生物質(zhì)炭的特性及其應(yīng)用的研究進(jìn)展

孔絲紡，姚興成，張江勇，姚曉東，曾輝,

1. 北京大學(xué)深圳研究生院//深圳市循環(huán)經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055；2. 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，北京 100871

生物質(zhì)炭的特性及其應(yīng)用的研究進(jìn)展

孔絲紡1，姚興成1，張江勇1，姚曉東1，曾輝1,2*

1. 北京大學(xué)深圳研究生院//深圳市循環(huán)經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055；2. 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，北京 100871

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)原料在完全絕氧或部分缺氧條件下經(jīng)高溫?zé)崃呀猱a(chǎn)生的一類富碳、高度芳香化和高穩(wěn)定性的固體產(chǎn)物。作為新型多功能材料，生物質(zhì)炭以其特殊的物理結(jié)構(gòu)、豐富的表面性能和優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)等特點(diǎn)日益成為眾多學(xué)科研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。文章介紹了生物質(zhì)炭的基本性質(zhì)，概括了生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)、環(huán)境、能源及生物質(zhì)炭基功能材料等4個(gè)前沿領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用研究進(jìn)展，分析了目前各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域研究存在的問(wèn)題和不足，并指出了未來(lái)生物質(zhì)炭應(yīng)用研究的前景和方向。國(guó)內(nèi)外研究表明：生物質(zhì)炭因其豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和表面性能、巨大的比表面積、高含量的植物生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)元素、較高的化學(xué)穩(wěn)定性和較強(qiáng)的陽(yáng)離子交換能力（CEC，cation exchange capacity），在土壤改良劑、固碳、氮減排、緩釋肥料載體、污水治理、煙氣凈化、土壤修復(fù)、固體成型燃料、燃料電池、固體酸催化劑和電極材料等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。這些方面的研究都取得了一定的進(jìn)展，但目前生物質(zhì)炭應(yīng)用技術(shù)的研究還處于起步階段，研究工作還有待于深入和加強(qiáng)。

生物質(zhì)炭；農(nóng)業(yè)；環(huán)境；能源；功能材料

生物質(zhì)炭是指由富含碳的生物質(zhì)在無(wú)氧或缺氧條件下經(jīng)過(guò)高溫裂解生成的一種具有高度芳香化、富含碳素的多孔固體顆粒物質(zhì)。它含有大量的碳和植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積且表面含有較多的含氧活性基團(tuán)，是一種多功能材料。它不僅可以改良土壤、增加肥力，吸附土壤或污水中的重金屬及有機(jī)污染物，而且對(duì)碳氮具有較好的固定作用，施加于土壤中，可以減少CO2、N2O、CH4等溫室氣體的排放，減緩全球變暖（Ahmad等，2014；Nelissen等，2014；Tang等，2013）。

全球?qū)ι镔|(zhì)炭開展研究起源于對(duì)亞馬遜盆地中部黑色土壤（Terra Preta）的認(rèn)識(shí)。2007年第一屆國(guó)際生物質(zhì)炭會(huì)議在澳大利亞舉辦后，生物質(zhì)炭成為了全球科技工作者關(guān)注的焦點(diǎn)和研究熱點(diǎn)。2009年《Nature》連續(xù)發(fā)表文章指出生物炭在固碳減排、土壤改良和環(huán)境污染治理中的潛在應(yīng)用前景（Kleiner，2009；Woolf等，2010）。國(guó)際生物炭聯(lián)盟（International Biochar Initiative，IBI）的成立使得國(guó)際社會(huì)關(guān)于生物質(zhì)炭的研究逐漸“升溫”并呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于生物質(zhì)炭的應(yīng)用研究主要集中在土壤改良、溫室氣體減排、受污染環(huán)境的治理與修復(fù)等農(nóng)業(yè)與環(huán)境的應(yīng)用領(lǐng)域，除此之外，生物質(zhì)炭的利用對(duì)生物質(zhì)能的推廣與應(yīng)用、廢棄生物質(zhì)資源化利用以及功能材料等領(lǐng)域也有著極高的應(yīng)用價(jià)值和重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文首先簡(jiǎn)要介紹了生物質(zhì)炭的性質(zhì)，然后詳細(xì)綜述了近年來(lái)學(xué)術(shù)界關(guān)于生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)、環(huán)境、能源以及功能材料等領(lǐng)域應(yīng)用的研究進(jìn)展及存在的問(wèn)題，并指出了未來(lái)生物質(zhì)炭技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域的研究方向。

