以用作吸附剂、导 电材料 等[3]。目前国内外的研究工作主要围绕以下几个方面：竹材的 热解过程，包括热解过程中组分、孔结构的变化_4；竹炭的制备 及改性 ，包括活性竹炭的制备 ；竹炭的表征，包括竹炭的组 成、形貌和孔结构的表征_4 ；竹炭的性能研究，包括竹炭的吸 附性能和导电性能等；竹炭的应用开发，包括用于水处理、空气 净化和超级电容器等。本文着重介缙了竹炭的性能和应用的研 究进展 1 竹炭的基本性能 竹材由纤维素、半纤维素和少量木质素组成，竹炭就是由这 3种物质不同程度地分解炭化而形成的。目前竹炭的工业化制 备方法主要有干馏釜热解法和土窑直接烧制法两种_5]。研究 表明，竹材在 600℃以后热解逐渐变缓。基本完成炭化[43。竹材 在热解过程中伴随着微管柬、薄壁组织逐渐缩小和孔结构的变 化。图 1是慈竹在 800~C炭化后的 SEM 图像，可以看出竹炭的 显微结构与一般活性炭的显微结构有所不同，在较低的倍数下 都能看到大量的孔隙。左宋林认为，炭化温度低于 600℃时，竹 材孔径分布随温度的升高逐渐从 0．25 50pm收缩到 0．55～ 5．50tan，这种变化在 300~400"C表现最显著[9]。可见，竹炭的 炭化温度对竹炭的性能有直接的影响。 竹炭的组成简单，主要成分是碳(75 ~95(wt) )，其次是 灰分(2 ～12 ，包括 Na、K、Si、Ca、Mn等金属的氧化物)和少 量挥发分；竹炭以不定形炭为主。竹炭的炭含量与炭化温度有 关，灰分含量与竹子生长地 的地质有关。ChengH M 等伽发 现，3ooo~C下高温处理的竹炭的 XRD图并没有 明显的石墨峰 (见图 2)，推测竹炭为难石墨化炭材料。 图 1 慈竹经 800℃炭化的 SEM 图像 2 竹炭的吸附性能 竹炭对有害气体有不同程度的吸附去除能力。初步研究发 现，竹炭对有害气体的吸附能力与竹炭炭化的温度有密切联系。 AsadaT 发现竹炭对苯、甲苯、吲哚、粪臭索的吸附能力随 竹炭炭化温度的升高而增强，竹炭对氨气的吸附能力却相反，随 炭化温度的升高而下降，但对甲醛的吸附能力随炭化温度的变 化没有明显的变化。SaitoY等r】]研究发现不同炭化温度(600 *973基金项 目(2004CB720601) 朱江涛：男，1981年生。硕士生 康飞宇{联系人，教授，博导，主要从事新型炭材料研究 Tel：010—62773752 E-mail：Fykang@ mail．tsinghua．edu．cn 维普资讯 http://www.cqvip.com
·42· 材料导报 2006年4月第20卷第4期 1000C)的竹炭对甲醛都有很强的去除能力但是高温炭化的附值为1178mg/g,亚甲基蓝脱色力为165mg/g,符合木质不定 竹炭吸附甲醛后不易脱附,低温炭化的竹炭对甲醛的吸附能力形粒状炭的国家标准。蒋应梯等2利用磷酸分别用竹刨花 弱而且发现竹炭在50℃对甲醛有很好的吸附,也就是说在夏和竹屑为原料制备出了符合糖用脱色炭要求的活性竹炭,亚甲 天的高温天气仍然对甲醛有吸附效果。杨磊等2发现竹炭的基蓝脱色力达到225mg/g,A法焦糖脱色力大于120%。Ken 粒径大小对甲醛的吸附量没有明显的影响而主要与竹炭的微ST.Lau等利用磷酸活化粒径在500-71m范围的竹材 观结构有关。 Katsuhisa Maruyama等试图用(NH4)2S2O8废料,制备出了高比表面积活性竹炭,此方法制得的竹质活性炭 对竹炭进行氧化改性但发现竹炭表面上不易形成酸性官能团,碳含量不高仅为50%~60%(w),但是活性竹炭的亚甲基蓝 而且氧化改性后竹炭对氨的吸附能力没有明显变化,但改性平衡容积高达750mg/g,脱色能力非常强孔容积高达L.3ml 前后对氨气的物理吸附能力都比商用活性炭要高 g。周家云以云南金竹为原料,比较了几种活化剂制备出的 活性竹炭的差别,发现以氯化锌作为活化剂制备活性竹炭的脱 Barmboo carbon 色能力最强 300t 3竹炭的电性能 2700C 3.1竹炭的导电性 2A00℃ 竹炭具有一定的导电性,研究发现竹炭的导电性与竹炭的 炭化温度和灰分等有很大关系。图3为竹炭电阻率与炭化温度 21001 的关系 目 图2竹炭高温处理后的XRD图谱 竹炭对液相中的无机离子或有机物同样有良好的吸附能 力。木冠南等研究了用金竹制备的竹炭对镧(Ⅲ)离子的吸 附发现富氧条件下制备的活性竹炭对金属离子的吸附量明显 比贫氧条件下的吸附量大,认为富氧条件下增加了活性炭表面 炭化最高温度,℃ 的含氧官能团,推测吸附为化学吸附。 Kei mizuta等发现竹 炭对硝酸根离子的吸附能力随温度的变化不明显。OheK 图3竹炭的电阻率与炭化温度的关系 等发现活性竹炭对硝酸根离子的吸附能力在溶液pH为2 可以发现竹炭的电阻率在600~800℃C有很大的降低。