人类使用木炭的历史已经很久远了，除燃料和传统的工业用炭外，木炭的新用途越来越广泛[1,2]。木炭具有吸着性、研磨性、吸光性、隔热性和较强反应性等特性[3]。木炭在工农业生产领域以及人们日常生活领域的用途广泛。工业上木炭常用于冶金工业，用于生产优质钢材等[4]；农业上利用木炭的特性可以作为土壤改良剂，改善土壤使其形成团粒结构，调节土壤的酸碱度[5]，还可作为植物声场调节剂、环保型农药及农药载体以及作为饲料添加剂[6]；生活上木炭可制成消毒杀菌剂、防腐保鲜剂等[7]。本文对雪松、云杉以及白皮松木材碳化工艺进行了初步研究，并对其碳化前后主要理化性质的变化情况进行了分析，以期为木材碳化领域积累一些有用的素材。

1 材料与方法

1.1 材料

材料采自于贵州大学林学院附近的雪松（C. deodara）、云杉（P. asperata）、白皮松（P. bungeana）木材。树高15m左右，截取主干上胸高（1.3m）以上20cm长的木段并锯成等长的两段，将除净树皮的木材预先于烘箱内90℃条件下烘干至恒重，妥善保存以备用。

1.2 碳化方法

根据碳化机理及试验目的，本试验设定3个碳化温度（350℃、450℃、550℃），每个碳化温度下设定3个碳化时间（1h、2h、3h）。每种木材在不同碳化温度、碳化时间下分别进行碳化，共9种碳化条件，每种碳化条件3次重复。具体方法为：将木材在炭化箱(THX-3)内无氧条件下加热到90℃左右，然后以5℃/min的升温速度加热，直到设定炭化温度并恒温至设定的时间，然后缓慢降温，碳化结束。

1.3 分析方法

试验分析雪松、云杉及白皮松在不同碳化工艺下碳化率的差异以及碳化前后吸水量、密度、pH值、NO3-吸附量的变化情况。碳化率采用碳化后重量与碳化前干重的百分比表示，吸水量、密度、pH值分别参照国标GB/T 1934.1-2009、GB/T 1933-2009、GB/T 6043-2009中规定的方法进行测定，NO3-吸附量采用紫外分光光度法[8]进行测定。

1.4 数据分析

实验数据以EXCEL进行常规计算，统计值均以3次重复实验的平均值计算。

2 结果与分析

2.1 不同碳化工艺条件下碳化率的变化

几种常绿树种在不同碳化工艺条件下碳化率的变化情况见表1。从表1可看出，在设定的3个碳化温度下，随着保温时间的延长，雪松、云杉以及白皮松的碳化率都逐渐降低，而在保温时间一定的条件下，3树种的碳化率随着碳化温度的升高也表现出逐渐降低的趋势。在设定的最高温度（550℃）与最长时间（3h）的碳化工艺下，3树种的碳化率都是最低值，雪松、云杉以及白皮松分别为25.64%、23.21%、22.81%。而在最低温度（350℃）与最短时间（1h）的碳化工艺下，3树种的碳化率都是最高值，雪松、云杉以及白皮松分别为31.21%、35.74%、38.21%，与其最高温度最长时间条件下碳化率相反，表明碳化率高低与温度高低及时间长短成负相关。

木材的主要组分就是纤维素与半纤维素。纤维素中的葡萄糖基在碳化温度超过150℃后开始发生脱水反应，纤维素的化学性质随之发生变化，而半纤维素的热解温度要比纤维素低；当温度高于250℃时，木材内部的化学反应即剧烈地进行，不仅半纤维素发生分解，纤维素也随之分解[9]；如果碳化温度继续升高，木材内部的脱水反应更加剧烈地进行并伴随其它化学反应，最终的产物将是纯碳固体。显然，碳化中木材将不断失水，碳化过程中木材的重量随着碳化温度的升高以及保温时间的延长将不断降低，从而导致碳化率逐渐降低直至稳定。

2.2 碳化前后吸水性的变化

木材的吸水性表示木材浸入水中吸取水分的能力，吸水量在一定程度上取决于材质的密度和大毛细管系统的稳定性，3树种碳化前后吸水性的变化情况见表1。从表1可以看出，雪松、云杉以及白皮松碳化前的吸水量分别为1.03ml/g、0.80ml/g、0.70ml/g，从这里也可以看出，3树种木材原本的密度和大毛细管系统是有一定差异的。3树种吸水量不论在哪种碳化工艺条件下碳化后比碳化前都有较大幅度的提高。其中，雪松最大达到2.20ml/g（450℃、1h），比碳化前增长了近120%；云杉最大达到2.80ml/g（550℃、1h），比碳化前增长了250%；白皮松最大达到2.60ml/g（550℃、2h），比碳化前增长了271%。但是，同一树种在不同条件下碳化后的变化情况并没有明显的规律可寻，这与碳化率的变化情况有很大差异。理论上讲，3树种本身的材性以及组分上的差异（主要是纤维素与半纤维素的含量差异）导致了同一树种在不同碳化工艺条件下碳化产物的物理结构以及组分发生了不规律的变化，进而导致吸水性发生不规律的变化。