1 生物質(zhì)炭的特性

一般而言，應(yīng)用不同基質(zhì)在不同條件下得到的生物質(zhì)炭，其物理化學(xué)性質(zhì)有所不同，但同時(shí)也擁有很多共同的特性：生物質(zhì)炭的組成元素主要為碳、氫、氧、氮等，其中炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，能達(dá)到38%～76%，烷基和芳香結(jié)構(gòu)是生物質(zhì)炭中最主要的成分；除碳元素含量高之外，生物質(zhì)炭中的 N、P、K、Ca、Mg的含量也較高（王懷臣等，2012）。

生物質(zhì)炭一般呈堿性，其pH值一般為5～12，且制備生物質(zhì)炭的熱解溫度越高時(shí)，生物質(zhì)炭的pH值越高（王懷臣等，2012）。生物質(zhì)炭中含有的礦質(zhì)元素形成的碳酸鹽是生物質(zhì)炭中堿性物質(zhì)的主要存在形態(tài)，而生物質(zhì)炭表面含有豐富的-COO-（-COOH）和-O-（-OH）等含氧官能團(tuán)，是生物質(zhì)炭中堿性物質(zhì)的另一種存在形態(tài)（Yuan等，2011）。生物質(zhì)炭表面豐富的含氧官能團(tuán)形成了生物質(zhì)炭良好的吸附特性、親水或疏水的特點(diǎn)以及對(duì)酸堿的緩沖能力。另外，含氧活性基團(tuán)使生物質(zhì)炭表面帶有負(fù)電荷，因而具有較高的陽(yáng)離子交換能力（CEC）（王懷臣等，2012）。

生物質(zhì)炭有著非常復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙大小不一。生物質(zhì)炭的比表面積通常由其孔隙率決定。在一定溫度范圍內(nèi)，比表面積隨熱解溫度的升高而增加。正是因?yàn)樯镔|(zhì)炭有著豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和豐富的表面官能團(tuán)，才使得它具有一定的持水性；但熱解溫度越高，生物質(zhì)炭的持水性越弱，這是由于熱解溫度越高，導(dǎo)致生物質(zhì)炭表面的極性官能團(tuán)越少，表面疏水性增強(qiáng)，因而不易保持土壤間隙水（戴靜和劉陽(yáng)生，2013）。

2 生物質(zhì)炭的應(yīng)用進(jìn)展

正因?yàn)樯镔|(zhì)炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積、一定的持水性和表面豐富的官能團(tuán)，使得它在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前它的應(yīng)用研究主要集中在農(nóng)業(yè)、環(huán)境、能源以及功能材料等領(lǐng)域。

2.1 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1.1 土壤改良劑

生物質(zhì)炭作為土壤改良劑，對(duì)土壤的改良作用主要表現(xiàn)在4個(gè)方面：改善土壤的物理化學(xué)性質(zhì)、改善土壤微生態(tài)環(huán)境、改善土壤微生物環(huán)境及降低有毒元素的生物有效性等。

