环境保护与资源综合利用技术

1.项目介绍（包括技术水平，产品或技术的新颖性、先进性和独特性等，字数不限）能源危机、环境污染的现状以及碳达峰、碳中和目标的实现，需要开发绿色高性能新能源 材料，构建高效的能量储存器件。河北省“十四五'’规划和二。三五年远景目标纲要中，把新 能源和新材料产业作为现代产业体系新支柱重点发展。新能源产业中，强调“加快储能关键技 术研发和产业化”；新材料产业中，强调“加强关键共性技术研发及产业化，提升新材料技术 工艺水平和产品质量，拓展纳米材料、碳纤维、亚稳材料、石墨烯材料等市场应用”。在国家 和省方针政策驱动下，本项目基于“能源可持续发展”和“生态环境保护''两个重要因素，创 新发展绿色低碳转化技术，将地球上储量最大的可再生生物质资源清洁高效地转化为能源领域 中高端碳电极材料，实现新能源器件核心材料制备技术的创新发展，同时，获得中低端功能性 生物质碳材料。本项目依托本校2020年获批的河北省生物质碳材料及应用技术创新中心平台开展研究， 立足于京津冀协同和河北科技创新发展，以河北区域内大量的农作物秸秆特别是雄安白洋淀地 区芦苇秸秆为原料，创新发展生物质资源的清洁化和资源化利用技术。结合新型材料石墨烯及 商业化的锂离子电池硅负极材料，开发具有优异结构和特定性能的新型复合纳米材料的制备技 术，研制高性能的储能器件，实现储能材料制备技术和储能器件性能新突破。同时，开发中低 端碳产品的制备工艺和技术，拓展碳材料的应用领域,服务于河北省新能源和新材料产业发展， 促进生态文明建设，推动区域及全省经济可持续发展。本项目中关键技术有两个：1）生物质资源转化过程：此过程采用溶剂热反应，通过转化 过程条件控制，将生物质原料转化为全碳中间体产品。此过程是零污染零排放的绿色经济转化 过程，是可实现全球瞩目的低碳化、去碳化的转化过程。并且在此过程中，原料中碳的转化率 和利用率可达到100%,实现了碳的高效转化。经过此过程转化得到的碳材料，是很好的再加 工原料。这些生物质资源转化技术的性能和指标是现有技术所不能达到的。2）功能性生物质 碳材料制备过程：可根据实际应用领域中对碳材料结构和性能的不同需求，进一步有针对性的 采取不同的活化技术，将全碳中间体转化为具有不同性能的功能性生物质炭。经过深加工，通 过对材料微观形貌控制、表面改性、导电性提升及与客体复合设计调控等，制备高端的储能器 件电极材料，包括超级电容器活性炭电极材料和锂离子电池碳负极材料；采取合适的活化技术， 可转化为具有特定结构和性能的中端吸附炭，用于环境污染废水吸附净化；经过简单成型加工 处理，可得到低端燃料炭产品。本项目中以上两个关键技术的开发和应用，可解决河北省区域内大量的农作物秸秆特别是 白洋淀地区芦苇秸秆作为固体废物对环境造成的污染，同时又可根据需求，制备应用于新能源 领域的高端碳材料及其他领域包括民生领域中应用的中低端碳材料。项目在实现可再生资源绿 色髙效开发和利用的同时，创新储能核心材料和技术发展，构建清洁低碳的能源可持续发展方 式，在资源环境和新能源领域融合发展中具有新颖性、先进性和独特性。

国民经济持续、快速发展和产业结构的优化升级不仅对碳产品数量的需求与日俱增，也对 碳产品的品种和质量提出了更髙的要求。纳米碳材料从研究领域逐渐向产业化方向发展，特别 是在解决了纳米碳材料工业化规模生产的难题之后，其应用领域的拓展就更为重要。对于储能 领域，高端碳材料无疑是目前超级电容器各类电极材料中最具吸引力的，同时也是锂离子电池 负极材料中的主体材料之一；对亍环境领域，中端吸附活性炭是占有着活性炭市场的主体；对 于民生领域，低端燃料炭是保障民生的重要原料。对于高端碳材料，包括用于超级电容器活性炭电极材料和锂离子电池硅碳负极材料。活性 炭电极材料，2019年全国需求总量为5692吨，自2012年以来的需求增长率为21.63%, 2026 年的预计需求量将达到14000吨。但是，国内生产不能满足市场需求，如2019年国内的产量 仅为842吨，目前市场需求大部分依靠进口。锂离子电池硅碳负极材料，2021年的市场规模 为4万吨，据推测，今后会以平均每年170%的速率增长，到2025年，市场规模可达33万吨。对于中端吸附活性炭，主要用于水处理、空气净化、汽车应用、溶剂与废气回收等领域， 其需求也有所扩大。2019年我国吸附活性炭需求量为65.85万吨，同比增长8.90%,其未来的 应用领域和应用数量都将快速递增。到2025年，国内吸附活性炭市场需求将达到93万吨左右。对于低端燃料炭，我国木炭产量与表观需求量之间常年存在一定缺口，需求量髙于供应量。 2020年我国木炭表观消费量为102万吨，当年我国木炭产量为81.2万吨，缺口明显o 2021年 我国木炭进口量为26.15万吨，出口量为8.47万吨，截至2022年1.2月，我国木炭进口量为 4.83万吨，同比增长70.41%,出口量为1.36万吨,同比增长0.79%。本项目的竞争对手是活性炭生产企业，相对于现有技术和产品性能，本研发具有明显的竞 争优势：1）技术优势：研发技术具有先进性和独特性，获2021年度河北省自然科学二等奖； 2）环保和成本优势：生物质资源转化过程是零污染零排放、环境友好且碳的转化率为100% 的过程，是一个成本低、经济性强的过程；3）产品性能优势：可根据不同领域对产品需求， 进行功能化碳材料的订制化生产；对于高端碳，其比表面积可达3000 m2/g以上，且可进行特 定孔径结构调节；对于中端和低端碳，其结构和性能也优于现有市场产品；4）区域和行业优 势：目前河北省内的活性炭企业主要集中在中端吸附炭的生产，而对于目前国内缺口最大的超 级电容器和锂离子电池用高端碳材料的供应量很少。相对于此，本项目具有填补省内高端活性 炭缺口的重要作用，同时对全国新能源领域中电极材料的发展具有重要的推动作用。预测销售情况视投产规模而定，根据市场对接和投产具体情况，产品年产量可在几吨到几 十吨范围，年产值可达千万元以上。