叶良明 张文标 李文珠
　　 （浙江林学院，浙江临安，311300）
　　 摘 要：在实验室中，采用，SX2-5-12型箱式电炉，以3种不同的工艺和4种不同的炭化终点温度进行了竹炭烧制工艺与理化性能关系的初步研究。结果表明：①竹炭的烧制工艺，尤其是炭化的终点温度对竹炭性能的影响是明显的。实际生产中，根据窑型进行工艺优化是完全必要的；②炭化的终点温度越高，挥发分含量与精炼度等级值越小，灰分与固定炭含量增加，电导率增大，竹炭密度相应提高，竹炭的热值渐趋稳定。
　　 关键词：竹炭；烧制工艺；理化性能
　　 竹炭及其相关制品的生产是浙江省近年来兴起的一个新兴的产业门类。据日本学者的研究[1，2]及我们的初步研究，竹炭不仅仅是可作烧烤燃料，更重要的是可作空气净化与湿度调节材料，水质净化材料，果品蔬菜保鲜材料，卫生保健材料，抗辐射与电磁屏蔽材料及工业用半导体材料。以竹炭为基础将可开发系列化的功能型环保材料，并将具有极为宽广的应用前景。但由于国内对竹炭的烧制工艺及其理化性能的研究薄弱，国内生产的竹炭及其制品绝大多数以外商的商标品牌销往日本、韩国、新加坡及我国的台湾省，在我国大陆的销售几乎是空白。为此，本文在实验室条件下，初步研究了竹炭的烧制工艺与竹炭理化性能的关系，为确定合理的竹炭烧制工艺提供参考。
　　 1 材料与设备
　　 1.1 材料与试剂
　　 毛竹（Phgllostachys heterocycla var pubscense）,取自临安市田坞里村，竹龄＞5年，竹材含水率30%～40%
　　 试剂 乙醇，分析纯（95%）
　　 苯甲酸（已标定热值）
　　 1.2 仪器设备
　　 SX2-5-12型箱式电炉，AG204型密度测定仪，HG53型卤素水份快速测定仪，GR3500-S型氧弹式热量计；
　　 QJ23A型直流电阻电桥，AC5/2型直流指针式检流计，FA56型分析天平（精确到0.0001g，目本三阳电气制作所产），专用精炼度计。
　　 2 试验方法
　　 2.1 竹炭的烧制工艺
　　 将毛竹截成上、中、下3个部份后，按3种不同的工艺（分别记为1，2，3）和4种不同的精炼终点湿度（分别记为A,B,C,D），共12种工艺组合，在SX2-5-12型箱式电炉中烧制竹炭。竹炭的烧制周期均为3天，以便考察不同工艺和不同的精炼温度对竹炭理化性能的影响。3种工艺的不同主要在于干燥温度和时间及炭化温度和时间。
　　 2.2 理化性能测试
　　 2.2.1 密度及含水率测定
　　 由于竹炭为无固定长、宽、厚尺寸的弧形固体物，不便于准确测定其长宽厚尺寸并计算其体积，故采用AG204型带输出打印的排液法密度测定仪。考虑到竹炭密度差异较大及其结构的差异，根据预备试验结果，以95%的乙醇（分析纯）为测试用液体。每组测定10个试件密度，结果取平均值。
　　 含水率测定采用HG53型带输出打印的装置的卤素水分快速测定仪。测定时，每组取≤50g的竹炭颗粒试件3个作平行测定，结果取平均值。
　　 2.2.2 灰分、挥发份与固定炭含量测定
　　 灰分与挥发份测定参照GB/T17664-1999木炭和木炭试验方法。每组测定3个平行试件，结果取平均值。
　　 固定炭含量。固定炭系指在高温下有效的炭元素的百分含量，以竹炭绝干后的质量减去其灰分和挥发份来计算。
　　 2.2.3 燃烧热值测定
　　 物质的热值指单位质量的燃料完全燃烧后冷却到原来的温度所放出的热量，其测定参照GB14402-93建筑材料热值试验方法。