由于生物質(zhì)炭具有巨大的比表面積和豐富的表面官能團(tuán)，不僅可以通過(guò)改變土壤的物理、化學(xué)和微生物學(xué)性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)改良土壤性能，增加土壤肥力的作用（武玉等，2014），同時(shí)也可以增加土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）的含量，提高土壤有效性營(yíng)養(yǎng)元素的含量，改變土壤微生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)植物生長(zhǎng)（楊放等，2012）。Novak等（2009）指出把核桃殼生物炭（pH值為7.3）加入到酸性土壤時(shí)，土壤的pH值會(huì)從4.8增到6.3。Oguntunde等（2008）研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的施入能降低 9%的土壤容重，加深土壤色度，并且能使土壤總孔隙率從45.7%增加到了50.6%。有研究表明，在酸性及砂質(zhì)土壤應(yīng)用生物炭可以大大增加土壤對(duì)K+、Na+、Ca2+、Mg2+和NH4+的吸持能力（Jones等，2011；Yao等，2010）。袁金華和徐仁扣（2010）研究表明：稻殼炭能夠顯著降低土壤酸度，增加土壤交換性鹽基數(shù)量和 BSP（Base Saturation Percentage，土壤鹽基飽和度），從而可使土壤交換性鋁和可溶性鋁含量降低。Laird等（2010a）研究發(fā)現(xiàn)將生物質(zhì)炭應(yīng)用于農(nóng)業(yè)土壤中后能明顯增加土壤的持水量和土壤的比表面積，且生物炭施入土壤后CEC提高了20%，且隨炭量增加而提高。生物質(zhì)炭產(chǎn)生的電荷和巨大的比表面積對(duì)土壤和植物所需的營(yíng)養(yǎng)元素（N、P等）有較強(qiáng)的吸附作用，也能減少養(yǎng)分的淋失，提高養(yǎng)分的利用效率和增加土壤肥力（武玉等，2014；楊放等，2012）。Laird等（2010b）發(fā)現(xiàn)，隨著生物炭施用量的增加，濾液中N、P、Mg和Si等含量顯著降低，施用20 g·kg-1生物炭，濾液中總氮和可溶性磷含量分別減少11%和69%。Pietikainen等（2000）研究認(rèn)為生物炭通過(guò)增加pH提高微生物群落的呼吸代謝速率，改善微生物對(duì)基質(zhì)的利用格局，進(jìn)而改良土壤肥力。

另外許多學(xué)者認(rèn)為（Rhodes等，2008；Topoliantz等，2005；周建斌等，2008），施用生物質(zhì)炭能降低Al、Cu、Fe等重金屬可交換態(tài)的含量，增加Ca和Mg等植物必需元素的可利用性，同時(shí)起到土壤修復(fù)與促進(jìn)作物生長(zhǎng)的雙重效果。周建斌等（2008）研究表明，棉稈炭能夠通過(guò)吸附或共沉淀作用降低土壤鎘的生物有效性，其中小白菜可食部分鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了49.43%～68.29%，根部鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低64.14%～77.66%。

2.1.2 固碳/氮減排

生物質(zhì)炭作為一種具有高度穩(wěn)定性的富碳物質(zhì)，在其產(chǎn)生和儲(chǔ)存的過(guò)程中都能起到將生物質(zhì)中碳素鎖定而避免經(jīng)微生物分解等途徑進(jìn)入大氣的功效，從而起到了增匯減排、減少溫室氣體排放（CO2、N2O和CH4等氣體）和影響氣候變化的積極作用（Lehmann，2007；Woolf等，2010）。

