制备技术决定生物炭的成本和效能

2022-03-03
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夏涛：齐鲁工业大学生物工程学院、生物基材料与绿色造纸国家重点实验室精英人才特聘教授，博士生导师

专家观点：

生物炭的成本和效能在生物炭研究和生物炭产业中是两个核心的问题。制备技术决定生物炭的成本和效能。生物炭的应用领域和效能决定它的竞争力和发展前景。




访谈


炭索未来：夏教授您好！9月份您在炭索未来直播间进行了一场直播，当天有2万多人次的收看。得到了大家很好的反馈，也让大家对生物炭研究产生了强烈的共鸣。
您的讲座主题是“绿色、高效利用农作物秸秆制备纳米生物炭与高值环保产品开发”，那么您觉得对您的这次讲座，对生物炭研究， 大家的共鸣在哪里？
夏涛：我们团队是生物炭研究领域中的新兵。生物炭有多种作用和潜在价值，我想也正因为如此，大家对生物炭研究会有更多的探索。我们在进行生物炭研究时，出发点是把生物炭当成一个产品来看待。作为一个产品有两个问题是必须要考虑的，一是产品的功能和用途，另一个是它的成本和性价比。我们围绕这两个问题来进行研究。
而关乎生物炭成本和效能的因素，从技术角度上讲，主要来自生物炭的转化率，转化率高其成本就会相应降低。而生产附加值高的生物炭产品，就需要对生物炭的组成和结构进行改良或者改变。因为生物炭作为一种物质，它的组成和结构决定它的性质和用途。我们的研究策略，就是在生物炭的制备技术上进行创新，换句话说就是用新的技术来制备生物炭，来降低生物炭的生产成本，来生产附加值高的生物炭产品。我想这也是大家的共鸣所在吧。
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炭索未来：从技术研发角度讲，您认为应该对生物炭制备技术进行创新；从产品角度讲，您认为，通过新的制备技术来降低产品成本，来开辟生物炭的新用途，研发出附加值更高的生物炭产品？
夏涛：是的。确切地讲，进行新的生物炭制备技术的研发，是传统生物炭领域和高端生物炭领域都应该加大的方向。
我们大家都知道，目前生物炭产品的主要用途是作为土壤调理剂和修复剂，这是传统的生物炭应用领域，它的意义非常大，但目前因为产品成本高，使得生物炭作为土壤调理剂和修复剂的形式让广大农民来接受，可能还需要一段时间。不过，从技术研发层面讲，这也反映出生物炭效能有进一步提升的空间。比如，通过提升生物炭功能，降低生物炭的实际用量，从而降低它的使用成本等。除了生物炭传统的应用领域以外，我们还需要开辟高附加值的生物炭应用领域。这样，才能从不同角度和产业，推动整个生物炭产业的发展。比如，高性能的生物炭在环保领域、在电池储能领域的应用等。而这些都需要通过新的制备技术来实现。
在生物炭研究和生物炭产业中，未来都需要去探索一些新的制备技术，需要我们加大对制备技术的研究。
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炭索未来：您认为制备技术决定生物炭的成本和效能？您也提出，目前生物炭制备的技术方法存在一些问题？
夏涛：是的。目前的生物炭制备技术确实存在一些问题，比如：成本问题，能耗问题，性能问题。我认为，生物炭的成本和效能在生物炭研究和生物炭产业中是两个核心的问题。不同的生物炭制备技术通过改变制备过程中的能耗、制备的时间以及后处理，通过这些因素来改变或决定生物炭的生产成本；同时，生物炭的不同制备技术，可以通过改变生物炭的理化特性来影响生物炭的效能，开辟生物炭的新用途，产生附加值高的新产品。从这个意义上讲，生物炭的制备技术决定生物炭的成本和效能。
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炭索未来：我知道您的课题组最初主要的研究领域并不涉及生物炭，但在你们的研究过程中，却发现了改良生物炭的组成和结构以提升它功效，进而降低成本的技术方法。我想这也是科学的奇妙和神奇之处。
夏涛：是的。刚才我说过，对生物炭研究领域，我们课题组是新兵。我们主要的研究领域是纤维、能源植物的基因组学、转录组和代谢组学的研究，目的是了解木质纤维素合成、代谢网络和重要基因，从而利于遗传工程手段培育适宜于工业品生产的纤维、能源植物新品种。在这个过程中，我们做了一些纤维、能源植物的代谢组研究，主要集中在植物秸秆的木质纤维组成、代谢分子构成等，我们逐渐认识到，通过一些化学、物理的技术，也就是通过对炭化工艺和技术的改变来降低生物炭的加工成本，提升生物炭的结构特征和理化性质等，应该是可行的。
遗传学中有正向遗传和反向遗传研究思路。在这里我们就是采用了反向思路，也就是说以应用为导向来进行研究。即先采用一些新技术来制备生物炭并研究它的性能，性能好，我们再来分析它为什么性能得到了提升，比如分析它的颗粒直径、官能团、比表面积等等，这些就作为我们的技术理论支撑，也是我们重要的技术参数。
具体来说，我们进行了两种生物炭制备技术的尝试，化学上是ALBH技术，物理上我们采用了等离子体技术，用这样的技术我们来制备生物炭，来研究生物炭的性质和制作成本。
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炭索未来：目前，您团队所研发的这两项核心生物炭制备技术-ALBH技术和等离子体技术，现所处什么样的阶段呢？
夏涛：ALBH技术是我们最早采用的化学技术，其技术原理是木质纤维素在LiBr催化下解聚，C-C键在H+和高浓度LiBr存在下裂解。通过这种办法使生物炭转化率得到提高，能耗降低。同时，我们课题组与我们学校前沿交叉研究院合作，又开展了等离子体技术制备生物炭的研究，其技术原理是以特定超低频率电能激发介质产生等离子体, 其高速带电粒子直接打断分子键, 使植物组织、高分子等裂解汽化，同时生成固态粉末。因为处理过程中的高温度，所以它的好处就是处理时间非常短，整个能耗大幅度降低，转化率得到大幅度增高。