关 4范围内存在最大值,并发现比表面积是决定吸附容量的一个于竹炭的导电机理张文标等认为炭化温度在900C以下时 因素而且当硝酸根离子和硫酸根离子共存时活性竹炭对硝酸竹炭主要由离子导电。离子包括与构成竹材的聚合物分子中的 根离子有明显的择优吸附性 离子基缔合在一起而产生的离子,以及由竹材无机成分中含有 杨磊等研究发现竹炭的粒度超声处理和硝酸的氧化都的杂质产生的离子。赵丽华等认为竹炭的电导率与竹炭中 不同程度地影响了竹炭对苯酚的吸附能力,最大吸附值为73.4电子数和灰分有关,炭化温度的升高导致π电子数不断增加,导 mg/g。徐亦钢等1研究发现竹炭对2,4二氯苯酚的吸附效果致竹炭导电性增加;而且认为竹炭中灰分以施主受主基团或离 与其粒径、用量、溶液浓度、吸附时间和平衡方式都有一定的关子络合物存在灰分的增加会导致电导率的快速下降。江泽慧 系 等32认为竹炭的导电性在750℃附近有一个明显的突变点并 Bhattacharyya K G等研究发现竹炭可以有效去除造纸炭化温度的升高、竹炭的形貌、结构和化学组成等方面的变化 厂排放流体中的色素在酸性条件下吸附效果更好,每升流体中来分析导电性的增强。随着炭化温度的升高,竹炭微观束外鞘 加入3.lg竹炭就能除去99%的色素。 Kannan N等2发现变得光滑致密,同时微观束和薄壁组织收缩程度增大,细胞间隙 竹炭对干果红( congo red)和玫瑰红( rhodamine B)的吸附去除变小,增强了竹炭的导电性;从结构上分析,随着炭化温度的升 效果良好。 高,无序碳及单个网平面层的比例减少微晶的取向趋于整齐一 竹炭的吸附能力也可以通过孔结构的重整和孔表面的修饰致,这一结构的变化也导致了竹炭导电性的增加;而随着竹炭炭 等方法来改善。目前对竹炭孔结构的重整主要集中在二次活化化温度的升高离子的移动产生极化同时灰分中一些元素,如 制备活性竹炭方面。 Young- Ju Lee等21在700℃下炭化得到钾、硅等作为杂质掺和在竹炭中,导致了竹炭导电性的增加。他 竹炭,然后碾碎至150~300m,再用KOH粉进行活化制得了们还发现竹炭不同部位炭化后导电性有所不同,竹炭中部和内 微孔为主的活性竹炭,其BET比表面积随磷酸和竹炭质量比的表面的导电性差异很小,但750℃以上热处理的竹炭外表面的 增大而增大从300m2/g增大到2500m2/g。刘洪波等2用与导电性明显高于其他部位。 Byoung-Ju Le类似的方法也得到高比表面积活性炭 3.2竹炭用于电磁波屏蔽材料 此外还有利用竹材直接活化制备活性竹炭的。活化的方法 体积电阻率小于1000·cm的材料可以作为静电屏蔽材 和其他活性炭活化类似主要有物理活化法和化学活化法两种。料使用。经处理后的竹炭的体积电阻率小于30·cm,由于竹 胡福昌等2用水蒸气物理活化法制备出了活性竹炭结果发现炭的密度较低化学稳定性好,可以利用它发展轻质静电屏蔽材 最佳的活化温度为900℃活性竹炭吸附性能优良最高的碘吸料。据报道,在频率为10~1000z的范围内,3mm厚的竹炭
·42· 材料导报 2006年 4月第2O卷第4期 ~ 1000℃)的竹炭对甲醛都有很强的去除能力，但是高温炭化的 竹炭吸附甲醛后不易脱附，低温炭化的竹炭对甲醛的吸附能力 弱，而且发现竹炭在 5O℃对甲醛有很好的吸附，也就是说在夏 天的高温天气仍然对甲醛有吸附效果。杨磊等 2]发现竹炭的 粒径大小对甲醛的吸附量没有明显的影响，而主要与竹炭的微 观结构有关。KatsuhisaMaruyama等Ⅲ1副试图用 (NH4)2S2()8 对竹炭进行氧化改性，但发现竹炭表面上不易形成酸性官能团， 而且氧化改性后竹炭对氨气的吸附能力没有明显变化，但改性 前后对氨气的物理吸附能力都比商用活性炭要高。 图 2 竹炭高温处理后的 XRD图谱Ⅲ 竹炭对液相中的无机离子或有机物同样有 良好的吸附能 力 木冠南等_14_研究了用金竹制备的竹炭对镧(Ⅲ)离子的吸 附，发现富氧条件下制备的活性竹炭对金属离子的吸附量明显 比贫氧条件下的吸附量大，认为富氧条件下增加 了活性炭表面 的含氧官能团，推测吸附为化学吸附。KeiMizuta等[1Ij发现竹 炭对硝酸根离子 的吸附能力随温度 的变化 不明显。OheK 等l_1]发现活性竹炭对硝酸根离子的吸附能力在溶液 pH为 2～ 4范围内存在最大值 ，并发现 比表面积是决定吸附容量的一个 因素，而且当硝酸根离子和硫酸根离子共存时，活性竹炭对硝酸 根离子有明显的择优吸附性。 杨磊等-”]研究发现竹炭的粒度、超声处理和硝酸的氧化都 不同程度地影响了竹炭对苯酚的吸附能力，最大吸附值为73．4 rng／g。