孫 昊, 孫云娟, 繆存標, 孫 康, 蔣劍春*

(1.中國林業(yè)科學研究院 林產(chǎn)化學工業(yè)研究所;生物質(zhì)化學利用國家工程實驗室;國家林業(yè)和草原局林產(chǎn)化學工程重點實驗室;江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點實驗室,江蘇 南京 210042; 2.福建元力活性炭股份有限公司, 福建 南平 354200)

活性炭是指由木質(zhì)(木料、果殼、果核)、煤質(zhì)和石油焦等含碳的原料經(jīng)熱解、活化加工制備而成的多孔性炭材料[1]?；钚蕴渴且环N常用的吸附劑,與其它吸附劑(如漂白土、酸性白土、硅凝膠、活性氧化鋁等)相比,具有比表面積大、孔隙結(jié)構發(fā)達、選擇性吸附能力強[2]、表面化學基團豐富、物理化學性質(zhì)穩(wěn)定、耐酸堿、耐高溫,且具有催化作用和可再生等特性,被廣泛應用于國民經(jīng)濟各領域。英國科學家Rapheal von Ostrejko于1900年申請了英國專利B.P.14224和B.P.18040,首先研究開發(fā)了CO2和水蒸氣活化生產(chǎn)具有吸附能力的活性炭,并且成功應用于防毒面具中,由此奠定了近代活性炭工業(yè)的技術基礎。1911年,奧地利的Fanto公司和荷蘭Norit公司首先生產(chǎn)糖液脫色用粉狀活性炭。在食品工業(yè)上很多產(chǎn)品生產(chǎn)過程中都要用活性炭進行脫色精制,去除雜質(zhì)和異味。在制藥工業(yè)方面,為脫色、除臭、提高藥物純度、避免副作用等,原料藥、針劑類等產(chǎn)品都要經(jīng)活性炭處理。在防止大氣污染方面,國外很多大型電廠采用活性炭脫硫工藝,美、日、西歐早在10年前就用活性炭吸附的燃油蒸發(fā)裝置控制汽車尾氣污染。時至今日,活性炭已廣泛應用于軍工、食品、醫(yī)藥、化工、農(nóng)業(yè)、環(huán)保和水處理等工業(yè)和生活的各個方面[3]。隨著科學技術的發(fā)展和人們生活水平的提高,活性炭已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)、生態(tài)環(huán)境和人們生活中不可或缺的炭質(zhì)吸附材料。

1 國內(nèi)外活性炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

100多年來,發(fā)達國家的活性炭工業(yè)經(jīng)歷了導入期(1900～1950年)、成長期(1950～1990年)、成熟期(1990～現(xiàn)在)的發(fā)展。2018年,全球活性炭需求量約165.0萬噸,同比增長6.7%；2013～2017年的年均復合增長率為6.3%[4]；預計到2025年全球活性炭需求量接近210.0萬噸。從活性炭的人均用量看,發(fā)達國家為0.7～0.85 kg,而且50%以上用于水處理和環(huán)保領域。2018年全球活性炭市場總額為54億美元,其中水處理應用市場產(chǎn)值為16億美元,空氣凈化應用市場產(chǎn)值11億美元；中國繼續(xù)主導亞太地區(qū)的活性炭市場，其次是日本和韓國。

在世界范圍內(nèi),美國卡博特(Cabot)收購荷蘭諾瑞特(Norit)后成為全球最大的活性炭生產(chǎn)商,日本大阪燃氣化學有限公司收購瑞典雅可比以來躍升至第二位。目前國際上其他主要活性炭生產(chǎn)和銷售企業(yè)有：日本可樂麗(Kuraray,2018年收購了卡爾岡活性炭公司)、美國英杰維特(Ingerity)、日本吳羽化學(KUREHA)、德國Donau Carbon GmbH、德國Silcarbon Akilotonivkohle GmbH、美國Oxbow Activated Carbon、德國萊茵集團(RWE Group)、法國阿科瑪(Arkema SA)、美國雅寶公司(Albemarle Corporation)、懿華水處理技術公司(Evoqua Water Technologies)等。世界上約有50個國家生產(chǎn)活性炭,美國、日本和歐州等發(fā)達國家和地區(qū)的活性炭產(chǎn)業(yè)已具備連續(xù)化、無公害化、自動化和大型化等特點。國外活性炭龍頭企業(yè)主要產(chǎn)品及技術見表1。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