　　 2.2.4 竹炭的精炼度与电导率测定
　　 竹炭的精炼度是根据竹炭电阻数量级的对数值确定的，用以间接反映竹炭的炭化程度。它在经贸活动中得到普通使用。根据精炼度计测定的电阻数量级的指数，精炼度分0～9度，相对应的电阻值为100～109，大于109时称精炼为9。
　　 由于竹炭的精炼度是以指数来表达的，不能直接反映竹炭的确切电阻值，因而本研究中又以QJ23A型直流电阻电桥法测定了竹片炭的（10cm×5cm）电导率，测定过程中采用超声耦合剂以减少或消除接触电阻。
　　 3 结果与分析
　　 3.1 结 果
　　 用不同工艺和不同精炼终点温度烧制的竹炭理化性能的测试结果如表1。
　　 3.2 结果分析
　　 3.2.1 含水率与密度
　　 表1 实验室制竹炭的理化性能
　　 性 能 1-A 1-B 1-C 1-D 2-A 2-B 2-C 2D 3A 3B 3C 3D
　　 含水率% 7.8 2.51 3.91 5.48 9.09 8.09 5.03 4.28 4.82 3.69 3.06 4.35
　　 密度g.cm-3 0.604 0.700 0.726 0.751 0.708 0.722 0.721 0.706 0.667 0.749 0.802 0.782
　　 灰分% 1.39 1.94 1.83 1.89 1.62 1.94 1.60 2.04 1.76 1.63 1.69 3.26
　　 挥发份% 23.4 9.14 7.33 7.05 21.9 13.6 7.79 6.73 19.6 11.5 10.9 6.73
　　 固定炭% 75.2 88.7 90.8 91.1 76.5 84.8 90.3 91.2 78.6 86.9 87.4 90.0
　　 精炼度 8.40 6.93 2.00 1.93 7.79 6.08 3.75 1.87 8.18 4.74 3.26 1.26
　　 电导率Ω.m-1 0.016 0.1587 3.953 15.02 0.0036 0.02 0.02 11.55 0.013 0.017 0.036 32.05
　　 热值J.g-1 30347 33541 32487 31480 3.871 32407 32792 32524 31941 33657 32351 31960
　　 对不同工艺烧制的竹炭，其含水率与密度通常都在降温出炉生自然放置2天后测试。由于含水率的测试不是把竹炭在恒温恒湿的环境中放置2天，因此受到室温和空气湿度的影响，表现在含水率测试的结果上（表1），各工艺间的离散性较为明显，无一定的规律可循，但一般都能满足外商的要求，为了保证提供销售的竹炭含水率的均匀性，建议生产厂家在竹炭出窑后及时进行密封包装。
　　 对于竹炭的密度，由表1可见，无论哪一种烧制工艺，竹炭的密度与炭化的终点温度（即精炼温度）有着密切的关系，即随着精炼终点温度的上升（从A→B→C→D），竹炭的密度呈上升趋势。这与木炭烧制过程中密度随炭化终点温度的上升而提高的情况是一致的[3]。应当指出的是对取自毛竹不同部位的竹材，烧制的竹炭存在着从上到下，密度呈减少的趋势。这主要是因为毛竹本身的密度自基部到梢部是逐步增大的缘故[4]。
　　 3.2.2 灰分、挥发分与固定炭
　　 竹材的灰分中含有磷、钾、硅、钙、铝、镁、铁、钠、钡、锶、锯、镍等几十种元素。这些灰分元素在竹材烧制成竹炭后，将继续存在于竹炭之中的。由表1可以看出，无论何种工艺，竹炭的灰分有随炭化终点温度（俗称精炼温度）的升高而略增大的趋势。这主要是因为炭化终点温度的提高有利于炭化程度的提高和挥发成份的减少，致使灰分在竹炭的重量百分比中略有上升。