徐亦钢等_1B_研究发现竹炭对 2，4一二氯苯酚的吸附效果 与其粒径、用量 、溶液浓度 、吸附时间和平衡方式都有一定的关 系。 BhattacharyyaKG等口9]研究发现竹炭可以有效去除造纸 厂排放流体中的色素，在酸性条件下吸附效果更好，每升流体中 加入 3．1g竹炭就能除去 99％的色素。KannanN等[20,22]发现 竹炭对干果红(congored)和玫瑰红(rhodamineB)的吸附去除 效果良好。 竹炭的吸附能力也可以通过孔结构的重整和孔表面的修饰 等方法来改善。目前对竹炭孔结构的重整主要集中在二次活化 制备活性竹炭方面。Byoung-JuLee等_2。]在 700~C下炭化得到 竹炭，然后碾碎至 l5O～3O0m，再用 KOH粉进行活化，制得了 微孔为主的活性竹炭，其 BET比表面积随磷酸和竹炭质量 比的 增大而增大，从 300m2／g增大到 2500mz／g。刘洪波等[乳用与 Byoung-JuLee类似的方法也得到高比表面积活性炭。 此外还有利用竹材直接活化制备活性竹炭的。活化的方法 和其他活性炭活化类似，主要有物理活化法和化学活化法两种。 胡福昌等_2用水蒸气物理活化法制备出了活性竹炭 ，结果发现 最佳的活化温度为 900~C，活性竹炭吸附性能优良，最高的碘吸 附值为 l178mg／g，亚甲基蓝脱色力为 165mg／g，符合木质不定 形粒状炭的国家标准。蒋应梯等|2驯 利用磷酸分别用竹刨花 和竹屑为原料制备出了符合糖用脱色炭要求的活性竹炭，亚甲 基蓝脱色力达到 225mg／g，A法焦糖脱色力大于 120 。Ken s_T．Lau等[]利用磷酸活化粒径在 5O0～71Om范围的竹材 废料，制备出了高比表面积活性竹炭 ，此方法制得的竹质活性炭 碳含量不高，仅为 50 ～6O ( )，但是活性竹炭的亚甲基蓝 平衡容积高达 750mg／g，脱色能力非常强，孔容积高达 1．3ml／ g。周家云 。以云南金竹为原料，比较了几种活化剂制备出的 活性竹炭的差别 ．发现以氯化锌作为活化剂制备活性竹炭的脱 色能 力最强 。 3 竹炭的电性能 3．1 竹炭的导电性 竹炭具有一定的导电性，研究发现竹炭的导电性与竹炭的 炭化温度和灰分等有很大关系。图 3为竹炭电阻率与炭化温度 的关系 。。 图 3 竹炭的电阻率与炭化温度的关系[蜘 可以发现竹炭的电阻率在 600 800℃有很大的降低。关 于竹炭的导电机理，张文标等[3。]认为炭化温度在 900℃以下时， 竹炭主要由离子导电。离子包括与构成竹材的聚合物分子中的 离子基缔合在一起而产生的离子，以及 由竹材无机成分中含有 的杂质产生的离子。赵丽华等_3认为竹炭的电导率与竹炭中 电子数和灰分有关，炭化温度的升高导致 电子数不断增加 ，导 致竹炭导电性增加；而且认为竹炭中灰分以施主、受主基团或离 子络合物存在，灰分的增加会导致电导率 的快速下降。江泽慧 等_3。]认为竹炭的导电性在 750℃附近有一个明显的突变点 ，并 从炭化温度的升高、竹炭的形貌、结构和化学组成等方面的变化 来分析导电性的增强。随着炭化温度的升高，竹炭微观束外鞘 变得光滑致密，同时微观束和薄壁组织收缩程度增大，细胞间隙 变小 ，增强了竹炭的导电性；从结构上分析，随着炭化温度的升 高，无序碳及单个网平面层的比例减少，微晶的取向趋于整齐一 致，这一结构的变化也导致了竹炭导电性的增加 ；而随着竹炭炭 化温度的升高，离子的移动产生极化，同时灰分中一些元素，如 钾 、硅等作为杂质掺和在竹炭中，导致了竹炭导电性的增加。他 们还发现竹炭不同部位炭化后导电性有所不同，竹炭中部和内 表面的导电性差异很小，但 750℃以上热处理的竹炭外表面的 导电性明显高于其他部位。 3．2 竹炭用于电磁波屏蔽材料 体积电阻率小于 1000fl·cm 的材料可以作为静电屏蔽材 料使用。经处理后的竹炭的体积电阻率小于 3on·cTn，由于竹 炭的密度较低 、化学稳定性好，可以利用它发展轻质静电屏蔽材 料。据报道 ，在频率为 10~1000MHz的范围内，3mm厚的竹炭 4 2 O 8 6 4 2 0 2 目u．【，＼oI×．瓣岛 维普资讯 http://www.cqvip.com
