竹炭研究现状和发展趋势
俞 佳 燕
（浙江临安 311300）
摘要：本文主要讲述了竹炭的起源，竹炭在国内外的研究现状，竹炭炭化工艺和物理化学性质，竹炭的用途，同时结合竹炭产品开发的多样性所涉及到食品行业，提出要人们慎食竹炭食品，根据竹炭的发展现状，提出了竹炭的发展趋势和几点建议。
关键词：竹炭、炭化工艺、竹炭用途、发展现状、发展趋势
竹炭（BC）是竹材高温热解的固体产物，空隙发达，比表面积大，具有很强的吸附能力，以及良好的导电性能。作为机能性的环境保护材料，竹炭由于其独特的性质和产品的高附加值，越来越受到人们的重视，成为竹材研究领域的一个新热点［1-2］。在大气污染和水污染的治理方面具有广阔的应用前景。它的出现不仅为竹材产业的可持续发展提供了一个新的研究和应用领域，同时也为环境保护提供了一种新型材料[3]，同时人们也逐渐意识到了竹炭在环境、保健、医药、高技术等领域有着潜在和广泛的应用前景[4]。 1.竹炭起源
在中国，炭有着悠久的历史。 而使用炭，那更是与生俱来的。大概从雷电点燃原始森林使自然形成的木炭横空出世那一刻起，我们的先民们便开始想用炭带给人们的种种环保和健康的生活。
在两千多年前，中国在炭材料的使用上创造了世界奇迹。马王堆木炭的应用就是中国古代使用木炭杰作之一。中国的先民们就已经知道炭的防腐作用。在1972年3月，湖南长沙东郊，中国考古学家发掘了马王堆一号汉古墓时，墓葬两千多年的软侯夫人的肌肤状态仍如同刚刚死去。考古学家究其原因，是因为墓葬当时人们在棺木中安放了万斤木炭。正是用于这些木炭，软侯夫人的尸体外形完整，全身柔软光滑，皮肤呈淡黄色状，肌肉和皮肤有弹性，各关节可自由弯曲。
无独有偶，在日本的古墓中也发现了使用炭保存遗体的办法，那些遗骨和木乃伊的状态十分理想。虽然津轻承公的完整的木乃伊状态只有死后一千年的历史，但也证实了酷爱研究科技的日本人在墓中放置了大量木炭的成效。 2.竹炭发展研究现状
竹炭这种新型环保产品几年前首先在东南亚地区兴起，逐步风靡日本、韩国、台湾、新加坡。竹炭产品在国内是在2003年\"非典\"以后逐步进入市场的。
目前，国际市场对环保产品需求量较大。中国是竹的故乡。以竹炭为原料制作的产品有100多种。由于竹炭产品的价格较高，其销售处于\"墙内开花墙外红\"阶段，但随着人们环保意识的普遍提高，竹炭这一新型环保产品进入寻常百姓家是指日可待。
我们对竹炭的功效还有些陌生，但在日本、韩国等地城市居民将竹炭用于日常生活已经有十来年的历史了。目前世界上竹炭的消费主要在日本、韩国、新加坡、台湾等国家和地区，这些市场对竹炭的需求基本稳定。在那里，人们已经很习惯将竹炭列为生活日用品之一，他们特别认可竹炭的环保和保健功能，所以，竹炭店到处都是，颇受大家的欢迎。
我国竹炭的生产主要集中在浙江、福建和江西等地，目前的生产厂家有几十家，但大都是近2-3年发展起来的，一般是采用采购原炭，自己生产各种制品。只有20-30%的厂家是10多年前生产木炭的企业改变产品而来，他们大都具有自己的炭窑，其中一小部分厂家具有竹炭纤维的技术。 2.1竹炭在日韩国家
竹炭制品的研究在国外主要是日本和韩国，主要研究关于竹材炭化过程、竹炭、竹醋液和竹活性炭的制造和利用。
日本竹炭和竹醋协会名誉会长、京都大学木质科学研究所科学家野村隆哉是这方面的专家。他认为，由于工业文明对生态系统的破坏等全球性环境问题日益突出，天然素材在炭化后所产生的碳结构的物理和化学功能正在受到高度重视。如竹炭的固体表面的物理性质、竹炭的固有振动产生的微弱电磁波与人体的共鸣现象、竹炭的半导体功能和屏蔽电磁波功能及负离子效应等，竹醋对过敏性皮炎和糖尿病等疾病的疗效、促进毛发生长作用、对植物的生理活性功能等。野村隆哉主张对这些物理和化学机理进行研究，并且积极地为它们开拓用途。