活性炭是工業(yè)生產(chǎn)和人們生活中不可或缺的理想的吸附材料,已被列入我國《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類(2018)》目錄。與國外成熟市場相比,我國活性炭需求市場正處于導入期向成長期過渡的時期,在此階段,我國下游領域?qū)钚蕴慨a(chǎn)品的需求迅速增加,未來消費發(fā)展空間十分廣闊。

目前中國是世界活性炭第一生產(chǎn)和出口大國,2018年中國活性炭產(chǎn)量約89.7萬噸,其中煤質(zhì)活性炭產(chǎn)量約43.0萬噸,木質(zhì)活性炭產(chǎn)量46.7萬噸[5],預計到2025年活性炭產(chǎn)量接近100.0萬噸。同時，中國是世界第二大活性炭消費國,僅次于美國,2018年中國活性炭需求量在44萬噸左右,全球占比約26.7%[6]。

表1 國外活性炭龍頭企業(yè)的現(xiàn)狀Table 1 Status quo of foreign leading enterprises for activated carbon

在木質(zhì)活性炭方面,國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)主要位于福建、江西、浙江、貴州等有豐富森林資源的省份,其中福建、江西和浙江三省的產(chǎn)量分別為22.4、 6.1和5.2萬噸，合計占全國木質(zhì)活性炭總產(chǎn)量的70%以上。在煤質(zhì)活性炭方面,國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)主要位于山西、寧夏及新疆等煤炭資源豐富的省區(qū),其中山西、寧夏、新疆三地的產(chǎn)量占全國煤質(zhì)活性炭總產(chǎn)量的80%以上[7]。未來,受環(huán)保及煤炭行業(yè)供給側(cè)改革的影響,煤質(zhì)活性炭的產(chǎn)量將出現(xiàn)下滑[8]；而木質(zhì)活性炭產(chǎn)品的產(chǎn)量將穩(wěn)步提升[9]。2018年,中國木質(zhì)活性炭領域的龍頭企業(yè)福建元力活性炭股份有限公司,其活性炭產(chǎn)量在木質(zhì)活性炭市場占比15%以上[10]；雖然中國活性炭企業(yè)數(shù)量已由20世紀80年代初的幾十家增加到目前的近500家,但年產(chǎn)量萬噸規(guī)模以上的企業(yè)不足10家。

經(jīng)過多年的發(fā)展,活性炭已經(jīng)逐漸從工業(yè)用吸附劑轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N用途廣泛的基礎性材料。隨著中國經(jīng)濟的快速增長和對環(huán)境保護、食品安全的日益重視,活性炭應用領域不斷擴大,需求增長迅速。特別是中國關于環(huán)境保護的相關規(guī)則頒布后,水處理、機動車、溶劑和廢氣回收以及空氣凈化用的活性炭市場需求劇增,活性炭工業(yè)成為我國經(jīng)濟增長速度最快的工業(yè)之一。

食品飲料、水處理、化工和醫(yī)藥行業(yè)是我國活性炭的主要消費領域。2019年我國活性炭需求量約為65.85萬噸[11],其中食品行業(yè)的活性炭需求量約為18.68萬噸,占全年總需求量的28.37%,在食品工業(yè)方面很多產(chǎn)品都要用活性炭進行脫色、精制、去除雜質(zhì)和異味等,如糖、味精、調(diào)味品、果膠、酒類、飲料、食用油等；水處理市場是活性炭最大的消費市場,2019年水處理用活性炭需求量約為22萬噸,占全年活性炭總需求量的33.40%；化工行業(yè)和醫(yī)藥行業(yè)領域活性炭需求占比分別為13.62%和 17.87%,制藥工業(yè)領域活性炭可用于脫色、提純、吸附熱原等,廣泛應用于原料藥、針劑類產(chǎn)品的生產(chǎn)；其他領域的需求約為6.74%。隨著世界經(jīng)濟不斷發(fā)展、人們生活水平進一步提高以及各國對食品醫(yī)藥安全標準、環(huán)境保護標準的日趨嚴格化,活性炭的傳統(tǒng)應用市場將隨之穩(wěn)步擴大。此外,隨著人們對活性炭研究的不斷深入,活性炭在新能源儲存、綠色催化劑、核輻射防護等新興應用領域的應用開發(fā)也日益加快,其未來的應用領域和應用數(shù)量都將快速增加。預計2025年國內(nèi)活性炭市場需求將達到93萬噸左右[12]。