生物質(zhì)炭能將植物光合作用所固定的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為惰性碳，使其不被微生物迅速礦化，從而實(shí)現(xiàn)固碳減排（Laird，2008），因此，生物質(zhì)炭對(duì)緩解全球變暖意義重大。Lehmann（2007）估計(jì)，生物質(zhì)炭每年最多可吸收 109t溫室氣體，超過(guò)2007年排放總量 8.5×109t的 10%（Lehmann，2007）。Woolf等（2010）指出，在不危及糧食安全、生存環(huán)境及土壤保護(hù)的情況下，應(yīng)用生物質(zhì)炭每年減排溫室氣體可高達(dá)1.8 Pg二氧化碳當(dāng)量，占人類溫室氣體排放總量的12%。Kim等（2011）研究表明，不加生物質(zhì)炭的土壤釋放 CO2的量顯著高于添加生物質(zhì)炭土壤。除了碳封存，生物質(zhì)炭直接還田還可大幅度減少農(nóng)田土壤中氧化氮等溫室氣體的排放。Wang等（2011）發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭施入水稻土壤后土壤N2O排放平均值減少了73.1%，同時(shí)N2O累計(jì)排放抑制率高達(dá)51.4%～93.5%。盡管少數(shù)研究報(bào)道了生物質(zhì)炭促進(jìn)土壤N2O排放，一般認(rèn)為，生物質(zhì)炭施入土壤后能夠抑制或是減少N2O的排放，抑制率可達(dá) 90%以上（Wang等，2011）。生物質(zhì)炭還能在減少土壤 CH4排放方面發(fā)揮巨大作用（Liu等，2011；Bossio等，1999；Yoo和Kang，2012）。Liu等（2011）在室內(nèi)淹水培養(yǎng)條件下分別添加源自竹子和稻草秸稈的生物炭，發(fā)現(xiàn)添加竹炭生物炭和水稻秸稈生物炭的水稻土壤 CH4的排放量分別減少了 51.1%和 91.2%。Bossio等（1999）研究發(fā)現(xiàn)，將稻稈燃燒后還田，土壤氧化還原電位要比稻稈直接還田高50 mV，而前者 CH4釋放量只是后者的 1/5。Yoo和 Kang（2012）研究表明，玉米秸稈生物炭在水稻田小麥季施入，比在水稻季施入，能明顯地減少水稻季的CH4排放。

目前，關(guān)于生物炭對(duì)土壤CO2、N2O、CH4排放影響的研究很多，但由于不同學(xué)者所采用的實(shí)驗(yàn)材料和研究方法存在較大的差異，所得出的結(jié)論也不盡相同。因此今后需加強(qiáng)生物質(zhì)固碳減排的機(jī)理研究。

2.1.3 緩釋肥料載體

生物質(zhì)炭具有高度的孔隙結(jié)構(gòu)，可以增加土壤孔隙度及增強(qiáng)土壤保水能力，降低土壤體積質(zhì)量（Novak等，2009；宋延靜和龔駿，2010），有利于植物根系生長(zhǎng)；同時(shí)含有大量植物所需的營(yíng)養(yǎng)元素，促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)和植物生長(zhǎng)，延緩肥料養(yǎng)分在土壤中釋放和降低淋洗損失（Laird，2008）；還具有較高的生物學(xué)穩(wěn)定性，較強(qiáng)的抵抗微生物分解的能力，可以增強(qiáng)土壤的固碳作用（Goldberg，1985），減少碳向大氣的釋放。因此可將生物質(zhì)炭作為緩釋肥料載體，制成有機(jī)復(fù)合肥，實(shí)現(xiàn)對(duì)水和肥料有長(zhǎng)效緩釋作用（張齊生等，2009）。將生物炭與肥料復(fù)合制備成生物炭基肥料成為生物炭農(nóng)用的一個(gè)新的發(fā)展方向。

生物質(zhì)炭基緩釋肥料作為新型肥料，能減緩肥料養(yǎng)分釋放速度，提高農(nóng)作物對(duì)肥料利用率，改善土壤生態(tài)，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的污染（劉玉學(xué)等，2009）。Khan等（2008）用木炭在NPK肥料溶液中通過(guò)吸附法制備生物炭基復(fù)合肥，N、P、K養(yǎng)分均呈緩慢而恒穩(wěn)釋放。盧廣遠(yuǎn)等（2011）采用粘合劑將炭粉與化學(xué)肥料復(fù)合制備成炭基肥料，對(duì)玉米具有較好的增產(chǎn)效應(yīng)。付嘉英等（2013）利用生物質(zhì)炭與化肥混合制成的生物質(zhì)炭基肥料進(jìn)行田間試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與普通復(fù)合肥相比，施用的小麥秸稈炭基肥在總養(yǎng)分含量比普通復(fù)合肥減少 18%的條件下，小白菜的產(chǎn)量顯著地提高了45.03%。陳琳等（2013）利用 5種原料的生物質(zhì)炭與化肥混合制作炭基復(fù)混肥進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)復(fù)混化肥比較，炭基肥處理施氮量減少19.94%，但水稻的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量提高了 6.70%以上，其中小麥秸稈炭基肥處理增產(chǎn)幅度最高，達(dá)39.34%。蔣恩臣等（2014）研究發(fā)現(xiàn)與純顆粒尿素相比，生物質(zhì)炭基尿素緩釋肥的緩釋性能有顯著提高，隨著生物質(zhì)炭含量增加和肥料顆粒粒徑增大，緩釋性能顯著提高。高海英等（2013）以竹炭、木炭、硝酸銨為原材料，分別制備了竹炭基氮肥和木炭基氮肥，在壤土和砂土上，施用竹炭基氮肥和木炭基氮肥可顯著促進(jìn)小麥、糜子的生長(zhǎng)和增產(chǎn)，并能提高氮肥利用率，延長(zhǎng)肥料養(yǎng)分在土壤中的存留期，減少養(yǎng)分淋失。

