竹炭的神奇功能 人类的健康卫士

竹炭的神奇功能 人类的健康卫士

　　中国工程院院士、浙江林学院院长 张齐生

　　竹类植物，秀丽挺拔、四季常青。地下茎年年行鞭、出笋、成竹。竹笋，是人类的保健食品；留笋成竹，竹林子孙满堂，家族兴旺，吸收二氧化碳，放出氧气，维护着优美的生态环境。

　　竹类植物千姿百态。世界竹类植物有70多属，1200多种；中国竹类植物有35属，400余种；不同品种，有不同特性、不同用途。

　　竹材可以"代木"，制作家具、农具、各种人造板、编织工艺品及生活用品。

　　它还可以"胜木"，用来制造一般木材不能制造的集装箱底板，铁路平车地板、性能优良、多姿多彩的竹地板等产品。

　　更鲜为人知的是它还可以制成竹炭、成为人类健康的卫士。

　　一、竹炭的形成

　　中国是世界上炭的发源地，早在一千多年前的唐代，白居易就留下了"卖炭翁"的悲壮诗篇；古人除了把炭作为烧饭、取暖的燃料之外，也巧妙地把炭作为防腐、杀菌、保鲜剂加以应用，这在中国的古代历史中可以找到大量的例证。

　　竹炭是竹材在高温、缺氧（或限制性地通入氧气）的条件下，使竹材受热分解而得到的固体产物。在制备竹炭的同时，还可以得到一种用途广泛的液体产物--竹醋液。

　　根据竹材炭化过程中的温度及液体、气体产物的变化规律可以认为，竹炭的形成先后经历了竹材干燥阶段（炉(窑)内温度≤120℃）、竹材预炭化阶段（120-260℃）、竹材炭化阶段（260-400℃）、竹炭精炼阶段（≥400℃）。

　　形成竹炭的最终温度不仅对竹炭的产量、生产成本、竹炭的得率有影响，而且对竹炭的性能、用途更具有重要的意义。

　　竹炭可用传统的砖砌窑和现代化的机械炉来生产。

　　砖砌窑的特点：投资少、操作简单，但生产周期长(22-30天)、窑温不易控制、质量不均匀、密封性能差、竹炭得率低(15-17%)。

　　一种机械窑的特点：投资较砖砌窑增加；生产周期较短(7-10天)、温度容易控制、密封性能好、制炭得率较高(20%左右)。

　　另一种不锈钢机械炉的特点：投资较高；生产周期短(8小时)、温度易控制、密封性能好、生产得率高（24-26%）竹炭质量稳定、精炼竹醋液、以及可燃气体循环利用。

　　竹炭遇到空气，能吸收空气中的各种有害气体，使室内空气得以净化而变得清新；在水里它可以吸收水中有害物质而使普通水成为优质饮用水；它还能产生负离子和远红外线，帮助人们去病、防病，增强体质，成为人类的健康的卫士。究其根源，竹炭的这些特殊性能主要源于自身的特殊微观结构。

　　二、竹炭微观结构与其性能关系

　　碳由单一元素构成，结构千变万化、性能无穷无尽、用途多种多样。主要是由于原子键合方式、分子结构类型以及集合形态的多样性而产生的。碳按三种典型键合方式形成单质碳时则为金刚石，石墨和卡宾，它们的性能也有明显的差别。

　　碳的同素异形体中，由于碳原子的结合方式不同，单质的碳主要有四种同素异性体，即金刚石，石墨、卡宾和富勒烯（包括碳纳米管）。

　　一个碳原子周围有四个碳原子相连，在三维空间形成骨架状，各向联系力均匀、牢固、具高强度-金刚石硬的特性

　　一个碳原子周围有三个碳原子，碳与碳原子组成六边形环状，无限多的六边形组成一层，层与层之间联系力弱。层内三个碳原子联系很牢固，层之间易滑动-石墨软的特性。

　　85年，美英两位科学家用激光照射石墨，使其蒸发而成碳灰，质谱分析发现，这种碳内含两种不明物质，其分子量分别为碳的60和70倍，并具有特殊的结构，经证实，它们属于碳的第三种同素异性体，命名为富勒烯碳。本身是不导电的绝缘体，当碱金属原子嵌入分子后，形成系列化合物，成为超导体，具有完美的三维超导性。