我國雖然是世界活性炭第一生產(chǎn)和出口大國,但活性炭工業(yè)依然處在成長期,目前存在生產(chǎn)過程有污染、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、活性炭應用領域窄、高端產(chǎn)品部分依賴進口等問題。

1.3 國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)發(fā)展差距分析

與國外活性炭產(chǎn)業(yè)相比，目前國內(nèi)活性炭產(chǎn)業(yè)還存在不少差距，主要體現(xiàn)在3個方面：1) 木質(zhì)活性炭的原料主要為林特資源提取剩余物、采伐剩余樹干、修剪枝丫、果殼(核)等,受原料資源的季節(jié)性和分散性約束,原料的收集、貯存、運輸難度大、成本高,供給不穩(wěn)定,導致了國內(nèi)活性炭生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量多且分散、生產(chǎn)規(guī)模較小。2) 世界貿(mào)易中,近年國內(nèi)木質(zhì)活性炭的平均出口價格為1 100美元/噸,產(chǎn)品價格穩(wěn)中有升,但進口價格保持在6 000美元/噸以上。因此,一方面，除已有活性炭產(chǎn)品外,在專用及精制活性炭制備及應用技術方面,需繼續(xù)向包括電子行業(yè)、醫(yī)藥及生化行業(yè)、環(huán)境污染控制及石油化工高效催化劑載體等在內(nèi)的應用領域延伸,擴大應用市場,提高國際競爭力；另一方面,國內(nèi)公司應加大對高端產(chǎn)品的研發(fā)和市場推廣力度,如電化學儲能炭材料、碳氣凝膠材料、炭基催化劑等創(chuàng)新領域,加大開拓發(fā)達國家市場的力度,提高對發(fā)達國家的銷售份額,推動本土品牌向國際化發(fā)展。3) 活性炭綠色制造技術和產(chǎn)品性能控制手段有待提升?；罨瘎┦腔瘜W法制備活性炭的關鍵,傳統(tǒng)的技術不僅需要消耗大量的活化劑,且因為活化劑難以回收而危害環(huán)境。近年來,隨著科技的發(fā)展和活化工藝的進步,活化劑低消耗制備工藝被越來越多的應用。如美國企業(yè)通過活化劑低消耗工藝,以磷酸法制備活性炭,每噸活性炭的磷酸消耗低于200 kg；日本企業(yè)采用回轉(zhuǎn)爐兩段法,在較低溫度和較少氯化鋅用量下制備高端活性炭[9]?；罨瘎┑牡拖牟粌H會降低生產(chǎn)的成本,還能夠?qū)崿F(xiàn)清潔生產(chǎn)與保護環(huán)境。目前,國內(nèi)僅有福建元力活性炭股份有限公司等幾家大型企業(yè)可以將磷酸法活性炭生產(chǎn)的噸產(chǎn)品酸耗降至150 kg以下。

此外,國外企業(yè)通過對活性炭微孔結(jié)構和表面化學基團進行精準調(diào)控,實現(xiàn)了活性炭產(chǎn)品的多樣化、專用化和高端化。而國內(nèi)活性炭企業(yè)主要通過碘吸附值、甲苯吸附率等吸附標準指標來評價活性炭產(chǎn)品的優(yōu)劣,缺乏對活性炭產(chǎn)品結(jié)構、性質(zhì)與其在應用領域的關鍵性能之間的構效關系的研究,活性炭制造企業(yè)和活性炭應用企業(yè)之間缺乏集成開發(fā),進而導致了部分高端活性炭產(chǎn)品依賴進口的現(xiàn)狀。

2 福建元力活性炭股份有限公司案例分析

2.1 案例背景

福建元力活性炭股份有限公司(以下簡稱元力公司，圖1)創(chuàng)立于1999年,注冊資本24 480萬元,于2011年2月在深圳創(chuàng)業(yè)板成功上市。目前主營業(yè)務為木質(zhì)活性炭和硅酸鈉的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售,是國內(nèi)綜合實力最強的木質(zhì)活性炭生產(chǎn)企業(yè),也是國內(nèi)唯一的活性炭上市公司。目前擁有3個全資子公司和一個控股子公司。

圖1 福建元力活性炭股份有限公司Fig.1 Fujian Yuanli Active Carbon Co.,Ltd.