日本中村和善提出可用低温干馏炭作脱臭、调湿的功能材料以及用竹炭粉作电磁波屏蔽的材料。浦银治认为竹炭对CO:的吸附性能高，不腐烂、保水、透水、保肥性好，可作土壤改良剂使用。佐久间对竹炭的热水冷却试验，发现加了竹炭的热水不容易变凉，认为如果把竹炭加在洗澡水中，即使是自来水，也可获得类似温泉那样的满足感。
千叶大学的研究成果表明，竹醋的主要成分是醋酸，从中可分离出10种酚衍生物，对于如白粉病等某些植物病害也有抵抗作用。由日本农山渔村文化协会出版的《竹炭和竹醋液的制造方法与用途》一书全面地论述了日本目前关于竹炭和竹醋的研究和应用情况。作者池岛庸元说，竹炭和竹醋今后在环境保护、农业和医疗等方面可望发挥新的作用[6]。
在韩国国内，有人在做饭时，将竹炭包在纱布内放入饭中，煮出的饭味儿更[5]香；泡澡的水里放上一点竹炭，全身倍感融融暖意。韩国许多工厂生产的健康枕头，用的就是竹炭。多孔性竹炭不仅可以蓄留植物根部所需水分，还可以改善土壤的透气性和排水性，为植物的微生物提供良好的生存空间。因此在园林绿化中，盆栽土里掺进豆粒大小的竹炭，能为植物提供健康的生长环境。对庭院树木，则增强了抗病虫害的能力。一些装饰性竹炭，犹如吸水石，放于相宜的盆里，本色、自然，且有着雷劈刀削的天然痕迹.竹炭则营造出更为特殊的情趣，春秋笔法赫然在焉。这样的装饰可去臭去湿，放在电视机或其它家电用品周围，还可起到防电磁波作用。 2.2竹炭在其他国家
竹炭作为一种全新的健康环保时尚产品，不仅在新加坡的军工、医药等行业得到广泛应用，更多的是在生活消费领域的应用，它以其独特的健康保健作用被大多数消费者所接受，成为一种健康消费时尚。 目前在新加坡市场上有 12 大系列 100 多个品种。如床上用品系列、汽车坐垫系列、鞋垫系列、美肤品系列、厨用品系列、工艺品系列、炭布系列、竹醋液等。
哥伦比亚对于竹炭速干布料的研制，已成功生产出竹碳内衣。它的保暖，是因为使用的材料是纳米级的远红外线纤维，能吸收外界与人体的体温，达到蓄热保温的功能，工研院检测发现，竹炭纱的调节温度效果为一般棉制品的一倍。竹炭内衣中竹炭纱还能有促进血液循环，塑身保健减肥，纺织研究所研究发现，竹炭服饰可以提高人体浅层微血管内的血液流量约30%，有效降低疾病的风险。而血液循环好，又有助于皮下多于脂肪的代谢，避免脂肪囤积或血管阻塞[7]。 2.3竹炭在中国
关于竹炭和竹醋液的研究是近几年刚刚兴起的新的研究领域，由于竹子的分布特性所决定，使对竹炭的研究具有很强的区域性。国内对竹炭的生产和研究主要集中在浙江、江西、福建一带。
在竹炭的机能性机理的研究方面，张齐生院士领导的研究小组对竹炭的构造、机能以及对饮用水的净化做了比较详细的研究[8-9]。另外，许多科研单位的研究人员对竹炭的生产和应用方面做了大量的研究。叶良明教授等主要针对竹炭的烧制进行研究 [10-11]；还有其它学者对竹炭的含水率、挥发成分、竹醋液的成分等指标进行了检测[12]。
此外，还可利用竹炭开发医药保健品。如将竹炭粉与助剂混合装入衣服、织物、枕头、帽子、垫子和宠物用具等物品制成保健品，它具有清净空气作用、按摩作用、除臭作用、红外线作用、调温调湿作用、抗菌和杀虫的作用。 在医药上利用竹醋液作防菌杀菌剂和治疗皮肤病等医药原料，提取甲醇和醋酸等作化工原料，其他还有染料媒染剂、动物除臭剂、农药添加剂、发根促进剂、土壤改良剂、动物营养剂等。 2.3.1竹炭在浙江