將生物質(zhì)炭作為肥料載體制備的生物質(zhì)炭基肥料，不僅可以促進(jìn)作物生長(zhǎng)和增產(chǎn)，還有利于生物質(zhì)炭農(nóng)用效益的提升，但目前該研究才剛剛起步，還需要進(jìn)一步地深入研究。

2.2 在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用

生物質(zhì)炭的低成本、多孔性、環(huán)境高穩(wěn)定性和巨大的比表面積以及富含活性基團(tuán)，使得生物質(zhì)炭對(duì)環(huán)境污染物具有強(qiáng)烈的吸附作用，因此在環(huán)境領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前生物質(zhì)炭在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括污水處理、煙氣凈化和土壤修復(fù)等3個(gè)方面。

2.2.1 污水處理

生物質(zhì)炭在污水凈化領(lǐng)域的應(yīng)用主要是利用生物質(zhì)炭去除廢水中的農(nóng)藥、其他有機(jī)溶劑和重金屬離子等。陳寶梁等（2008）比較了不同炭化溫度下所制生物質(zhì)炭吸附劑對(duì)有機(jī)污染物的吸附性能。研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭吸附劑對(duì)水中 4-硝基甲苯有較強(qiáng)的吸附能力，低于400 ℃時(shí)，隨著炭化溫度的升高，生物質(zhì)炭吸附劑的吸附性能逐漸增大。Chen和Chen（2009）發(fā)現(xiàn)松樹枝生成的生物質(zhì)炭可以有效去除污染水體中的萘、硝基苯以及間二硝基苯等環(huán)境污染物。Arvelakis等（2010）研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭對(duì)汞離子的吸附能力優(yōu)于商業(yè)煤基活性炭。Uchimiya等（2011）用不同溫度生產(chǎn)的生物炭對(duì)水中和土壤中的Cd2+、Cu2+、Ni2+和Pb2+作了研究，發(fā)現(xiàn)隨著生物炭的pH升高，它對(duì)重金屬離子的吸附和固定加強(qiáng)。Liu和 Zhang（2009）用松樹和米糠生產(chǎn)的生物炭來(lái)研究生物炭對(duì)水中Pb2+吸附，發(fā)現(xiàn)生物炭表面大量的含氧基團(tuán)對(duì)Pb2+有較強(qiáng)的吸附效應(yīng)。陳再明等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，在350、500、700 ℃下用水稻秸稈制備的生物炭對(duì)Pb2+的最大附量分別為65.3、85.7和76.3 mg·g-1，是原秸稈生物質(zhì)的5～6倍、活性炭的2～3倍。

