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人類在發(fā)展過程中目前面臨能源危機和環(huán)境污染雙重壓力。在能源消費方面，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，全世界每年由光合作用而固定的碳達2×1011 噸，含能量達3×1018 千焦，可開發(fā)的能源約相當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)資源開發(fā)利用潛力巨大。據(jù)測算，我國擁有的生物質(zhì)能資源為50 億噸左右，是我國目前總能耗的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)落后導致生物質(zhì)資源浪費嚴重，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 利用生物質(zhì)制備炭材料，在能源領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、體積龐大難于運輸?shù)缺锥耍瑫r相對于燃煤可以減少硫排放，從而減少對環(huán)境的污染，但目前制造成本高，只有在特定的場合才使用，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)達的孔隙結(jié)構(gòu)以及較好的化學穩(wěn)定性和機械強度，在環(huán)保領域?qū)χ亟饘倭己玫奈叫阅埽虼藢χ亟饘購U水處理及土壤恢復與改良具有巨大的應用潛力[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過程且二者可分步或同步進行。首先炭化過程是在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物質(zhì)改變炭化料的內(nèi)部結(jié)構(gòu), 擴大孔體積, 增加活性炭的吸附性能。物理活化采用如水蒸氣、空氣、CO2進行活化；化學活化則采用化學物質(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。熱分解法的缺點在于反應時間長，反應耗能大，傳熱效率低和反應原料加熱不均勻等。微波炭化法則是通過被加熱體內(nèi)部偶極分子的高頻往復運動，使分子間相互碰撞產(chǎn)生大量摩擦熱量，繼而使物料內(nèi)外部同時快速均勻升溫從而達到裂解及炭化的目的。微波加熱具有操作簡單、升溫速率快、反應效率高、可選擇性均勻加熱等優(yōu)點。生物質(zhì)通過微波炭化處理其活性炭得率較高(一般達到40%左右)且表面積大。但微波炭化的不足在于物料的反應溫度不能精確控制，過量的微波輻射將對人體健康有損害且工業(yè)化放大過程比較困難。水熱炭化法是在一定溫度(一般200 ℃)和壓強（下將水熱反應釜內(nèi)的生物質(zhì)( 碳水化合物、有機分子和廢棄生物質(zhì)等) 、催化劑和水進行加熱，實現(xiàn)對生物質(zhì)炭化的過程。水熱炭化一般制得的生物質(zhì)表面積小一般500m2/g以下，同時反應時間長，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源，同時在能源及環(huán)境方面具有廣闊的應用前景，尤其在重金屬污染治理及土壤恢復及改良前景更為廣闊。但目前生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為炭流程長，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、成本更低廉實現(xiàn)生物質(zhì)的炭轉(zhuǎn)化，無論對于人類能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化及環(huán)境保護均有十分重要的現(xiàn)實意義。 本項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) 過程，吸收炭化及活化過程蒸發(fā)的酸及液態(tài)有機物，酸進行循環(huán)利用，實現(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，得率達到50%以上，從而降低生物質(zhì)炭的制造成本，拓寬其應用范圍。二．技術(shù)路線酸催化生產(chǎn)技術(shù)路線見下圖，生物質(zhì)粉碎后，采用一定酸浸濕潤，干燥后進行炭化及活化，控制在4000C下炭化完全冷卻，炭化活化過程進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)開發(fā)內(nèi)容及指標技術(shù)開發(fā)內(nèi)容生物質(zhì)原料的篩選及酸種類的篩選溫度、時間工藝參數(shù)的優(yōu)化；粘結(jié)劑的選擇與添加工藝確定日處理1噸中試放大設備選擇與設計；技術(shù)指標生物質(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)濟效益初步分析生物質(zhì)炭售價按3000元/噸計算，原材料及處理成本約1500元/噸；按年生產(chǎn)1萬噸計算，年效益為=（3000-1500）x10000=1500萬元。 本項目作為生物質(zhì)炭新工藝相對于傳統(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)濟效益非常顯著，如果作為活性炭使用效益更加顯著。同時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；同時可以減少化肥施用量，達到減 施以保護地表環(huán)境免受富營養(yǎng)化污染。目前重金屬造成農(nóng)田的污染修 復以及化肥減施大部分屬于國家公益項目。 農(nóng)田重金屬固定技術(shù)已經(jīng)在天津東麗區(qū)區(qū)示范運行 3 年，運行效 果好，蔬菜重金屬達到標準，增加農(nóng)作物產(chǎn)量，減少化肥施用，因此， 廣受農(nóng)民歡迎。