元力公司一直致力于木質(zhì)活性炭的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售,經(jīng)過20多年的精耕細作、悉心打造,木質(zhì)活性炭的產(chǎn)銷量占國內(nèi)市場的15%以上,主要產(chǎn)品為以木質(zhì)、果殼等為原料的粉狀活性炭、柱狀活性炭、不定型顆?；钚蕴康?。元力公司在福建南平、福建莆田、江西玉山、內(nèi)蒙古滿洲里、上海設有6個活性炭生產(chǎn)基地,其中南平有2個生產(chǎn)基地。2020年活性炭生產(chǎn)能力達11萬噸,利用當?shù)卣翗?、松樹、杉樹等林業(yè)特色木材加工剩余物資源(木屑、竹粉、木片、果殼等)為主要生產(chǎn)原料進行生產(chǎn)。

元力公司在產(chǎn)量和銷售方面長期穩(wěn)居全國木質(zhì)活性炭行業(yè)第一位,作為中國木質(zhì)活性炭基地的領軍企業(yè),公司是首家通過ISO9001認證、ISO14000認證、OHSAS18001認證的活性炭企業(yè)。公司還取得了食品添加劑植物活性炭生產(chǎn)許可證,藥品生產(chǎn)許可證藥用輔料(藥用炭)相關批件和NSF水處理炭認證。供應活性炭產(chǎn)品憑借其高性價比與服務,在國內(nèi)建立起了體系完備、響應快速的營銷網(wǎng)絡,產(chǎn)品覆蓋發(fā)酵行業(yè)、食品添加劑、醫(yī)藥行業(yè)、化工行業(yè)、水處理行業(yè)等。公司積極實施海外市場拓展,目前海外業(yè)務已布及法國、俄羅斯、意大利、土耳其、澳大利亞、日本、泰國、印度、阿根廷、巴西、南非等幾十個國家和地區(qū),2019年活性炭出口量達2.9萬噸,名列行業(yè)第一。

2.2 現(xiàn)有規(guī)模及主要生產(chǎn)工藝

福建元力活性炭股份有限公司從1999年起就著力研究開發(fā)以林區(qū)再生資源(如鋸末、板坯、枝丫等)為原料生產(chǎn)木質(zhì)活性炭,并取得突破性進展。同時企業(yè)不斷提高生產(chǎn)技術,改進生產(chǎn)裝備。2008年起自主創(chuàng)新開發(fā)出年產(chǎn)5 000～8 000噸物理法、化學法活性炭連續(xù)一體化生產(chǎn)線,并開始在6個活性炭生產(chǎn)基地推廣應用,并于2010年優(yōu)化設計制造出年產(chǎn)10 000噸全球最大規(guī)模化學法活性炭自動化生產(chǎn)線。2020年元力公司活性炭總產(chǎn)能達11萬噸,2020年預計活性炭產(chǎn)量達10萬噸以上,年利用林木三剩物約30萬噸(含生物質(zhì)燃料)。

元力公司磷酸法活性炭生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。由圖可知，生產(chǎn)過程主要包括以下幾個方面：1) 捏合。原料木屑與磷酸在捏合機內(nèi)進行充分捏合,捏合好的原料,由螺旋送料器送入炭化活化一體化轉(zhuǎn)爐。2) 炭化、活化。捏合料與高溫煙氣在轉(zhuǎn)爐內(nèi)逆流接觸進行炭化、活化,物料活化溫度420～480 ℃。3) 炭化、活化尾氣處理。尾氣經(jīng)調(diào)質(zhì)處理和高壓電場除塵、除焦、除酸,回收磷酸,尾氣達標排放。4) 酸回收、洗滌。將活化炭與回收水充分混合后進入除砂工序,除去炭中夾帶的砂質(zhì)類物質(zhì)后送至分離洗滌工序,將炭與磷酸分離,達到標準后用皮帶機送至壓濾系統(tǒng),經(jīng)八級壓濾洗滌后,進行成品烘干。5) 成品烘干。利用物理炭生產(chǎn)過程產(chǎn)生的尾氣燃燒產(chǎn)生的熱能進行干燥處理,并利用換熱器回收余熱。6) 研磨、包裝。烘干后的物料經(jīng)研磨、調(diào)質(zhì),通過無塵包裝機包裝為成品。

圖2 磷酸法活性炭生產(chǎn)工藝流程圖Fig.2 Process flow diagram of production

元力公司將物理炭生產(chǎn)線和化學炭生產(chǎn)線聯(lián)合考慮,使系統(tǒng)熱能實現(xiàn)充分循環(huán)回收利用,物理法工藝主要設備是沸騰爐和旋噴爐,將沸騰爐、旋噴爐的尾氣燃燒作為化學炭炭化、活化、成品烘干的熱能,利用不同溫度煙氣產(chǎn)生蒸汽,或加熱水,或加熱空氣,逐級回收余熱。而原料干燥工段所需的熱量由熱風干燥爐提供,熱風干燥爐以木屑等剩余物為燃料。