　　 竹炭中的挥发分随炭化终点温度的提高而迅速下降（表1），这说明在竹炭的烧制过程中挥发分的失去量与炭化终点温度有很明显的关系。另一方面，由表1数据也可以看到，当炭化终点温度达到某一定值时，3种工艺制得的竹炭的挥发含量趋近一致。因此，在烧制的过程中控制好炭化终点的温度将能较好地控制竹炭中的挥发含量，从而有利于竹炭质量的稳定。
　　 竹炭中的固定炭含量主要取决于灰分与挥发分含量的多少。如前述及要保证固定炭含量在一定范围内，就必须要充分保证炭化的完全程度和控制好挥发分的含量，由表1可以看到无论是采用哪一种烧制工艺，固定炭的含量，都随着炭化终点温度的提高而提高，而且当炭化终点温度达到某一定值后，3种工艺烧制的竹炭的固定炭含量趋近一致。由此再次说明在烧制竹炭的过程中选择并控制好炭化终点温度对提高和稳定竹炭质量是十分重要的。
　　 3.2.3 精炼度与电导率
　　 由表1可见，竹炭的精炼度[5]与炭化的终点温度有着密切的关系，炭化终点温度升高，竹炭精炼度得到提高，即精炼度等级数值减少。譬如工艺1，当炭化终点温度从A依次升到B、C、D时，精炼度等级值从8.40依次减小为6.93、2.00、1.93，表明竹炭的炭化程度逐步提高。就3种烧制工艺比较，在同样的炭化终点温度下，以第3种工艺的精炼度最好，即炭化程度最高。
　　 如前所述，由于精炼度等级是以电阻的指数来确定的，实际是反映了竹炭电阻值的大小。因此，精炼度等级数值反映的是竹炭电阻值大小的一个范围，不能确切地指明竹炭的电阻。表1中竹炭电导率的数值，则具体而确切地从数值上表征了不同工艺烧制的竹炭电阻值的大小（平均值）。由这些数值的大小说明竹炭的电导率（其倒数为电阻）的变化与竹炭精炼度存在着相同的规律。因此，在生产实际中我们可以用简易的精炼度计来测定竹炭的精炼度等级，从而间接判定竹炭炭化程度的好坏与电阻值的大小。
　　 3.2.4 竹炭的热值
　　 竹炭的热值是当竹炭作为烧烤或金属冶炼用炭时一项重要的理化性能，它实际上反映的是竹材这样一种生物有机体在能量转换过程中贮存能量的大小[4]。由表1可见竹炭的热值一般都能达到3×104J.g-1以上。对实际从事竹炭生产的几个厂家，竹炭热值的测定也证明了这一点，需要指出的是当烧制的竹炭，其灰分与挥发分含量超过一定值后，即固定炭含量低于某一个数值后，热值的大小将会出现小于3×104J.g-1的情况。这种情况的出现说明竹炭的烧制工艺不尽合理，需作适当的调整。
　　 4 小结
　　 综上所述，我们可作如下小结：
　　 （1）竹炭的烧制工艺，尤其是炭化的终点温度对竹炭性能的影响是明显的。实际生产中根据炭窑的类型进行工艺的优化是完全必要的。
　　 （2）炭化的终点温度（俗称精炼温度、炼炭温度）越高，挥发分含量与精炼度等级值越小，灰分与固定炭含量增加，电导率增大，竹炭密度相应提高，竹炭的热值渐趋稳定。
　　 参考文献
　　 1 池岛庸元、竹炭竹醋液のつくリ方と使ブい方，日本农业渔村文化协会，1999
　　 2 池岛庸元、竹炭は效く，日本，致知出版社，1999
　　 3 林产工业手册编写组，林产工业手册，北京，林业出版社，P756～758
　　 4 周芳纯，竹材培育和利用，南京林业大学印刷厂，1998，P196～255