　　91年，日本科学家用透射电镜检测石墨电弧设备中产生的球状分子，意外发现了由管状同轴纳米管组成的碳分子，其结构相当于石墨的平面组织卷成的管状，是富勒烯碳家族的重要的成员。是被广泛关注的碳纳米管，是化学反应中的新型催化剂，有很多的奇异功能。是纳米科技的主要研究方向，在材料、电子、能源领域有重要的前景。

　　竹材的维管束、薄壁细胞、导管形成竹炭的微观孔隙结构，其形状非常类似并接近于由五元环和六元环所组成的洋葱状富勒烯（C60）和展开的碳纳米管结构。

　　竹炭的性能与其发达的孔隙结构有着密切的关系，它的吸附性能、催化性能及电性质等都与炭材料的微观结构有关，因而研究炭材料微观孔隙结构具有重要意义。

　　竹炭所具有的类似并接近于洋葱状富勒烯（C60）和展开的碳纳米管结构的特殊孔隙形状是各种以木材为原料而制成的木炭所不具备的孔隙结构。因此我们认为竹炭的这种特殊的微观孔隙结构是竹炭具有特殊性能的根本原因。

　　三. 竹炭的主要特性

　　1.竹炭的元素组成

　　竹炭的元素组成主要是碳、氢、氧和氮及硅、镁、钠、钙等金属及非金属元素。碳和氮元素的含量随碳化温度的升高而升高，氢、氧元素的含量则随温度的增加而减少。炭化温度从200～1000℃时，碳元素的含量从52.06%增加至85.42%，氮元素的含量从0.12%增加至0.68%，氧元素的含量则从38.55%减少至4.85%。竹炭的灰份含量随着炭化温度的升高而增加（2.26%～4.69%），竹炭中的灰份元素组成较复杂，其中含量较多的有钾、镁、钠、钙、铁等。

　　竹炭中含有一些人体需要的微量元素如铜、硒、锌、锶等。利用竹炭中的这些元素，将竹炭加工成片炭，用于烧水和煮饭。

　　竹炭加入水中后，由于大量的钾、镁、钙等矿物质元素溶解在水中，增加了人体所必须的营养成分，同时可使水的分子团变小，有利于人体吸收。试验还表明自来水经竹炭处理后，自来水中2.4 - 二氯苯酚去除率可达100%，效果十分明显。由于上述作用，片炭用于烧水或者煮饭，其效果就显而易见了。

　　2．竹炭的比表面积和导电性能

　　竹炭内部的各类孔隙，具有微孔、中孔和大孔，因而竹炭中的这些孔隙的内表面积之和称为比表面积，使它对多种有害气体具有很好的吸附能力。比表面积的大小与炭化温度有关，炭化温度为700℃左右时其比表面积最大。

　　竹材和木材一样，通常都是不良导体，可称为绝缘体。但形成竹炭以后，导电性能发生了极大的变化，当炭化温度为700℃左右时的竹炭，其电阻率仅为5.40×10-5Ωm，显示出良好的导电性能，可称为导体。通常竹炭的导电性随炭化温度的升高而增长。木炭虽有类似的趋势，但数值差异很大。

　　3．竹炭产生远红外线和负离子

　　(1)竹炭的远红外

　　远红外线是波长在0.78-300um的电磁波(近红外：0.78-3um；中红外： 3-30um；远红外： 30-300um)，具有不受空气影响而直接到达接受对象的特性。人的皮肤对远红外线吸收率高，传热率也高。一旦接受远红外线就能迅速达到皮肤内层，特别是对4-14um波长的红外线的吸收效果最为明显。还具有抑菌、防臭、促进人体表面微血管的血液循环等功能，达到保暖保健、促进新陈代谢之功效。对于预防和治疗关节炎、失眠等病症有明显作用。

　　(2)竹炭的负离子

　　负离子是空气中一种带负电荷的气体离子。空气中的负离子主要是负氧离子，被吸入人体后，能调节神经中枢的兴奋状态，改善肺的换气功能，促进新陈代谢。它还对高血压、气喘、流感、失眠、关节炎等许多疾病有一定的治疗作用。