由生物質(zhì)制成的炭具有無煙、無味、熱值高等特點，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)，延長碳在土壤中的封存時間，降低溫室效應對全球氣候變化的負面影響。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，可凈化水質(zhì)，吸附土壤中一些常見的環(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)等領域。 目前，已有的生物炭生產(chǎn)系統(tǒng)都會至少存在下列問題之一：①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對原料要求高，應用范圍受到限制，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）。針對以上問題，東南大學將炭化過程產(chǎn)生的副產(chǎn)品（焦油和熱解氣）進行燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣采用內(nèi)外聯(lián)合加熱方式為生物質(zhì)炭化過程提供熱量，無焦油產(chǎn)生，實現(xiàn)連續(xù)式進出料和能量梯級利用。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)定運行。 本技術(shù)已申請國家發(fā)明專利3件（授權(quán)2件），發(fā)表學術(shù)論文12篇，獲國家“973”、江蘇省環(huán)保廳科技項目支持。

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；同時可以減少化肥施用量，達到減施以保護地表環(huán)境免受富營養(yǎng)化污染。目前重金屬造成農(nóng)田的污染修復以及化肥減施大部分屬于國家公益項目。 農(nóng)田重金屬固定技術(shù)已經(jīng)在天津東麗區(qū)區(qū)示范運行 3 年，運行效果好，蔬菜重金屬達到標準，增加農(nóng)作物產(chǎn)量，減少化肥施用，因此，廣受農(nóng)民歡迎。

活性炭是現(xiàn)代化學工業(yè)，石油工業(yè)，食品工業(yè)，醫(yī)藥工業(yè)，飲用水處理等行業(yè)不可缺少的處理吸附，脫色，凈化劑，應用范圍十分廣泛，尤以粒狀活性炭最為重要，世界上許多國家和地區(qū)都十分重視它。在日本，丹麥，瑞典，美國等發(fā)達國家研究，生產(chǎn)應用活性炭的歷史近百年；在中國雖然起步較晚，但在應用硬果殼制備活性炭的生產(chǎn)工藝方面有較大的成功，先后有采用核桃殼，椰子殼，棕櫚殼，桃核，杏仁殼及木屑等為原料來制備粒狀或粉狀活性炭，由硬果殼制備的活性炭均為粒狀，可再生重復使用，應用價值大；由木屑制備的粒狀活性炭，生產(chǎn)成本較低，一般為一次性使用，不便于再生。活性炭生產(chǎn)方法可分為物理活化法和化學活化法兩大類，各有優(yōu)缺點，但化學活化法由于活化劑種類及濃度的不同而使活性炭的孔徑大小，長短等主要技術(shù)指標有較大的差異，人們通過控制選擇活化劑，活化劑濃度，PH值大小；活化溫度高低等條件來達到制備出不同規(guī)格型號的粒狀活性炭，以供不同用途選用。

由生物質(zhì)制成的炭具有無煙、無味、熱值高等特點，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)，延長碳在土壤中的封存時間，降低溫室效應對全球氣候變化的負面影響。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，可凈化水質(zhì)，吸附土壤中一些常見的環(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)等領域。 目前，已有的生物炭生產(chǎn)系統(tǒng)都會至少存在下列問題之一：①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對原料要求高，應用范圍受到限制，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）。針對以上問題，東南大學將炭化過程產(chǎn)生的副產(chǎn)品（焦油和熱解氣）進行燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣采用內(nèi)外聯(lián)合加熱方式為生物質(zhì)炭化過程提供熱量，無焦油產(chǎn)生，實現(xiàn)連續(xù)式進出料和能量梯級利用。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)定運行。