竹炭的性能和应用硏究进展/朱江涛等 43 复合材料的电磁屏蔽效果为45~75dB.竹炭在不同工艺条件 (phyllostachys) by means of fourier transform infrared and 下可以分别获得绝缘体、半导体和导体,填入到基体材料中可以 elemental analysis [J]. J Forestry Res, 2003,14(1):75 得到可调控电阻的电热材料并在取暖保温和干燥等场合得到5张文标,叶良明张宏等竹炭生产和应用LJ.竹子研究汇 广泛的应用。 刊,2001,20(2):49 3.3竹炭用于超级电容器 6黄彪高尚愚.竹炭、竹醋液生产技术与应用研究综述[门 oung-Ju Lee等2制备出了用于超级电容器的活性竹 福建林学院,2003,23(1):93 炭实验发现竹质活性炭具有较好的微孔结构,中孔所占比例很7胡永煌竹炭、竹醋液生产技术及应用开发研究进展[门林 产化学与工业,2002,22(3):79 大,能够作为离子的快速通道从而提高电解液的渗透率。他们8 Cheng H m, Endo h, Okabe T,eta. Graphitization be- 还发现活性竹炭的比电容要比椰子壳活性炭的比电容高很多。 avIo of wood ceramics and bamboo ceramics as determined 而作为常见的用于水电解液的电极材料(PVDC+CSCF,cup by X-ray diffraction [] J Porous Mater, 1999, 6(3):233 stacked carbon nanofiber)的比电容在高放电密度(>100mA9左宋林高尚愚,徐柏森等炭化过程中竹材内部形态结构 cm2)小于活性竹炭电极材料的比电容 的变化[门].林产化学与工业,2004,24(4):56 34竹炭用作锂离子电池负极材料 10 Asada T, Ishihara S, Yamane T, et al. Science of bamboo 龚金保等利用竹子在真空1000℃热解得到活性竹炭发 charcoal: Study on carbonizing temperature of bamboo char 现活性竹炭首次充放电效率达到85%以上,可逆容量大于 coal and removal capability of harmful gases [ J. J Health 450mAh/g,有望获得实际应用;并采用退火、化学镀SnSb合金 sci,2002,48(6):473 和化学气相沉积炭处理等方法加快了竹炭的首次循环效率 11 Saito Y, Mori M, Shida S, et al. Formaldehyde adsorption and desorption properties of wood-based charcoal. Mokuzai 4竹炭的其他性能及应用 Gakkaish,2000,46(6):596 Teppei nunoura等研究了竹炭对超临界水中苯酚氧化12杨磊,陈清松,等竹炭对甲醛的吸附性能研究门]林产化 学与工业,2005,25(1):77 的作用发现竹炭具有催化氧化效果,竹炭的加入提高了苯盼氧13 Katsuhisa M, Hideyuki T. Ammonia adsorption on 化成COh的速率而且明显限制了焦油物质的产生。 carbons with ultramicropore and acidic functional 据报道,竹炭能辐射远红外线,这种远红外线可以渗透血 [AJ. Carbon 04 [C], Providencer Rhode Island,USA, 2004 管,刺激身体各经络的穴道,改善身体器官机能。将适量竹炭 A057 粉添加到被褥、坐垫或鞋垫等生活用具中有利于人们的健康。14木冠南,杨中民,杨春芬.竹制活性炭自水溶液中吸附镧 掺有竹炭的美容霜及肥皂和香皂,具有特殊的皮肤护理功效,而 (Ⅲ)离子的研究[].林产化学与工业,1994,14(1):61 且还可以延缓鲜花的凋谢和保鲜水果以及作为饲料添加剂和15KeiM. Removal of nitrate-nitrogen from drinking water u- 土壤改良剂等。 sing bamboo powder charcoal [J]. Bioresource Technology 2004,95:255 5结语 16 Ohe K, Nagae Y, Nakamura S, et al. Removal of nitrate 综上所述,竹炭是一种性能良好、有着广阔发展空间的多功 anion by carbonaceous materials prepared from bamboo and 能材料。目前对竹炭的研究才刚刚起步,应用刚刚展开。以后 oconut shell [J]. J Chem Eng Jpn, 2003, 36(4):511 的研究方向可以围绕以下几个方面:对竹炭的结构进行改性通 杨磊,赖寿莲,陈清松,等.竹炭及其改性材料对苯酚吸附性 能的研究[].