2.3 可推廣經(jīng)驗

福建元力活性炭股份有限公司經(jīng)過20多年的努力，已經(jīng)成為國內(nèi)綜合實力最強的木質(zhì)活性炭生產(chǎn)企業(yè)，其發(fā)展過程中有不少可借鑒的經(jīng)驗，主要包括以下3方面。

2.3.1建立生產(chǎn)基地，保障豐富的原料來源 元力公司在福建南平、福建莆田、江西玉山、內(nèi)蒙古滿洲里和上海均設有生產(chǎn)基地。元力公司的南平分公司位于福建省南平市,被稱為“綠色寶庫”,自然植被屬中亞熱帶綠闊葉林地,典型的植被為濕性常綠闊葉林、帶綠落葉闊葉林,主要人工植被以馬尾松、杉木為主,還有部分油桐、茶樹等經(jīng)濟林木,森林覆蓋率77%以上,林場年采伐量600多萬m3,采伐及加工剩余物如鋸末、碎材、枝丫等約有200萬噸/年。

荔元分公司位于福建省莆田市秀嶼區(qū),莆田秀嶼國家級木材貿(mào)易加工示范區(qū)是國家林業(yè)和草原局、商務部、海關總署批準的進口原木加工鋸材出口試點基地,國家質(zhì)檢總局批準加拿大BC省1 000萬m3原木進口我國只能經(jīng)過秀嶼進口木材檢疫除害處理區(qū)。該區(qū)已落地木材加工企業(yè)數(shù)十家，每年有幾十萬噸的廢棄鋸末、沙光粉、刨花、樹皮產(chǎn)生。

懷玉山分公司位于江西省上饒市玉山縣玉山工業(yè)園區(qū)內(nèi),玉山地處閩、浙、贛交界處,林業(yè)資源極為豐富。浙江賀村竹木工業(yè)專業(yè)區(qū)距公司30多公里,運輸方便,專業(yè)區(qū)內(nèi)有木材加工企業(yè)1 080家。其中，木材深加工企業(yè)200多家,年木材交易量達150萬m3,年加工木材近105萬m3,產(chǎn)生加工剩余物35萬m3。

滿洲里元力活性炭有限公司位于內(nèi)蒙古滿洲里市扎區(qū)重化工基地。滿洲里地處中俄邊境,滿洲里口岸承擔著一半的中俄木材貿(mào)易。2017年滿洲里口岸共進口木材1 184.1萬m3,其中進口原木393.3萬m3,生產(chǎn)木質(zhì)活性炭所需的木屑資源極為豐富,為國內(nèi)罕見,目前其年加工剩余物產(chǎn)生量達到130萬m3。

2.3.2創(chuàng)新研發(fā)活性炭先進制造技術及裝備，為活性炭的高效生產(chǎn)提供保障 與中國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所聯(lián)合開發(fā)8 000噸/年的物理法-化學法活性炭連續(xù)一體化生產(chǎn)技術(圖3),并在4個分公司建設投產(chǎn)。利用物理法的炭化尾氣為化學法生產(chǎn)供熱,替代燃煤供熱,降低成本,提高活性炭品質(zhì),實現(xiàn)生產(chǎn)過程無燃煤消耗,同時得到物理法活性炭和化學法活性炭。優(yōu)化設計制造出年產(chǎn)10 000噸全球最大規(guī)?；瘜W法自動化生產(chǎn)線(圖4)，并通過技術集成,噸產(chǎn)品磷酸消耗從傳統(tǒng)的200 kg以上降低至150 kg以下,實現(xiàn)了磷酸法活性炭的低消耗清潔生產(chǎn)。創(chuàng)新回轉(zhuǎn)爐九段供熱技術,提升活性炭產(chǎn)品質(zhì)量,顯著降低尾氣中顆粒物、二氧化硫、氮氧化物等的排放量。創(chuàng)制顆粒廢炭控氧熱解技術,實現(xiàn)再生活性炭的低灰分和高得率,得率達90%以上。

圖3 集成生物質(zhì)燃氣供熱與木質(zhì)活性炭生產(chǎn)一體化裝備Fig.3 Integrated equipment for biomass gas heating and production of wooden activated carbon