　　 5 马玉文，木炭精炼度，吉林林业科技，1992（3），P43～45

　　 叶良明 张文标 李文珠
　　 （浙江林学院，浙江临安，311300）
　　 摘 要：在实验室中，采用，SX2-5-12型箱式电炉，以3种不同的工艺和4种不同的炭化终点温度进行了竹炭烧制工艺与理化性能关系的初步研究。结果表明：①竹炭的烧制工艺，尤其是炭化的终点温度对竹炭性能的影响是明显的。实际生产中，根据窑型进行工艺优化是完全必要的；②炭化的终点温度越高，挥发分含量与精炼度等级值越小，灰分与固定炭含量增加，电导率增大，竹炭密度相应提高，竹炭的热值渐趋稳定。
　　 关键词：竹炭；烧制工艺；理化性能
　　 竹炭及其相关制品的生产是浙江省近年来兴起的一个新兴的产业门类。据日本学者的研究[1，2]及我们的初步研究，竹炭不仅仅是可作烧烤燃料，更重要的是可作空气净化与湿度调节材料，水质净化材料，果品蔬菜保鲜材料，卫生保健材料，抗辐射与电磁屏蔽材料及工业用半导体材料。以竹炭为基础将可开发系列化的功能型环保材料，并将具有极为宽广的应用前景。但由于国内对竹炭的烧制工艺及其理化性能的研究薄弱，国内生产的竹炭及其制品绝大多数以外商的商标品牌销往日本、韩国、新加坡及我国的台湾省，在我国大陆的销售几乎是空白。为此，本文在实验室条件下，初步研究了竹炭的烧制工艺与竹炭理化性能的关系，为确定合理的竹炭烧制工艺提供参考。
　　 1 材料与设备
　　 1.1 材料与试剂
　　 毛竹（Phgllostachys heterocycla var pubscense）,取自临安市田坞里村，竹龄＞5年，竹材含水率30%～40%
　　 试剂 乙醇，分析纯（95%）
　　 苯甲酸（已标定热值）
　　 1.2 仪器设备
　　 SX2-5-12型箱式电炉，AG204型密度测定仪，HG53型卤素水份快速测定仪，GR3500-S型氧弹式热量计；
　　 QJ23A型直流电阻电桥，AC5/2型直流指针式检流计，FA56型分析天平（精确到0.0001g，目本三阳电气制作所产），专用精炼度计。
　　 2 试验方法
　　 2.1 竹炭的烧制工艺
　　 将毛竹截成上、中、下3个部份后，按3种不同的工艺（分别记为1，2，3）和4种不同的精炼终点湿度（分别记为A,B,C,D），共12种工艺组合，在SX2-5-12型箱式电炉中烧制竹炭。竹炭的烧制周期均为3天，以便考察不同工艺和不同的精炼温度对竹炭理化性能的影响。3种工艺的不同主要在于干燥温度和时间及炭化温度和时间。
　　 2.2 理化性能测试
　　 2.2.1 密度及含水率测定
　　 由于竹炭为无固定长、宽、厚尺寸的弧形固体物，不便于准确测定其长宽厚尺寸并计算其体积，故采用AG204型带输出打印的排液法密度测定仪。考虑到竹炭密度差异较大及其结构的差异，根据预备试验结果，以95%的乙醇（分析纯）为测试用液体。每组测定10个试件密度，结果取平均值。
　　 含水率测定采用HG53型带输出打印的装置的卤素水分快速测定仪。测定时，每组取≤50g的竹炭颗粒试件3个作平行测定，结果取平均值。
　　 2.2.2 灰分、挥发份与固定炭含量测定
　　 灰分与挥发份测定参照GB/T17664-1999木炭和木炭试验方法。每组测定3个平行试件，结果取平均值。
　　固定炭含量。固定炭系指在高温下有效的炭元素的百分含量，以竹炭绝干后的质量减去其灰分和挥发份来计算。
　　2.2.3 燃烧热值测定
　　物质的热值指单位质量的燃料完全燃烧后冷却到原来的温度所放出的热量，其测定参照GB14402-93建筑材料热值试验方法。