中国的竹炭产业发展前景宽阔。生产企业生产主要集中在江浙沿海一带，仅浙江省为例。在
五、六年时间内，浙江的竹炭生产产业发展迅猛，比较有名的企业主要集中在遂昌、衢江、安吉、宁波和庆元等地，年产量达3000t以上，产值达3000-4000万元，竹炭品种开发也不断深入，目前已开发出建筑、环保、保健、工艺、化妆等6大类100多个品种的竹炭产品，浙江省已成为竹炭产业发展的重要生产与贸易基地，并且成为山区林业产业经济发展的新亮点[13]。 3.竹炭的炭化工艺 3.1备料
炭用材一般选用4年以上竹龄和竹材加工剩余物。因竹材从基部到梢部，其密度、腔壁结构、组成物质都有一定的差异，同时竹材的材性又受竹龄、立地条件、气候环境的影响。竹材中含大量糖类等营养物质，易发生霉蛀。因此，要选择竹龄、大小、立地条件相近的竹材一起装窑，注意竹材的保管、窑中竹材的松紧度等问题。 3.2热解
热解工艺条件决定了竹炭的品质，可结合窑体的实际情况，准确控制窑温，尤其是精炼温度，它是竹炭品质的重要指标，不同的用途采用不同的烧制工艺曲线。
竹材的热分解是在温度稍高于100℃时开始的，在150℃以下，竹材受热分解速度很慢，随着温度的升高，竹材受热分解速度显著加快；温度上升到约270℃以上时，分解反应剧烈进行。温度达500℃时，分解反应基本结束。与木材一样，竹材的热分解过程，包括四个阶段：
1.水分蒸发或干燥阶段
加热温度为100--150℃之间，竹材分解的速度缓慢，主要是竹材组织中的吸着水受热蒸发逸散，但竹材的化学组成，没有明显变化；但随着加热时间的延长，竹材中的戊聚糖含量是可能降低，竹材的物理力学性质有所改变。
2.预炭化阶段
加热温度为150--270℃，竹材受热分解速度加快，其中的化学组成发生明显的分解反应，比较不稳定的组份如半纤维素受热分解生成CO
2、CO、H2O和少量的乙酸等物质。上述两个热分解阶段，需要外界供给热量，亦即竹材的吸热分解阶段。
3.炭化阶段
加热温度升高至270-450℃，竹材热分解反应剧烈，伴随产生大量的热分解产物，生成的气体中，CO2和CO的量逐渐减少，而碳氢化合物如甲烷、乙烯、烯烃类及各种活性高能的氢自由基和羟基，则逐渐增多；生成的液体主要有乙酸、甲醇、丙酮和木焦油。
这一阶段放出大量的反应热，称为放热反应阶段；而放热反应温度随加热速度而异。
4.煅烧阶段
温度继续升高到450℃以上时，生成的液体产物已经很少，这个阶段借助外部的热量，除去残留在木炭中的挥发物质，及木炭的煅烧。
以上四个阶段，没有明显的界限，甚至同一试件的外表和内部，都可能同时处于不同的热分解阶段。 3.3存放
经冷却出窑的竹炭，因竹炭的吸水性强，如果储存环境潮湿，空气混浊，竹炭大量吸水、吸味，这无疑会影响产品的功效。所以应选择空气干燥清洁的仓库，并根据出窑日期、精炼度的不同分类堆放。 3.4加工
根据质量要求依次分批进行加工，在加工前应先抽检其精炼度，然后根据精炼度的不同分类加工成片炭、筒炭。规格尺寸应严格按照客户的要求加工，片炭、筒炭不应有裂缝、缺角等，并把粉尘擦干净。作为颗粒炭和粉炭除按客户规定的规格加工外，应特别注意杂质（泥沙等）问题，否则将严重影响产品信誉[14]。 4.竹炭的理化性质