福建化工,2004,(4):15 过孔结构的重整和孔表面化学修饰改变竹炭的物理化学性能;18徐亦钢,石利利竹炭对2,4-二氯苯酚的吸附特性及影响 提高竹炭的吸附能力,尤其是针对某种具体物质的吸附能力;研 因素研究[]农村生态环境,2002,18(1):35 究竹炭对有害气体、金属离子的吸附机理制备竹炭和其他物质19 Bhattacharyya K G, Sarma n. Colour removal from pulp 的复合材料,实现竹炭的吸附和其他物质特殊性能的有效结合 and paper mill effluent using waste products 如负载微生物、生物酶、光催化剂等以用于废水处理;开发竹炭 Chem Techn,1997,4(5):237 的导电性能制备具有特别用途的材料如电磁屏蔽材料等;研究20 Kannan n, Meenakshisundaram M. Adsorption of Congo 竹炭在新领域中的应用,如用作锂离子负极材料,用于超级电容 Red on various activated carbons: A comparative study. Wa 器等;以竹炭为模板制备特殊性能的生物形态材料;开发制备优 ter Air and Soil pollution,2002,138(14):289 质廉价能用于环境保护与治理的竹炭 21 Kannan N, Sundaram MM. Studies on the removal of rho- damine b by adsorption using various carbons- A compara- 参考文献 tive study [J]. Fresenius Environmental Bull, 2001, 10 1胡福昌,陈顺伟.日本竹材热解研究的现状「门.林业科技开 (11):814 发,2001,15(3):8 22 Wu F C, Tseng R L, Juang R S. Preparation of activated 2姜树海,张齐生,蒋身学.竹炭材料的有效利用理论与应用 carbons from bamboo and their adsorption abilities for dyes 研究进展[J].东北林业大学学报,200230(4);53 and phenol [J]. J Environmental Sci and Health Part A-tox- 3邵千钧徐群芳,范志伟,等.竹炭导电率及高导电率竹炭制 /Hazardous Substances 8. Environmental Engineering 备工艺研究[]林产化学与工业,2002,22(2):54 1999,34(9):1753 Zuo s l, gao Sh Y. Carbonization mechanism of bamboo (下转第52页)
竹炭鹊性能和应用研究进展／来注涛等 ．43． 复合材料的电磁屏蔽效果为 45~75dB。竹炭在不同工艺条件 下可以分别获得绝缘体、半导体和导体，填人到基体材料中可以 得到可调控电阻的电热材料，并在取暖、保温和干燥等场合得到 广 泛的应用 j。 3．3 竹炭用于超级电容器 Byoung-JuLee等l_23j制备出了用于超级电容器的活性竹 炭，实验发现竹质活性炭具有较好的微孔结构，中孔所 占比例很 大，能够作为离子的快速通道，从而提高电解液的渗透率。他们 还发现活性竹炭的比电容要 比椰子壳活性炭的比电容高很多。 而作为常见的用于水电解液的电极材料(PVDC+CSCF，cuF stackedcarbonnanofiber)的比电容在高放 电密度(> 100mA／ cm2)小于活性竹炭电极材料的比电容。 3．4 竹炭用作锂离子电池负极材料 龚金保等_3利用竹子在真空 IO00~C热解得到活性竹炭，发 现活性竹炭首次充放 电效率达到 85 以上，可逆容量大于 450mAh／g，有望获得实际应用；并采用退火、化学镀 snSb合金 和化学气相沉积炭处理等方法加快了竹炭的首次循环效率。 4 竹炭 的其他性能及应用 TeppeiNunoura等[3]研究了竹炭对超临界水中苯酚氧化 的作用 ，发现竹炭具有催化氧化效果，竹炭的加人提高了苯酚氧 化成 CO。的速率，而且明显限制了焦油物质的产生。 据报道，竹炭能辐射远红外线 ，这种远红外线可以渗透血 管，刺激身体各经络的穴道，改善身体器官机能。将适量竹炭 粉添加到被褥、坐垫或鞋垫等生活用具 中有利于人们的健康。 掺有竹炭的美容霜及肥皂和香皂，具有特殊的皮肤护理功效，而 且还可以延缓鲜花的凋谢和保鲜水果 ，以及作为饲料添加剂和 土壤改 良剂等l_3。 5 结语 综上所述，竹炭是一种性能良好、有着广阔发展空间的多功 能材料。目前对竹炭的研究才刚刚起步，应用刚刚展开。