圖4 10 000噸/年磷酸法活性炭生產(chǎn)線Fig.4 10 000 tons/year equipment for phosphoric acid activated carbon

2.3.3重視產(chǎn)學研合作,開發(fā)高端活性炭產(chǎn)品 元力公司通過不斷學習和研究國內(nèi)外活性炭先進技術,加強與高校及科研機構的合作,聘請行業(yè)資深專家教授作為企業(yè)技術顧問,公司在行業(yè)內(nèi)確立了較強的自主創(chuàng)新優(yōu)勢和核心競爭能力,在活性炭生產(chǎn)技術和新型活性炭應用研究方面填補了很多國內(nèi)技術空白,開發(fā)了高性能的藥用炭、注射藥劑精制用活性炭、食品添加劑專用活性炭、顆粒糖液吸附炭、催化劑載體炭等高端產(chǎn)品。公司實驗室已于2015年被認定為“福建省重點實驗室”,并與中國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所聯(lián)合成立活性炭研發(fā)中心。公司現(xiàn)已獲得51項國家發(fā)明和實用新型專利權的授權,并參與完成了多項省級以上課題的研究。

2.4 存在的問題

2.4.1活性炭生產(chǎn)技術智能化水平不高 元力公司雖然是國內(nèi)木質(zhì)活性炭行業(yè)的領軍企業(yè)，但依然在生產(chǎn)線智能化水平、廢炭再生和產(chǎn)品性能等方面亟需提升改進。近幾年國內(nèi)活性炭生產(chǎn)技術發(fā)展迅速,但與國外大公司相比,在生產(chǎn)線的自動化和智能化方面差距較大。國外企業(yè)通過遠程信息化控制,大量使用機器人等手段減少用工,提升生產(chǎn)穩(wěn)定性。隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展人力成本越來越高,活性炭生產(chǎn)線的自動化和智能化改造升級勢在必行。

2.4.2廢炭再生技術仍需提升 目前活性炭應用企業(yè)為減少活性炭廢棄物量,提高活性炭資源利用率,降低成本,對活性炭再生技術需求迫切。國內(nèi)粉狀活性炭再生技術落后,難以滿足批量生產(chǎn)和環(huán)保的要求；同時廢炭烘干過程中揮發(fā)性氣體的處理技術仍有待開發(fā)。

2.4.3木質(zhì)顆?；钚蕴啃阅苡写岣?與煤質(zhì)活性炭相比，木質(zhì)活性炭的性能仍有待提升，雖然木質(zhì)活性炭比煤質(zhì)活性炭具有更發(fā)達的孔道、豐富的表面基團和較強的吸附能力,但仍需提高木質(zhì)活性炭的著火點,避免在許多有機溶劑吸附及再生過程中存在易著火的問題；木質(zhì)活性炭的親水性強,導致產(chǎn)品對應用場景的濕度要求較高,需提高木質(zhì)活性炭的疏水性能；木質(zhì)活性炭的磨失率高,導致連續(xù)吸附過程床層阻力逐漸增加,降低過濾速度和吸附效率；木質(zhì)活性炭的特定吸附性仍需提升。

3 未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求分析

3.1 國家戰(zhàn)略層面

3.1.1保障國家食品、藥品和軍事安全 民以食為天,食以安為先。在我國國民經(jīng)濟中,食品工業(yè)占有重要的地位。活性炭在食品生產(chǎn)中具有脫色、脫臭、除去膠體和雜質(zhì)、提高結(jié)晶、增強穩(wěn)定性、調(diào)香以及有效物質(zhì)精制、回收和分離等多種功能,廣泛用于糖、味精、釀造、飲料、乳制品、食用油以及食品添加劑等領域[13],如表2所示。因此,活性炭在現(xiàn)代食品工業(yè)中具有舉足輕重的地位,可有效保障國家食品安全。

表2 木質(zhì)活性炭在食品工業(yè)的應用Table 2 Application of wood activated carbon in food industry

活性炭具有良好的穩(wěn)定性和選擇性吸附能力,因此在制藥行業(yè)常用來吸附熱原、除雜(細菌內(nèi)毒素、懸浮物等)精制、脫色、助濾等,無論是化學合成藥、生物制劑、維生素、抗生素、激素還是針劑、大輸液等均需要用到活性炭[14],活性炭是制藥生產(chǎn)中重要的吸附材料。在藥物制備過程中去除熱原是當今生物技術領域中的一大難題,生產(chǎn)中避免熱原污染制品及清除熱原的工作顯得尤為重要。當注射液(針劑或大輸液)中含有熱原時,注射到人體內(nèi)將會危害病人的健康[15]。因此,活性炭產(chǎn)業(yè)的健康與快速發(fā)展,將促進制藥工業(yè)的安全發(fā)展,保障人民群眾的身體健康和生命安全。