　　将10g竹炭样品放置在1m3的密封仓中12小时，用静态法负离子测试仪连续测试，空气负离子浓度增加量为170个/cm3。这充分证明了竹炭具有产生负离子的功能。

　　4.竹炭吸收空气中的有害气体的能力

　　将甲醛、苯、甲苯、氨、三氯甲烷等五种典型的有害有毒气体，用一定质量的不同炭化温度的竹炭(300-1000℃)对他们进行吸附，研究竹炭对上述有害气体的吸附能力。

　　(1)竹炭对甲醛的吸附性能

　　室内空气中甲醛含量为0.1mg/m3时人就感觉有异味和不适感；0.5mg/m3可刺激眼睛引起流泪；0.6mg/m3时引起咽喉不适或疼痛；随着浓度升高还可引起恶心、呕吐、咳嗽、胸闷、气喘；当大于65mg/m3时甚至可以引起肺炎、肺水肿等损伤，甚至导致死亡。国际癌症研究所已建议将其作为可疑致癌物。

　　竹炭对甲醛吸附能力，最高的可达19.39%，（炭化温度为900℃时的竹炭），其它条件的竹炭对甲醛的吸附率大于16%。

　　炭化温度和比表面积对竹炭吸附甲醛率的影响不是很大。另外，竹炭对甲醛的吸附持续时间长达24天。

　　(2)竹炭对苯、甲苯的吸附性能

　　苯、甲苯是重要的芳香族烃有机化工原料之一，广泛运用于合成树脂、合成纤维、塑料、橡胶、洗涤剂、染料、农药、医药等方面作为原料和溶剂。在建筑装饰的涂料、填料及墙纸等装饰材料中都含有苯和甲苯。

　　人在短时间吸入苯、甲苯时，可出现中枢神经系统麻醉。长期吸入，能导致再生障碍性贫血，并可引起白血病。苯化合物已被世界卫生组织确定为强烈致癌物质。

　　竹炭对苯的吸附较快地达到了平衡，当炭化温度为500℃、600℃、700℃，吸附时间1天时，其吸附率就达到了较高值，分别为10.08%、9.65%、8.69%，说明中温炭对苯的吸附速度较快，这也证明了对苯的吸附性能主要是其比表面积在起作用。

　　竹炭对甲苯的吸附与竹炭对苯的吸附类似，也是当炭化温度为500℃、600℃、700℃时，吸附时间为1天时，其吸附率就达到了较高值，分别为8.42%、8.14%、5.65%，说明中温竹炭对甲苯的吸附也较快，这也说明了对甲苯的吸附性能主要是其比表面积在起作用。

　　(3)竹炭对氨的吸附性能

　　氨是一种无色而具有强烈刺激性臭味的气体，人可感觉最低浓度为5.3ppm。氨是一种碱性物质，它对接触的皮肤组织有腐蚀和刺激作用。

　　炭化温度较低时（300℃、400℃）竹炭对氨气有很好的吸附能力，其吸收率达到30.65%和22.73%，而且其吸附持续时间较长，达到了24天。这主要是因为低温竹炭其pH值较低，呈酸性，而氨气是呈碱性的，所以竹炭对氨气的吸附主要体现在化学吸附，而不仅仅只发生物理吸附。

　　(4)竹炭对三氯甲烷的吸附性能

　　三氯甲烷代表卤代烷烃类有机化合物，是常见的工业污染物。研究竹炭对三氯甲烷的吸附性能具有重要的意义

　　当炭化温度较低时（如300℃），竹炭对三氯甲烷的吸附性能很好，达到40.68%，而且其吸附持续时间较长，达到了24天。竹炭对三氯甲烷的吸附率随炭化温度的升高而降低。而黄彪研究的杉木炭化物对三氯甲烷的吸附率最大值出现在600℃，吸附率为8.5%，从这一点可以看出竹炭与木炭对三氯甲烷的吸附率有很大的差别。

　　5. 竹炭吸收水体中有害物质的能力

　　人类的生活和生产活动产生的大量污水排入江河，使水体受到污染，竹炭可以净化和明显地改善水体中的重要水质指标，目前的初步研究效果如下：

　　(1)色度和浊度效果明显：

　　有色废水排入水体，使天然水体着色，减弱水体的透光性，称为色度；泥沙、粘土、有机物、无机物、浮游生物和微生物等悬浮物质形成水体混浊，称为浊度。

　　将0.2克竹炭加入80毫升污水中，经竹炭吸附处理后，污水的色度去除率可达80%；

　　将0.2克竹炭加入80毫升污水中，经竹炭吸附处理后，浊度去除率可达73%。

　　对污水中化学耗氧量（COD）的去除效果明显：

　　水体中有机物含量过高可降低水中溶解氧的含量。当水中溶解氧耗尽时，水质则腐败变臭，导致水生生物缺氧以致死亡。因此在一定条件下，用强氧化剂处理水样时所消耗的氧化剂的量作为水的一项重要指标，称为化学耗氧量（COD）。将适量的竹炭加入污水中，经竹炭吸咐处理后，COD值去除率可达54%。

　　对污水中总氮的去除效果显著：

　　生活污水和工业污水排入水体，使水中的有机氮和无机氮化合物含量增加，生物和微生物大量繁殖，消耗水中溶解氧，使水体质量恶化造成浮游生物繁殖旺盛，出现富营养化状态。研究结果表明：将0.2克竹炭加入80毫升污水中，经竹炭吸附处理后，污水中总氮去除率可达71%.