以后 的研究方向可以围绕以下几个方面：对竹炭的结构进行改性，通 过孔结构的重整和孔表面化学修饰改变竹炭的物理化学性能； 提高竹炭的吸附能力，尤其是针对某种具体物质的吸附能力；研 究竹炭对有害气体、金属离子的吸附机理；制备竹炭和其他物质 的复合材料，实现竹炭的吸附和其他物质特殊性能的有效结合， 如负载微生物、生物酶、光催化剂等以用于废水处理；开发竹炭 的导电性能，制备具有特别用途的材料如电磁屏蔽材料等；研究 竹炭在新领域中的应用，如用作锂离子负极材料，用于超级电容 器等；以竹炭为模板制备特殊性能的生物形态材料 ；开发制备优 质廉价、能用于环境保护与治理的竹炭。 参考文献 1 胡福昌，陈顺伟．日本竹材热解研究的现状[J]．林业科技开 发 ，2001，15(3)：8 2 姜树海，张齐生，蒋身学．竹炭材料的有效利用理论与应用 研究进展IS]．东北林业大学学报，2002，30(4)；53 3 邵千钧，徐群芳 ，范志伟，等．竹炭导电率及高导电率竹炭制 备工艺研究[J]．林产化学与工业，2002，22(2)：54 4 ZuoS L，Gao Sh Y．Carbonization mechanism ofbamboo (phyllostachys)bymeansoffouriertransform infraredand elementalanalysisI-J]．JForestryRes，2003，14(1)：75 5 张文标，叶良明，张宏，等．竹炭生产和应用EJ]．竹子研究汇 刊 ，2001，20(2)：49 6 黄彪，高尚愚．竹炭、竹醋液生产技术与应用研究综述口]． 福建林学院，2003，23(1)：93 7 胡永煌．竹炭、竹醋液生产技术及应用开发研究进展LJ]．林 产化学与工业，2002，22(3)：79 8 ChengH M ，EndoH ，OkabeT，eta1．Graphitizationbe— haviorofwoodceramicsandbambooceramicsasdetermined byX-raydiffraction[J]．JPorousMater，1999，6(3)：233 9 左宋林 ，高尚愚，徐柏森，等．炭化过程中竹材内部形态结构 的变化口]．林产化学与工业 ，2004，24(4)：56 10 AsadaT，IshiharaS，YamaneT，eta1．Scienceofbamboo charcoal：Studyoncarbo nizingtemperatureofbamboochar— coalandremovalcapabilityofharmfulgases[J]．JHealth Sci，2002，48(6)：473 11 SaitoY，MoriM ，ShidaS，etal。Form aldehydeadsorption anddesorptionpropertiesofwood—basedcharcoa1．Mokuzai Gakkaishi，2000，46(6)：596 12 杨磊，陈清松，等．竹炭对甲醛的吸附性能研究 [J]．林产化 学与工业，2005，25(1)：77 13 KatsuhisaM ，HideyukiT．Ammoniaadsorption on porous carbonswith uhramicropo re and acidic functionalgroups [A]．Carbon04[C]，ProvidencerRhodeIsland，USA，2004． AO57 14 木冠南，杨中民，杨春芬．竹制活性炭 自水溶液中吸附镧 (11)离子的研究[J]．林产化学与工业，1994，14(1)：61 15 KeiM Removalofnitrate-nitrogen from drinkingwateru— singbamboopowdercharcoal[J]．BioresourceTechnology， 2004，95：255 16 OheK，NagaeY，NakamuraS，eta1． Removalofnitrate anionbycarbo naceousmaterialspreparedfrom bambooand coconutshell[J]．JChemEngJpn，2003，36(4)：511 17 杨磊，赖寿莲 ，陈清松，等．竹炭及其改性材料对苯酚吸附性 能的研究I-J]．福建化工，2004，(4)：15 18 徐亦钢，石利利．竹炭对 2，4一二氯苯酚的吸附特性及影响 因素研究口]．农村生态环境，2002，18(1)：35 19 BhattacharyyaK G，Sarma N． Colourremovalfrom pulp andpapermilleffluentusingwasteproductsLJ]．