利用这两项生物炭制备技术，我们具体的研究方向是生产出用于空气污染和水污染治理的生物炭产品。我们已经完成了ALBH技术生产活性炭、纳米活性炭的工艺、设备匹配、理化性质与参数等研究，具备中试规模生产条件；完成了等离子体技术生产活性炭、纳米活性炭（包括改性）的工艺、设备匹配，具备中试规模化生产条件；完成了制备的生物炭、纳米生物炭的功效研究。上述工作我们也在国际权威生物质期刊发表了系列研究论文，并申请了相关专利。
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炭索未来：如果从产业化来讲，这两项生物炭制备技术或者说您的这个项目处于怎样的阶段呢？
夏涛：通过这两项生物炭制备技术，总体说我们得到的生物炭，就空气污染治理来说，它在吸附甲醛和总有机型挥发物(TVOCs），它的效能比传统的活性炭可以提升60%-100%。水污染治理，我们重点研究对重金属的吸附效能，所得到的生物炭产品，目前情况可以达到反渗透膜这种技术80%的效果。
如果从产业化阶段来讲，我们还处于产业化前期，还有一系列工作要做。第一，我们希望进一步改变处理条件，包括等离子体处理的条件，希望得到生物炭的效能在水污染处理和空气污染治理方面可以再进一步提升。第二，在这样的基础上，我们希望可以再往下走一步，就是把生物炭直接用在空气净化器的滤网或者水净化器的滤芯的生产上，形成适合消费者民用的产品，做出滤芯、滤网。
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炭索未来：您提出，生物炭的应用领域和效能决定它的竞争力和发展前景？您对生物炭市场，有何分析？
夏涛：我们进行这个项目研究的时候，做了一些市场调研和预测。我们研究开发这种生物炭，当时对它应用的目标或者说定位，主要是在水污染治理和空气污染治理上面。举一个例子，如果这种生物炭的性能比传统生物炭净化空气效果大幅提升，我们按年产50万片滤网计算，为这些空气净化器厂家进行50万片滤网的配套，按照目前的市场值，它的实际产值大概可以达到6000万左右。而年产50万片滤网需要300吨的活性炭，这些活化后的生物炭大概可以消耗掉800吨左右的生物秸秆。
广义而言，生物炭的利用，本身就会产生巨大的社会、经济、生态、环保的价值和意义。不断提升生物炭的效能、扩展生物炭的应用领域，可以极大的促进生物炭产业的发展。
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炭索未来：后续您对生物炭的研究重点会在哪里？
夏涛：后续会偏向应用和应用基础研究。虽然我们目前的两项制备技术研发生产出的生物炭比传统生物炭效能有大幅提升，但是还有进一步改良的空间，接下来我们会继续在这些方面开展工作。
第二，我们也在考虑生物炭其他方面的应用，也是结合我们课题另外一个方面的进展，我们得到了一些优异的微生物菌株，目前在实验室中发现，它对土壤重金属的修复效果非常理想，在中度、重度重金属污染情况下，外源使用这种微生物菌株，植物的地上可食用部分其重金属含量达到了安全标准，同时对植物的品质和产量也有一定的提升，现在我们希望把这一部分和生物炭结合在一起做，也是希望做成一种新型的土壤修复剂，将两种办法结合起来，即高性能生物炭与有益微生物菌剂结合起来，最终用于土壤修复，提升植物生长品质。
目前，我个人比较关心的是这两项制备技术得到的生物炭产品尽快实现产业化，这是我在考虑的一个问题。
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炭索未来：听您的讲座，我听到了一个针对生物炭产品研发到市场营销的完整方案，您甚至给出了倒推式的测算依据。那么对于您的这个研发方案或者说研发策略，它的可行性\可赋予它的执行力有多大呢？
夏涛：这个问题问得好。从市场和技术两个方面分析，作为生物炭产品，本身就有它的可行性，有它的可推广性，也有它的市场空间和发展前景。问题的关键是好的技术、好的产品还要能够被市场所接受，才能形成产业化。应该按照市场的思路去研发产品，如何提 升产品性能，如何降低产品成本提升性价比。在这个课题中，我们带着这些问题和目标，研发新的制备技术。产品性能大幅提升，成本下降，它在市场就具有竞争优势，就具备了产业化的基本技术条件。当然，产业化是一个系统工程，还需要管理、营销人才和策略。资本的助力也是非常重要的一环，因为资本的助力和公司化运作，会提升项目的产业化效率，走向市场的时间过程也会大幅度缩短。
此外，生物炭的研发和应用也是一个系统工程。对生物炭产业技术核心问题的研发需要不同学科的交叉和合作，尤其是生物炭新的制备技术和新的应用领域，不是单一学科所能够解决的，涉及生物、材料、物理、化学、环保、土壤还有工程设备等各个学科，它是一个系统工程，需要多学科的交叉和合作，需要大家的共同努力。
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团队介绍

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夏涛科研团队成员由李灿、张圣奎、王晓菡、卢宪芹、赵先炎、马海珍博士（讲师）和研究生组成，主要从事植物、微生物生物技术研究和遗传学、生物组学等课程的教学工作。

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