　　对污水中总余氯的去除率接近100%：

　　水体中过量氯离子是引起人体组织癌变的重要机因，而自来水厂需使用漂白粉对水体进行净化，因此余氯含量是水质的重要指标。竹炭对水体中2,4-二氯苯酚的吸附量较大，原水加炭处理后的水样中未检测出有2,4-二氯苯酚,竹炭对水中余氯的去除效果达到100%，可以说竹炭对氯的去除率有奇效。

　　对污水中有机磷农药的去除有一定效果，如竹炭对水体中乐果的去除效果达70%；对水体中甲基对硫磷达60%。

　　6. 竹炭的调湿功能

　　当环境湿度很大时，竹炭利用其吸湿作用，吸附室内空气中的水分；当环境湿度变小时，竹炭利用其解吸作用，放出水分，以达到调节室内空气湿度的作用。

　　在相对湿度为95%时的吸湿率可以达到14%，即在室内放置100公斤竹炭，可以吸收空气中14公斤的水蒸汽。

　　四、纳米改性竹炭

　　活性炭和竹炭等都具有发达的孔隙结构，可以吸附有害物质，但它们的吸附都存在饱和现象。即吸附到了一定程度，就不具有吸附作用，而且存在对环境二次污染的可能性。

　　竹炭由于只经过炭化阶段，而不像活性炭那样一定要经过活化阶段，因此竹炭的孔隙要比活性炭大（活性炭微孔占主导作用）。活性炭微孔的直径≤20Å（2nm），竹炭的孔隙以大孔为主，其直径以200nm左右为主。

　　纳米Ti02光催化剂可氧化分解各种有机化合物和部分无机物，能将有毒、有害物质（如：甲醛、苯、甲苯、氨等）分解为无毒、无害的二氧化碳和水；同时纳米光催化剂超强的氧化能力可破坏细胞的细胞膜，使细菌质流失而死亡，凝固病毒的蛋白质，抑制病毒的活性，并捕捉、杀除空气中的浮游细菌，具有极强的防污、杀菌和除臭功能。

　　为了克服竹炭的吸附性能存在饱和现象的缺陷，把纳米材料负载到竹炭上，使竹炭性质发生根本的变化，得到纳米改性竹炭光催化吸附、杀菌剂,使竹炭的吸附作用和纳米材料的优异性能得到了完美的结合。纳米改性竹炭能将有毒、有害物质分解为无毒、无害的二氧化碳和水，同时该产品具有抑菌、杀菌能力，这样就解决了竹炭吸附饱和性的问题。

　　1. 纳米改性竹炭的微观结构

　　从扫描电镜图中可以清晰的看到纳米材料负载在竹炭的孔隙边沿和孔隙的表面，这样既保持了竹炭原有的特殊孔隙结构，又没有把孔隙堵塞，保证了竹炭的吸附性能和纳米材料的优良性能。

　　2. 纳米改性竹炭的抑菌功能

　　抑菌作用的判断方法：在细菌培养皿上，放置3mm圆形抑菌试验样品，经48小时培养，观察、测量。

　　当：抑菌环直径大于7mm者，判为有抑菌作用。

　　抑菌环直径小于等于7mm者，判为无抑菌作用。

　　三次重复试验均有抑菌作用者，判为合格。

　　阴性对照组应无抑菌环产生，否则试验无效。

　　经抑菌、抗菌试验，结论如下：

　　(1)两种纳米改性竹炭（颗粒、粉末）对大肠杆菌具有很好的抑菌能力，防治效力E=100%。而纳米TiO2、磷酸法活性炭和商业竹炭没有抑菌能力，它们的防治效力E=0

　　(2)竹炭香波和竹醋液香波对大肠杆菌有很好的抑菌能力，它们的防治效力E=100%。

　　(3)对金黄色葡萄球菌的抑菌率试验为99.84%，该样品对金黄色葡萄球菌有抑菌作用。

　　(4)对白色念珠菌的抑菌率平均为99.61%，该样品对白色念珠菌有抑菌作用。

　　3.纳米改性竹炭对甲醛、苯、甲苯的吸附与降解

　　纳米改性竹炭的净化过程包括吸附与降解两个部分。吸附过程与竹炭吸附性质有关，吸附为纳米二氧化钛的光催化提供了高浓度环境，从而大大加快了纳米材料光催化降解有毒、有害物质的速率。而它的降解是在光的作用下，竹炭表面吸附的有害气体通过纳米二氧化钛光催化剂的表面发生光催化降解反应。