IndianJ Chem Techn，1997，4(5)：237 20 Kannan N．M eenakshisundaram ^／L Adsorption ofCongo Redonvariousactivatedcarbo ns：A comparativestudy。Wa— terAirandSoilPollution，2002，138(1—4)：289 21 KannanN，Sundaram M ^／L Studiesontheremovalofrho— damineBbyadsorptionusingvariouscarbo as—。A compare—。 tivestudy[J]． FreseniusEnvironmentalBull，2001，10 (11)：814 22 WuFC，TsengR L，JuangR S Preparationofactivated carbonsfrom bambo oandtheiradsorptionabilitiesfordyes andphenol[J-1．JEnvironmentalSciandHealthPartA-tox ic／HazardousSubstances& EnvironmentalEngineering， 1999，34(9)：1753 (下转 第 52页) 维普资讯 http://www.cqvip.com
维香资hp/www.cqvip.com ·52 材料导报 2006年4月第20卷第4期 E, Sperling L H,eds. Plenum: New York, 1983. 51 26 Ruys D, Crosky A, Evans W J Mater Product Techn 王德海,江棂.紫外光固化材料理论与应用.北京:科学出版 2002,17(12):2 37 27 Mishra S, Tripathy SS, Misra M, et al. Reinf Plast Comp 8 La Scala J, Bunker S P, Wool R P. American Oil Chem- 2002,21(1):55 ists'Society, 2002, 79: 59 28 Kandachar P, Brouwer R Mater Res Soc Symp Proc, 2( 9 Khot S N Synthesis and Application of Triglyceride Based Polymers [D]. University of Delav 29(英)艾伦·哈珀,(中)董雨达编著.树脂传递模塑技术.哈 10 Chu Tzong-Jeng, Niou Der-Yu Chinese Institute of Chem 尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2002.57 Eng1989,20:1 30 Can E, Kvsefoglu S, Wool R P. Appl Polym Sci, 2001,81 11 Auad ML, arangure Appl Polym Sci, 1997,6 (6):1059 31 Devi L U, Bhagawan S S, Thomas S. Appl Polym Sci, 1997 12 Betts AT. US Pat, 3867354 1975 64(9):1739 13 Mitch E L, Kaplan S L. In Proceed 33rd Annual SPE Techn 32 Williams G I MS. Thesis University of Delaware, 1999, 77 Conf Atlanta, 1975. 47 33 Thielemans Wim, Wool R P. Comp Part A: Appl Sci 14 Hodakowski L E, Osborn C L, Harris E B. US Pat, Manuf,2004,35(3):327 4119640.1978 34 Thielemans Wim, Can E, Morye SS,et al. Appl Polym Sci 15 Pashley R M, Senden T J, Morris R A, et al. US Pat 2002,83(2):323 16 Decker C Progress Polym Sci, 1996, 21: 593 2004,64(9):1135 17 Baipai M, Shukla V, Singh D K, et al. Pigment and Resin 36 