2.3 碳化前后密度的变化

3树种碳化后的密度变化情况见表1。从表1可以看出，雪松、云杉、白皮松在碳化前的密度分别为1.07g/cm3、1.06g/cm3、1.37g/cm3，碳化后，三者密度都有所降低，最低值分别为0.44g/cm3、0.36g/cm3、0.32g/cm3。从碳化后密度变化规律上来看，同一树种在同一碳化温度下，随着保温时间的延长其密度越来越小，与碳化率的变化情况类似，这一方面是由于脱水导致重量不断减小，另一方面也是由于材质在脱水过程中结构上不断变化，形成了一些孔隙结构的原因。而3树种在相同保温时间不同温度下碳化后的密度变化情况略微有些差异：在保温1h情况下，随着温度的升高，碳化后雪松密度逐渐降低、云杉与白皮松先降低再升高；在保温2h与3h情况下，随着温度的升高，碳化后雪松密度先降低再升高、云杉与白皮松逐渐降低。这一方面是三者本身材质和结构的不同导致了变化规律的不一致，另一方面是由于温度高时反应进行得快、反应类型也有变化，再次是因为保温时间的延长能够使反应进行得更充分的原因[10]。

2.4 碳化前后pH值的变化

3树种碳化后的pH值变化情况见表2。从表2可以看出，雪松、云杉、白皮松在碳化前pH值分别为6.36、6.27、5.89，都为弱酸性，碳化后，三者pH值都呈碱性（云杉350℃下保温1h时为中性），最大pH值都是在最高碳化温度、最长保温时间下得出，分别为9.87、7.84、8.63。从碳化后pH值变化规律上来看，与碳化率相似：3树种在固定碳化温度下，随着保温时间的延长，pH值都逐渐升高，在固定的保温时间下，随着碳化温度的升高，pH值也是逐渐升高。碳化过程主要化学反应之一就是脱水反应，材质中吸水羟基越来越少[9]，从而导致碳化后产物的pH值升高。

2.5 碳化前后硝酸根离子吸附量的变化

3树种碳化后的NO3-吸附量变化情况见表2。从表2可以看出，3树种碳化前后对于NO3-吸附量的变化情况与吸水性类似，雪松、云杉以及白皮松碳化前分别为0.0690mg/g、0.0560mg/g、0.0680mg/g，碳化后NO3-吸附量都有较大幅度提高，但是不同的碳化工艺条件对NO3-吸附量的提高作用差异不明显，碳化后增幅最大值分别达到45.51%、100.00%、66.03%。

材质吸附离子能力的大小主要取决于它的孔隙度、比表面积、特殊的表面物理结构[11-13]。3树种碳化前NO3-吸附量较小的原因就在于它的孔隙度小、比表面积小、也不具备特殊的表面物理结构，而碳化后产物由于经过了一系列物理化学反应使得它具备前述3个条件[14]，因此，NO3-吸附量明显增大。NO3-吸附量变化情况不具有明显的规律性主要是因为3树种本身材质上的差异最终导致产物在孔隙度、比表面积以及特殊的表面物理结构上出现不规律的波动。

3 结论

（1）雪松、云杉以及白皮松木材碳化率随碳化温度的升高而降低、随保温时间的延长而降低。在设定的最高温度（550℃）与最长时间（3h）的碳化工艺下，3树种的碳化率最低，分别为25.64%、23.21%、22.81%。

（2）雪松、云杉以及白皮松木材碳化后都能较大幅度的提高吸水量与NO3-吸附量，吸水量与NO3-吸附量增幅最大达到270%、100%，但是同一树种在不同条件下碳化后吸水量、NO3-吸附量并没有明显的变化规律。

（3）雪松、云杉、白皮松木材碳化后密度都有所降低，最低分别能达到0.44g/cm3、0.36g/cm3、0.32g/cm3。同一树种在同一碳化温度下，随着保温时间的延长其密度越来越小，而同一树种在同一保温时间不同碳化温度下碳化后的变化规律不明显。

（4）雪松、云杉、白皮松木材在碳化前为弱酸性，碳化后都呈碱性（云杉350℃下保温1h时为中性），pH值随着碳化温度的升高与保温时间的延长而增大。

（5）综合比较碳化前后的理化性质并考虑成本问题，对于雪松、云杉、白皮松木材，在450℃碳化温度下保温2h的碳化工艺较为经济实惠，在得到较好的理化性质的前提下也节约了成本。

参考文献

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