　　2.2.4 竹炭的精炼度与电导率测定
　　竹炭的精炼度是根据竹炭电阻数量级的对数值确定的，用以间接反映竹炭的炭化程度。它在经贸活动中得到普通使用。根据精炼度计测定的电阻数量级的指数，精炼度分0～9度，相对应的电阻值为100～109，大于109时称精炼为9。
　　由于竹炭的精炼度是以指数来表达的，不能直接反映竹炭的确切电阻值，因而本研究中又以QJ23A型直流电阻电桥法测定了竹片炭的（10cm×5cm）电导率，测定过程中采用超声耦合剂以减少或消除接触电阻。
　　3 结果与分析
　　3.1 结 果
　　用不同工艺和不同精炼终点温度烧制的竹炭理化性能的测试结果如表1。
　　3.2 结果分析
　　3.2.1 含水率与密度
　　表1 实验室制竹炭的理化性能
　　性 能 1-A 1-B 1-C 1-D 2-A 2-B 2-C 2D 3A 3B 3C 3D
　　含水率% 7.8 2.51 3.91 5.48 9.09 8.09 5.03 4.28 4.82 3.69 3.06 4.35
　　密度g.cm-3 0.604 0.700 0.726 0.751 0.708 0.722 0.721 0.706 0.667 0.749 0.802 0.782
　　灰分% 1.39 1.94 1.83 1.89 1.62 1.94 1.60 2.04 1.76 1.63 1.69 3.26
　　挥发份% 23.4 9.14 7.33 7.05 21.9 13.6 7.79 6.73 19.6 11.5 10.9 6.73
　　固定炭% 75.2 88.7 90.8 91.1 76.5 84.8 90.3 91.2 78.6 86.9 87.4 90.0
　　精炼度 8.40 6.93 2.00 1.93 7.79 6.08 3.75 1.87 8.18 4.74 3.26 1.26
　　电导率Ω.m-1 0.016 0.1587 3.953 15.02 0.0036 0.02 0.02 11.55 0.013 0.017 0.036 32.05
　　热值J.g-1 30347 33541 32487 31480 3.871 32407 32792 32524 31941 33657 32351 31960
　　对不同工艺烧制的竹炭，其含水率与密度通常都在降温出炉生自然放置2天后测试。由于含水率的测试不是把竹炭在恒温恒湿的环境中放置2天，因此受到室温和空气湿度的影响，表现在含水率测试的结果上（表1），各工艺间的离散性较为明显，无一定的规律可循，但一般都能满足外商的要求，为了保证提供销售的竹炭含水率的均匀性，建议生产厂家在竹炭出窑后及时进行密封包装。
　　对于竹炭的密度，由表1可见，无论哪一种烧制工艺，竹炭的密度与炭化的终点温度（即精炼温度）有着密切的关系，即随着精炼终点温度的上升（从A→B→C→D），竹炭的密度呈上升趋势。这与木炭烧制过程中密度随炭化终点温度的上升而提高的情况是一致的[3]。应当指出的是对取自毛竹不同部位的竹材，烧制的竹炭存在着从上到下，密度呈减少的趋势。这主要是因为毛竹本身的密度自基部到梢部是逐步增大的缘故[4]。
　　3.2.2 灰分、挥发分与固定炭
　　竹材的灰分中含有磷、钾、硅、钙、铝、镁、铁、钠、钡、锶、锯、镍等几十种元素。这些灰分元素在竹材烧制成竹炭后，将继续存在于竹炭之中的。由表1可以看出，无论何种工艺，竹炭的灰分有随炭化终点温度（俗称精炼温度）的升高而略增大的趋势。这主要是因为炭化终点温度的提高有利于炭化程度的提高和挥发成份的减少，致使灰分在竹炭的重量百分比中略有上升。