超級電容活性炭可用于軍用坦克、裝甲車的啟動和轉(zhuǎn)向動力系統(tǒng),高導電炭材料具有吸收電磁波的功能,可以用于軍事隱身材料,高吸附性活性炭對機油洗除效果優(yōu)良,用于軍用車輛可延長機油使用壽命3倍,提高部隊持續(xù)作戰(zhàn)能力。

3.1.2促進節(jié)能減排 木質(zhì)活性炭產(chǎn)業(yè)是利用林業(yè)加工剩余物為原料制備功能型多孔炭材料,既可降低木質(zhì)剩余物對環(huán)境的危害,改善生態(tài)環(huán)境,同時活性炭對氣液相污染物排放的治理效果顯著?；钚蕴勘旧砭哂辛己玫奈叫阅?在工業(yè)廢水處理、有毒有害氣體凈化、揮發(fā)性有機溶劑吸附和回收、室內(nèi)空氣凈化、脫硫脫硝脫汞及土壤修復等領域是不可或缺的,可以有效推動我國打贏“碧水藍天”保衛(wèi)戰(zhàn)。隨著國際社會對節(jié)能減排的要求越來越高,活性炭產(chǎn)業(yè)越來越受到人們的關注。林業(yè)生物質(zhì)活性炭產(chǎn)業(yè)的顯著特點在于資源和環(huán)境的雙贏。

3.1.3推動社會主義新農(nóng)村建設 通過將可再生林業(yè)資源轉(zhuǎn)化為活性炭后再利用,可拓展資源利用途徑,提高資源利用水平,推進資源節(jié)約和循環(huán)利用,改善農(nóng)村的人居環(huán)境。同時,活性炭的原料收集可以為農(nóng)民增收,為“三農(nóng)”提供一個新的增收渠道。因此,大力發(fā)展活性炭產(chǎn)業(yè),將給農(nóng)村經(jīng)濟和農(nóng)民帶來巨大的經(jīng)濟效益,有利于建設資源節(jié)約型的新農(nóng)村,進而建設文明和諧的新農(nóng)村。

3.2 行業(yè)層面

3.2.1精準扶貧 我國經(jīng)濟林和竹林種植面積大,生物產(chǎn)量高,且多在偏遠山區(qū)。按照全國木質(zhì)活性炭40萬噸產(chǎn)量來計算,可每年利用林木剩余物150萬噸以上,按照林木剩余物400元/噸計算,可實現(xiàn)農(nóng)民增收6億元,扶貧效果明顯。木質(zhì)活性炭產(chǎn)業(yè)是兼具經(jīng)濟效益、社會效益及生態(tài)效益的產(chǎn)業(yè)。

3.2.2延伸產(chǎn)業(yè)鏈 活性炭不僅在液相吸附、氣體凈化、溶劑回收、土壤修復等產(chǎn)業(yè)中作為良好的吸附材料,有效保障我國食品、醫(yī)藥的安全,同時在其他一些創(chuàng)新領域也是不可或缺的多孔功能材料。在工業(yè)催化方面,活性炭作為催化劑或催化劑載體,能夠廣泛應用于石油化工、煤化工、生物質(zhì)液體燃料提質(zhì)、醫(yī)藥和農(nóng)藥中間體合成等領域[16-18],推動化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展；在儲能領域,活性炭可以用于物理/化學儲氫、雙電層儲電、電極材料等[19]；在醫(yī)用領域,活性炭可用于外傷治療、口服藥、癌癥治療、血液凈化等；在防輻射領域,活性炭可以用于放射碘的補集、核反應堆排放廢氣治理、電磁屏蔽等產(chǎn)業(yè)[20]。由此可見,活性炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必將促進眾多傳統(tǒng)和創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

