竹材加工业产生的大量竹节、梢头、刨花和竹屑等加工剩余物大多被弃置或直接燃烧,得不到有效利用。通过热化学转化的方法将这些竹加工剩余物转化成高附加值的竹炭,既能减少直接燃烧对环境造成的污染,又能实现生物质废弃物的高值化利用,在能源、化工、材料和环保等领域发挥重要作用。因此,制备成本较低、绿色无污染和附加值高的竹炭材料具有重要的理论意义和应用价值,受到国内外学者的广泛关注。本论文旨在通过水热炭化的方法将毛竹颗粒转化为高热值的水热炭固体燃料、粒径分布均匀的水热炭微球和孔隙结构发达的多孔炭材料,并对其结构和性能进行表征;研究水热炭化温度、釜内压力和保温时间等反应条件对固体产物水热炭的理化特性、表面形态和孔隙结构等特征的影响,阐述生物质各组分在水热炭化过程中的降解机理;探索用高锰酸钾、无机酸碱等添加剂改性制备功能炭材料的方法,探明酸根离子对粒径分布均匀的炭微球形成的影响;并针对传统活性炭活化过程中污染大、能耗高等问题,提出低浓度碱处理和高温裂解联用的多孔炭制备方法。本文为水热炭材料的功能改性及可控合成提供理论依据和技术支撑。具体研究内容、方法和结果如下。(1)采用干法烘焙和水热炭化这两种常用的热化学转化方法制备了烘焙产物和水热竹炭。结果表明,干法烘焙在提高燃料的质量产率(61.6～92.8%)、能量得率(74.9～93.8%)和能量效率(30.5～40.4%)方面较为有利,而水热炭化制得水热竹炭的热值(28.29～29.30 MJ/kg)和固定碳含量(63.1～68.6%)较高。在温度260和300℃条件下制得的水热竹炭具有更小的尺寸(50%的颗粒粒径小于84.5μm)、更高的堆积密度(0.25～0.29g/cm3)和极好的疏水性(1.60～2.49%)。温度对水热炭和烘焙产物性能的影响较大,随着反应温度增加,质量产率、能量产率和挥发分含量降低,热值、固定碳含量、疏水性和热解稳定性增大。随着反应温度升高,水热炭在傅里叶红外光谱图中1730 cm-1处的特征峰消失,反映了水热炭和烘焙产物表面官能团的变化,辅证了生物质转化过程中半纤维素和纤维素的降解。此外,热处理温度的升高使固体产物的总孔体积变小,疏水性增强,防止固体燃料吸潮变质,有效提升了固体燃料品质。(2)研究了原料浓度、反应温度、反应压力、保温时间等因素对水热竹炭品质特性的影响。结果表明,温度对水热竹炭品质特性的影响最大,温度越高,半纤维素、纤维素分解越彻底,炭化程度越深,固定碳含量越高,挥发分含量越低,热值越大。当温度高于260℃时,水热竹炭的热值已达到煤炭的标准,大于28MJ/kg。保温时间对水热竹炭品质的影响低于反应温度的影响。当反应温度较低时(220℃),保温时间会加深水热竹炭的炭化程度,各项能源化指标增幅略大;当反应温度较高时,保温时间对水热竹炭品质的影响较小。在实验室规模反应釜条件下,原料浓度和外加反应压力对水热竹炭品质特性影响较小,温度180℃时在反应釜内额外充入1 MPa的氮气,水热竹炭的理化性能和化学基团几乎没有发生变化,但竹纤维发生物理断裂,表面更加粗糙,形成介孔结构,并小幅度提高水热竹炭的耐热性能。综合考虑水热炭的品质性能和反应能耗,将水热反应条件设定为260℃,保温时间1h,原料浓度50g/L,无外加压力,可获得品质特性较佳的水热竹炭。(3)以高锰酸钾为添加剂加入到毛竹颗粒水热反应体系中,制备了功能水热炭材料,研究了不同温度条件下高锰酸钾浓度对功能水热炭材料理化特性、疏水性和微观形貌的影响。结果表明,较高的反应温度(260℃)会降低功能炭材料的质量产率(39.8%);随着温度的增加,固定碳含量和碳元素比例增加,挥发分含量、H/C和O/C比降低。高锰酸钾浓度对功能水热炭理化性能影响较大,高锰酸钾在水热炭化的过程中参与化学反应,并以锰的氧化物形式留存在灰分中,影响了功能炭材料的工业分析成分和碳、氢、氧元素含量。Ho的准二级动力学模型能较好地描述水热炭和功能水热炭材料的吸湿动力学过程,在260℃水热炭化温度下和1.0wt%的KMnO4浓度下制备的功能炭材料获得了最好的疏水性,吸湿率仅为0.82%。在功能炭材料表面观测到了碳酸锰(MnCO3)的形成,可能对功能炭材料的性能具有积极的影响。(4)采用3种常用的无机强酸(盐酸、硫酸和硝酸)作为催化剂加入到毛竹颗粒水热炭化反应体系中,研究了不同温度下无机酸的催化效果,制备了粒径分布均匀的水热炭微球和负载了磺酸基团的功能水热炭。温度为220℃时,盐酸和硫酸催化制得水热炭热值较高,分别达到26.75和25.00MJ/kg,与更高温度下制得的水热炭水平相当。温度为220℃时,盐酸和硝酸能够有效克服水热炭的聚团现象,分别形成粒径8～10μm和0.2 μm左右的炭微球,随着温度的升高,炭微球不断生长,但会在局部出现炭微球的交联现象。硫酸催化水热反应中,形成了形貌不规则的水热炭颗粒,并在炭颗粒表面引入了磺酸基团。无机酸催化水热制得水热炭微球,能够在低温时达到普通水热较高温度时的性能,且耗能更少,经济效益更好。(5)采用3种常用的强碱(氢氧化钾、氢氧化钠和碳酸钾)作为催化剂加入到毛竹颗粒水热炭化反应体系中,并将碱处理水热炭化后的炭材料进行高温裂解,制得具有一定比表面积和孔容积的多孔炭材料。其中碳酸钾和高温裂解联用的造孔效果最好,样品的BET比表面积和总孔体积分别达到307.4 m2/g和0.167 cm3/g。