　　(1)对甲醛的吸附与降解

　　在各种光照条件下，纳米改性竹炭对甲醛的净化效果明显，在紫外灯的作用下，甲醛的净化率在12h后达到97.0％，而且二氧化碳的增加量最多（达到150mg/m3），说明其对甲醛的分解贡献最大。在日光灯和白炽灯的作用下，甲醛的净化率在12h后分别达到92.4％和88.8％,其二氧化碳的增加量分别达到116mg/m3和105mg/m3。在自然光的作用下，纳米改性竹炭对甲醛的净化率也达到78.0％。

　　从甲醛的降解氧化过程可以看出，甲醛在•OH自由基的攻击下，可以转换成无毒、无害的二氧化碳和水。因此也可以期待，吸附在竹炭中的甲醛，完全可以全部降解氧化。

　　(2)对苯的吸咐与降解

　　在各种光照条件下，纳米改性竹炭对苯的净化效果较明显，但比纳米改性竹炭对甲醛的净化效果要低一些，主要是因为苯的化学稳定性比甲醛要高和苯降解的步骤复杂。同样，在紫外灯的作用下，苯的净化率在12h后达到93.5％，而且二氧化碳的增加量最多（达到110mg/m3），说明其对苯的分解贡献最大。在日光灯和白炽灯的作用下，苯的净化率在12h后分别达到87.8％和85.0％,其二氧化碳的增加量分别为76mg/m3和69mg/m3。在自然光的作用下，纳米改性竹炭对苯的净化率也达到73.5％，二氧化碳的增加量达到54mg/m3。光催化苯的降解反应过程与甲醛相似。

　　(3)对甲苯的吸附与降解

　　在各种光照条件下，纳米改性竹炭对甲苯的净化效果较明显，而且比纳米改性竹炭对苯的净化效果要高一些，主要是因为苯的化学稳定性比甲苯要高。同样，在紫外灯的作用下，甲苯的净化率在12h后达到94.5％，而且二氧化碳的增加量最多（达到122mg/m3），说明其对甲苯的分解贡献也最大。在日光灯和白炽灯的作用下，苯的净化率在12h后分别达到88.3％和87.0％,其二氧化碳的增加量分别为91mg/m3和79mg/m3。在自然光的作用下，纳米改性竹炭对甲苯的净化率也达到76.8％，二氧化碳的增加量达到60mg/m3。二氧化碳的增加量比苯多，主要是甲苯多了一个甲基，它的最终产物也是二氧化碳和水。光催化甲苯降解的反应过程与甲醛相似。

　　五. 污水处理方法实例

　　利用特殊微生物菌群，寄居在竹炭的内部空隙中并使之繁衍，形成形态各异的生物膜，使水中的污染物吸咐与沉积在其周围，作为食物吞噬，并将其分解成水和二氧化碳，是我们提出的一个利用竹炭进行污水处理的创新方法。

　　这种方法，可以解决竹炭吸咐饱和过快的矛盾，只要定期向竹炭投放菌群，就可以使竹炭多次循环使用，通常一至两年时间更换一次竹炭，更换后的竹炭可用作锅炉燃料焚烧。

　　2005年4月，使用10吨经过生物改性的竹炭和必要的工程设施，处理南京林业大学学生生活区一万多学生的生活污水、食堂用餐排出的污水及上游居民小区排放的污水，每天污水量约一万吨。经过5个多月的运行实践，治污效果明显。治污后的水质其生物耗氧、化学耗氧、悬浮物、色度、浊度、氨氮均能达到二、三类水的排放指标。

　　目前，人们对竹炭研究的还不够深入，应用的不普遍，了解的不多！希望大家都来关心竹炭、认识竹炭、应用竹炭、研究竹炭，让竹炭早日走进千家万户，成为大家延延益寿，岁岁平安的日常用品，成为人们的健康卫士！