4 措施與建議

4.1 產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式創(chuàng)新

我國木質(zhì)活性炭的開發(fā)利用技術及設備仍有待進一步改進,應當加大科技支撐力度,促進產(chǎn)、學、研、用相結(jié)合,從3方面入手，加快活性炭綠色高端制備及大規(guī)模智能化裝置創(chuàng)新，創(chuàng)新活性炭產(chǎn)品的孔隙結(jié)構和表面基團的精準調(diào)控技術,開發(fā)活性炭產(chǎn)品的多樣化、專用化和高端化應用技術,加強科技成果轉(zhuǎn)化,進一步提高活性炭產(chǎn)業(yè)的綜合經(jīng)濟效益,保障活性炭產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。

1) 生產(chǎn)設備大型化和現(xiàn)代化,企業(yè)規(guī)模大型化。推動活性炭生產(chǎn)設備的連續(xù)化、大型化、自動化、智能化,明顯提高生產(chǎn)效率,擴大活性炭企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模至5萬噸以上,提高與國外大型活性炭企業(yè)的競爭能力。隨著活性炭生產(chǎn)的規(guī)?；l(fā)展,活性炭生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量將逐步縮減,可有效地改善中國活性炭市場的無序競爭現(xiàn)狀。

2) 產(chǎn)品多樣化、專用化和高端化。除已有的食品、藥品、環(huán)保等行業(yè)廣泛使用的活性炭產(chǎn)品外,在專用及精制活性炭制備及應用技術方面繼續(xù)向電子行業(yè)、軍工、儲氣、醫(yī)藥及生化行業(yè)及石油化工高效催化劑等應用領域延伸,擴大應用市場,為活性炭產(chǎn)品提供新的生命力,也為活性炭的研制提出新的要求,進一步提高國際競爭力,有針對性地研制具有特殊性能的專用活性炭產(chǎn)品是今后重要的研究方向之一。闡明林業(yè)剩余物熱化學轉(zhuǎn)化形成多孔炭材料的機理,突破高端活性炭產(chǎn)品微觀結(jié)構的定向調(diào)控核心技術,創(chuàng)制軍工、電子行業(yè)、輻射防護、醫(yī)藥、催化領域用活性炭新產(chǎn)品,力爭提升我國高端活性炭應用在創(chuàng)新領域的市場份額,提高活性炭噸產(chǎn)品出口價格。

3) 節(jié)能減排常態(tài)化?；钚蕴可a(chǎn)過程通過余熱鍋爐、煙氣循環(huán)等方式節(jié)約能源,并通過二次燃燒、洗滌除塵等方式降低有毒有害氣體的排放,創(chuàng)新化學法活性炭的綠色制備技術,突破磷酸綠色活化關鍵技術,降低磷酸法活性炭生產(chǎn)過程的噸產(chǎn)品酸耗。鼓勵活性炭定向再生產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新研發(fā),盡可能實現(xiàn)吸附飽和活性炭的循環(huán)利用。

4.2 將活性炭產(chǎn)業(yè)列入資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)目錄

由于活性炭在工業(yè)生產(chǎn)和民用生活中的重要作用,國內(nèi)外市場對活性炭產(chǎn)品的需求逐年增加,已成為林業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的新亮點。人工林種植區(qū)域主要在山區(qū),勞動力為當?shù)亓洲r(nóng)。目前木質(zhì)活性炭產(chǎn)業(yè)被列入化工產(chǎn)業(yè)目錄,阻礙了以農(nóng)林剩余物為主要原料的活性炭產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。建議將活性炭產(chǎn)業(yè)列入資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)目錄,同時建立保護農(nóng)民增收的原料收、儲、運制度和綠色證書交易機制,有利增加林農(nóng)收入,助力山區(qū)扶貧,同時滿足工業(yè)和民用市場對活性炭產(chǎn)品的迫切需求。

4.3 設立科研專項

建議從國家層面設立科研專項,從基礎理論、關鍵技術和產(chǎn)業(yè)化利用等方面開展研究,形成活性炭高效綜合利用科學技術和工程示范,建立產(chǎn)業(yè)化基地,加快活性炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展。促進有關科研院校加大科技研發(fā)力度,解決活性炭技術方面的諸多難題,為中國在活性炭制造和應用服務方面早日超越世界先進水平而共同努力。

4.4 政策建議

建議地方財政和銀行等金融機構對木質(zhì)活性炭產(chǎn)業(yè)給予階段性的低息和貼息貸款資金支持。建議林草局、發(fā)改委和稅務部門繼續(xù)給予木質(zhì)活性炭產(chǎn)業(yè)減免和部分減免增值稅的優(yōu)惠政策。建議通過政策導向,鼓勵和引導投資、融資機構加大對活性炭產(chǎn)業(yè)的資金注入。