竹炭同竹材外观上相比，纤维素束外鞘变得致密，纤维素细胞腔中一些挥发物质减少。竹炭主要是由碳、氢、氧等元素组成，呈六角形，质地坚硬，细密多孔。炭化后的竹材仍然基本上保持密实状态[15]，外表面仍然保留着竹材表皮粗糙不平的颗粒状态，继承了竹材的多孔状和各向异性构造特征，但是竹材基本组织细胞的细胞壁间隙消失，细胞壁变薄[16]。竹炭组织中的矿物是木炭的5倍[17]，1cm3竹炭的表面积可达350m2，是木炭的2.5～3倍，若进一步活化成竹活性炭，则其比表面积可达1000m2以上[18]。竹炭的吸附能力是木炭的10倍以上。木炭的PH值随着炭化温度的增加从酸到碱性变化，但是竹炭的PH值不管炭化温度怎么变化都能保持碱性，并且竹炭的灰份和钾含量好象和PH值有关。在吸湿解析的高温区域，竹炭的调湿能力比木炭强。
竹炭片炭含水率5%～8%，颗粒炭含水率14%～18%；固定碳含量85%～88%；灰分含量（钾、钙）2%～4%；比表面积300～600m-1；挥发分6%～8%；干碳热值30000～33000kJ/kg；PH值8～9；气干密度0.800～1.320g/cm3[19]。 5.竹炭用途
(1)燃料:由于竹炭系各种竹材炭化而成，安全性受到信赖，作为烧烤，野炊的燃料，清洁而有情趣，加上目前对其他薪炭材的砍伐限制，作为燃料的竹炭前景看好。
(2)竹活性炭:竹炭经水蒸气法活化处理后具有均匀的细孔状结构，比表面积从50om2/g增加到90om2/g，其竹活性炭的得率为68%，具有和椰子壳活性炭同等以上的比表面积和吸附率。
(3)住宅环境材料:大理石，花岗岩，磁砖类建材，表面容易结露，而三夹板类又容易霉烂虫蛀。用竹炭装填地面和墙壁，由于竹炭对空气中水分的吸湿和解吸调节，加上竹炭的负离子作用，能保持住宅内部环境舒适宜人，心神安定。也茶馆以此来吸引顾客。
(4)水质处理:不仅用来处理自来水，还用来处理污水，河道，渔场，是竹炭浴和掺有用自然物治理环境的极好例子[20]。
(5)健康和美容上的应用:用竹炭制作枕头，有利于睡眠竹炭的美容霜具有特殊的皮肤护理功效[21]。 6.慎食竹炭食品
在一些超市、卖场中，一系列用竹炭加工出来的食品进入了人们的视线，有竹炭花生、竹炭金纳豆、竹炭面条、竹炭面包、竹炭酒等，由于商家标榜该类食品具有吸附人体内有害物质，净化血液中毒素的功效，引起了不少消费者的兴趣。
有关专家认为，炭可以吸附微小颗粒，在中医上从古至今有很多的应用，但是竹炭在中医领域却鲜用于临床。根据竹炭食品的宣传，竹炭可以吸附人体内有害物质，净化血液中的毒素，还有助于人体消化排泄，清洁肠道，具有排毒养颜之功效。其在理论上是成立的，但在实践中将竹炭粉添加进食品中就具备种种保健功效，并没有相关的科学实验作为依据。有关资料显示：目前尚没有任何关于食用竹炭粉对人体有益的报告（包括动物实验的报告），活性炭多用于空气和水的净化，其食用功能尚未明确。
竹子虽然是天然的植物，竹笋也是中国料理的重要佳肴，但竹材在高温炭化过程中会发生复杂的化学反应，产生许多复杂化合物，其中焦油就是一种致癌物，必须再精制后才能将焦油除去，若将不当加工后的竹炭或竹醋液直接拿来食用是非常危险的行为。另外，竹炭在加热分解时所产生的甲醇亦有毒性。食用竹炭后，细微颗粒很可能吸入肺里，吸附在肺叶上，而且它吸附性极强，吃下去后很难排出体外，容易形成“尘肺”。有鉴于此，专家认为不要轻信所谓竹炭食品的神奇疗效，选用食品，要看其本质，不要被表象迷惑，对于食用竹炭食品应采用谨慎的态度[22]。
7.竹炭的发展趋势及建议
日本京都大学的野村隆哉进行过竹炭烧制的前处理研究。他对炭材进行烟熏前处理后发现 ,经过烟熏前处理的炭材烧制的竹炭质量好；根据竹炭的不同功用，可以通过控制炭化温度来实现目的；对炭化的工艺和设备的研究方面，主要集中于土窑、简易炉和连续式干馏炉；研究竹炭的机能性及利用竹炭机能性开发新型材料，比如开发净水和空气净化炭以及制作内含竹炭粉的枕头、帽子、垫子等生活用品和农林业的应用研究；目前，竹炭研究还存在不少薄弱方面，比如：竹炭屏蔽电磁波的能力；烧制温度与竹炭的比表面积及电阻率之间的变化规律；竹炭产生远红外线的能力及其远红外线的波长；竹炭净化空气和调节空气湿度的机理和规律等。为了使竹炭及其制品能走进千家万户，建议：