Dweib M A, Bullions T A, Loos A C, et aL. ANTEC 2004 Annual Techn Conf Proceedings, 2004, 2: 1478 18刑宏龙徐国财,江棂涂料工业,1999,11:21 37 Dweib M A, Hu B, o Donnell A, et al. Comp Struct, 2004 19刑宏龙倪惠琼原材料,2003,3:30 63(2):147 20刑宏龙,黄若峰涂料工业,2005,5:18 38 Morye S S, Wool R P Appl Polym Sci, 2002, 83:323 21解一军刘盘阁姬荣琴等河北工业大学学报,2002,31:673 Hong Chang K, Wool Richard. Appl Polym Sci,2005,95 22 Lu Jue, Khot Shrikant, Wool R P Polymer, 2005, 46(1):71 (6):1524 23 McCrum Ng, Buckley C P, Bucknall C B. New York:Ox40(英)霍尔曼R,奥尔德P著(徐茂均译)印刷油墨涂料、色 ford Unive 1997.68 漆、紫外光和电子束固化配方北京:原子能出版社,1994. Hinrichsen G, Macromol Mater Eng,2000,276(3-4)1 41刑宏龙,马家举,江棂,安徽建筑工业学院学报(自然科学 25 Mwaikambo L Y, Ansell MP. Appl Polym Sci, 2002, 84 Fu), 2000,8: 43 (贲任编辑林芳) (上接第43页) Providence, Rhode Island. USA, 2004, J008 23 Lee B j, Kim YJ. Bamboo based activated carbons as an e-29周家云,杨春芬.竹制活性炭及其性能研究[J].云南化工 lectrode material for Electric double layer capacitors 1997,(1):28 ( EDLCS)[A]. Carbon04[C], Providence, Rhode Island,30张文标,华毓坤叶良明竹炭导电机理的研究[J南京林 UsA,2004.J008 业大学学报(自然科学版),200226(4):47 刘洪波常俊玲,张红波等竹炭基高比表面积活性炭电极31赵丽华余养伦林守富等竹炭电阻率的初步探讨[J林 材料的研究[].炭素技术,2003,(5) 产化工通讯,2003,37(3):14 25 Hu f ch, Chen sh w. Preliminary Study on Preparation of32江泽慧张东升,费本华等.炭化温度对竹炭微观结构及电 Active Charcoal from Bamboo Timber[A]. Symposium of International Academic Discussion on Bamboo charcoal & 性能的影响[]新型碳材料,2004,19(4):249 Bamboo vinegar, Beijing, 2001. 33龚金保汪继强锂离子电池用炭负极材料的研究[门.复旦 26蒋应梯柏明娥磷酸法制竹刨花活性炭研究[].林产化工 学报(自然科学版),2004,43(4):500 通讯,2004,38(3):17 34 Nunoura T, Lee G. Effect of carbonaceous materials on the 27周建斌,张齐生磷酸复合活化剂法制竹屑活性炭的研究 oxidation of phenol in supercritical water: a preliminary 林产化学与工业,2003,23(4):59 study[J]. Industrial&. Eng Chem Res, 2003, 42(16):3718 28 Ken st lau, John P Barford. Preparation of high surface35张东升,王戈,张新萍.竹炭利用综合评述[门世界竹膝通 area activated carbon from chemical activation with bamboo 讯,2004,2(1):1 construction waste and phosphoric acid[A]. Carbon 04[C] (责任編辑周真真)
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