活性炭作為一種多孔材料，由于其具有發(fā)達的孔徑結(jié)構(gòu)和豐富的表面官能 團，所以廣泛應用于國民經(jīng)濟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，若不及時收割，會導致基質(zhì)阻塞和腐爛 等問題。當前濕地植物秸稈大多通過焚燒和填埋的方式進行處理，利用率低且 污染環(huán)境。本項目技術(shù)在研究過程中發(fā)現(xiàn)，濕地植物秸稈具有孔結(jié)構(gòu)發(fā)達、碳 含量高等特點，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，簡化工藝，提 升活性炭性能；再次，使用新型活化劑，實現(xiàn)一步法直接活化生產(chǎn)目標活性炭， 使其具有特定孔徑結(jié)構(gòu)和官能團。 本項目技術(shù)制備出的新型活性炭，比表面積高，表面官能團豐富，對重金 屬、有毒有害有機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，過程簡單，速度快，制備成本低，產(chǎn)品性能優(yōu)異，具有良好的實用性能。

本發(fā)明涉及一種在泡沫炭材料表面原位合成Si3N4涂層的方法，屬于新材料技術(shù)領域。其主要特點在于利用泡沫炭多孔結(jié)構(gòu)及Si3N4納米纖維復合體對自來水中顆粒及污染物的過濾和吸附功能實現(xiàn)軟凈水一體化功能。

　活性炭是利用富碳的原料，通過物理或化學的方法，經(jīng)炭化活化制得的產(chǎn)品。制造活性炭的原料包括各種煤炭（約占52%）、木材（約33%）、椰子殼和各種堅果殼、果核（10%）、以及其它農(nóng)林副產(chǎn)品（少于5%）。煤炭作為一種重要的化工原料，特別是在我國的煤炭供應嚴重不足的情況下，用煤炭生產(chǎn)活性炭成本較高。近年來，由於我國天然林保護工程的實施，國內(nèi)木材產(chǎn)量銳減，擴大木質(zhì)活性炭生產(chǎn)規(guī)模也受到限制。而另一方面，國際市場上商業(yè)活性炭的價格持續(xù)下降。隨著我國社會經(jīng)濟快速發(fā)展和世界經(jīng)濟一體化進程，尋找價格低廉且資源豐富的活性炭生產(chǎn)原料已成為我們的當務之急。竹材，是一種可再生的林業(yè)產(chǎn)品，它的化學組成與木材基本相同（纖維素、半纖維素和木素等），作為活性炭的生產(chǎn)原料有著廣闊的前景。采用竹材生產(chǎn)活性炭不僅能獲得經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益，又能促進竹類資源的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)與提升。研究中的有關成果（例如表面化學特性與相吸附能力的關系、一步法制備高效活性炭工藝、炭化過程的兩步連續(xù)反應數(shù)學模型、和活性炭的表面官能團及其化學吸附機理的研究等）引起國內(nèi)外同行的廣泛關注，紛紛來信索取論文單行本，并通過電子郵件深入討論。正是基于創(chuàng)造性地利用農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)換成高效的環(huán)保產(chǎn)品，2001年10月與新加坡南洋理工大學賴奕章(Lua Aik Chong)教授共享由Asian Economic Review 主辦的2001年亞洲發(fā)明大獎(Asian Innovation Award 2001)。本人愿為我國竹材資源的合理利用、高效低價活性炭的開發(fā)生產(chǎn)、吸附分離理論體系的完善、以及開發(fā)活性炭的應用新領域貢獻自己微薄的力量。