(1）引进先进技术，完善我国竹炭生产工艺
竹炭烧制和产品开发是一个新兴产业，目前已具一定规模，实现了初步产业化，但是我国现行的竹炭生产工艺和技术存在较多的问题，如原料的确定，不同培育方式、不同竹龄的竹材对热解工艺的影响，窑温的控制，竹材热解产品得率等。建议引进国外的先进技术，可大大增强市场的竞争力。
(2）重视深加工，开发新产品提高制品附加值
对竹炭进行化学深加工，并开发竹炭、竹醋系列新产品。据报道，日本已生产出500目的竹炭纤维，并将这种竹纤维拉长与化纤、棉线等交织在一起，热量可增加10%，并具有吸附性能，透气性好等优点。中国台湾省也准备投资200万新台币，购置其生产设备与日本共同生产竹炭纤维。竹炭纤维的问世，使竹子的附加值更进一步得到提升。
(3）加强生产的自动化研究，开发竹炭生产配套设备
要提高产量,生产高质量的竹炭，需要先进的设备。日本在设备制造方面处于世界的领先地位，但是技术较复杂，成本高，所以制造商必须在现有的设备之上，进行改良，使其更适合于我国竹炭企业，也适合于出口到一些经济不够发达的竹子大国，如印度、非洲、南美等地。
(4）重视环保建设，充分利用竹炭加工剩余物
可以用竹材炭化过程中以鼓风炉吸引生成的甲烷气体，先除去气体中的焦油及粉尘，再送至气轮发电机发电。另外，在竹材炭化及发电过程中，除了竹炭、竹醋液外，还可由热交换器将炭化装置出口的废热转换成温热水予以回收，使竹材炭化过程中的材料、水蒸汽、热等都不浪费。
(5）加强理论研究，开拓竹炭应用新领域
由于对竹炭机能性机理的研究目前才刚刚开始,现今开发的竹炭制品许多特点没有充分的科学依据作支撑，加之对竹炭的宣传力度不够，竹炭、竹醋液及其制品在我国目前还没有市场。因此，开展竹炭的理论和应用研究不仅可以使人们从科学的角度来认识和了解竹炭，还必将促进市场的广泛开发。
(6）规范市场机构，完善竹炭相关标准体系
目前我国尚未有有关竹炭的健全的国家标准和企业标准，为了进一步加强竹炭生产和管理，以利于竹炭的推广应用，稳定竹炭质量，作为指导生产和交货依据，制定和完善竹炭的相关标准势在必行。同时，国家应该成立全国性的竹炭方面的专业技术机构，规范竹炭市场，保护国内厂商的利益。
(7）普及竹炭科学，增强竹炭产品推广力度
我国竹炭年产量中只有1/3销于内地市场，大部分销往日本、韩国、中国台湾省等地，内地很多消费者不知道有这样一种产品，相比而言，竹炭在日本、韩国、中国台湾省等地就极流行，已经成为居家的生活用品。应该针对目前家具装修与水污染等诱发的疾病问题，突出宣传竹炭净化水质与空气的功效，慢慢地让竹炭走进千家万户，使竹炭业尽快发展壮大起来[3]。 8.小结
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和环境保护材料，越来越受到人们的重视。我国竹类资源十分丰富，竹炭具有广阔的市场前景。近年来， 我国竹炭产业迅猛发展，已成为林区林业增效、林农增收的新途径。竹炭可用于农业、环保、医学、纺织、保健等领域，但我国的竹炭研究刚刚起步，竹炭改性还未产业化，市场前景广阔，应加大科研投资力度，将其广泛推广，造福人类[4]。
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