　　竹炭中的挥发分随炭化终点温度的提高而迅速下降（表1），这说明在竹炭的烧制过程中挥发分的失去量与炭化终点温度有很明显的关系。另一方面，由表1数据也可以看到，当炭化终点温度达到某一定值时，3种工艺制得的竹炭的挥发含量趋近一致。因此，在烧制的过程中控制好炭化终点的温度将能较好地控制竹炭中的挥发含量，从而有利于竹炭质量的稳定。
　　竹炭中的固定炭含量主要取决于灰分与挥发分含量的多少。如前述及要保证固定炭含量在一定范围内，就必须要充分保证炭化的完全程度和控制好挥发分的含量，由表1可以看到无论是采用哪一种烧制工艺，固定炭的含量，都随着炭化终点温度的提高而提高，而且当炭化终点温度达到某一定值后，3种工艺烧制的竹炭的固定炭含量趋近一致。由此再次说明在烧制竹炭的过程中选择并控制好炭化终点温度对提高和稳定竹炭质量是十分重要的。
　　3.2.3 精炼度与电导率
　　由表1可见，竹炭的精炼度[5]与炭化的终点温度有着密切的关系，炭化终点温度升高，竹炭精炼度得到提高，即精炼度等级数值减少。譬如工艺1，当炭化终点温度从A依次升到B、C、D时，精炼度等级值从8.40依次减小为6.93、2.00、1.93，表明竹炭的炭化程度逐步提高。就3种烧制工艺比较，在同样的炭化终点温度下，以第3种工艺的精炼度最好，即炭化程度最高。
　　如前所述，由于精炼度等级是以电阻的指数来确定的，实际是反映了竹炭电阻值的大小。因此，精炼度等级数值反映的是竹炭电阻值大小的一个范围，不能确切地指明竹炭的电阻。表1中竹炭电导率的数值，则具体而确切地从数值上表征了不同工艺烧制的竹炭电阻值的大小（平均值）。由这些数值的大小说明竹炭的电导率（其倒数为电阻）的变化与竹炭精炼度存在着相同的规律。因此，在生产实际中我们可以用简易的精炼度计来测定竹炭的精炼度等级，从而间接判定竹炭炭化程度的好坏与电阻值的大小。
　　3.2.4 竹炭的热值
　　竹炭的热值是当竹炭作为烧烤或金属冶炼用炭时一项重要的理化性能，它实际上反映的是竹材这样一种生物有机体在能量转换过程中贮存能量的大小[4]。由表1可见竹炭的热值一般都能达到3×104J.g-1以上。对实际从事竹炭生产的几个厂家，竹炭热值的测定也证明了这一点，需要指出的是当烧制的竹炭，其灰分与挥发分含量超过一定值后，即固定炭含量低于某一个数值后，热值的大小将会出现小于3×104J.g-1的情况。这种情况的出现说明竹炭的烧制工艺不尽合理，需作适当的调整。
　　4 小结
　　综上所述，我们可作如下小结：
　　（1）竹炭的烧制工艺，尤其是炭化的终点温度对竹炭性能的影响是明显的。实际生产中根据炭窑的类型进行工艺的优化是完全必要的。
　　（2）炭化的终点温度（俗称精炼温度、炼炭温度）越高，挥发分含量与精炼度等级值越小，灰分与固定炭含量增加，电导率增大，竹炭密度相应提高，竹炭的热值渐趋稳定。
　　参考文献
　　1 池岛庸元、竹炭竹醋液のつくリ方と使ブい方，日本农业渔村文化协会，1999
　　2 池岛庸元、竹炭は效く，日本，致知出版社，1999
　　3 林产工业手册编写组，林产工业手册，北京，林业出版社，P756～758
　　4 周芳纯，竹材培育和利用，南京林业大学印刷厂，1998，P196～255
　　5 马玉文，木炭精炼度，吉林林业科技，1992（3），P43～45