2.2.2 煙氣凈化

生物質(zhì)炭對(duì)一些氣體包括 NH3、CO、SO2、H2S等也具有強(qiáng)大的吸附能力，還能對(duì)煙氣中的一些氣態(tài)Hg等有較強(qiáng)的吸附作用，用生物質(zhì)炭吸附有害氣體具有操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)可行、效果良好等優(yōu)點(diǎn)，因此可以將生物質(zhì)炭用于氣體污染物治理領(lǐng)域，目前國(guó)內(nèi)外在這方面的研究相對(duì)較少，還處于起步階段。Klasson等（2014）采用4種不同的原料（杏仁殼，棉籽殼，木質(zhì)素，和雞糞）在4個(gè)不同溫度（350、500、650和800 ℃）下制備生物質(zhì)炭，制得的生物質(zhì)炭分別進(jìn)行水洗和不水洗后進(jìn)行煙氣脫汞的試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：在 650 ℃和 800 ℃下制得的生物質(zhì)炭經(jīng)過(guò)水洗后，能對(duì)煙氣中汞起到最好的脫除效果，汞的脫除率達(dá)到了95%以上（Klasson等，2014）。Shang等（2012）發(fā)現(xiàn)香樟樹枝制成的生物炭可以有效去除惡臭氣體中的硫化氫。Azargohar和Dalai（2011）用白木制備的生物炭對(duì)H2S惡臭氣體的脫除進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)這種生物炭對(duì) H2S的脫除效果比普通的純活性炭好。

2.2.3 土壤修復(fù)

由于生物質(zhì)炭施用于土壤后能提高微生物活性，活性增強(qiáng)的微生物可以促進(jìn)土壤中有害物的降解及失活，因此可以達(dá)到對(duì)土壤修復(fù)與治理的目的。Jones等（2011）研究表明：典型生物炭的應(yīng)用能夠抑制西瑪津的生物降解速率并使其很難隨水遷移，因此生物炭可以減少殺蟲劑污染環(huán)境和通過(guò)食物鏈危害人類的危險(xiǎn)。Yu等（2009）研究發(fā)現(xiàn)生物炭能明顯減少土壤中的殺蟲劑數(shù)量和洋蔥吸收的殺蟲劑量，其中850 ℃的生物炭效果最佳。Lou等（2011）發(fā)現(xiàn)生物炭的應(yīng)用降低了浸出液的五氯苯酚質(zhì)量濃度（從4.53 mg·L-1至0.17 mg·L-1）并明顯增加了發(fā)芽率和根系長(zhǎng)度，因此生物炭可作為一種潛在的有機(jī)污染物的原位吸附劑。Chen和Yuan（2011）研究發(fā)現(xiàn)生物炭能夠加強(qiáng)土壤對(duì)多環(huán)芳烴的吸附，且應(yīng)用了低溫（100 ℃）生產(chǎn)的生物炭土壤的吸附量與生物炭的應(yīng)用量呈線性關(guān)系，其它溫度的生物炭也是呈正相關(guān)關(guān)系。Beesley和Marmiroli（2011）將400 ℃下制得的生物炭施入土壤后，發(fā)現(xiàn)土壤瀝出液中Cd和Zn的濃度分別降低了300倍和45倍。丁文川等（2011）將不同溫度下熱解的松木條生物炭用于修復(fù)重金屬Pb和Cd污染土壤，結(jié)果表明，生物炭加入具有鈍化土壤重金屬，降低其生物有效性的作用。

2.3 在能源領(lǐng)域的應(yīng)用

2.3.1 固體生物質(zhì)炭燃料

將生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭，再將生物質(zhì)炭作為燃料使用或轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)炭成型燃料，既能避免生物質(zhì)燃料收集困難、體積大運(yùn)輸成本高的弊端，還充分利用了生物質(zhì)資源，并有望借此緩解全球能源危機(jī)。

吳琪琳等（2010）以板栗殼為原料，在550～750 ℃范圍內(nèi)制備了固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為83%～ 91%的生物質(zhì)炭，每千克生物質(zhì)炭的熱值為30～35 MJ，達(dá)到了GB/T 17608—2006中一級(jí)精煤的標(biāo)準(zhǔn)。Abdullah和Wu（2009）以小桉樹木材為原料，在 300～500 ℃范圍內(nèi)制備了生物質(zhì)炭，其熱值（28 MJ·kg-1）與生物質(zhì)（10 MJ·kg-1）相比提高了1.8倍，可與煤基燃料（26 MJ·kg-1）媲美。許紹良（2008）以木質(zhì)素或者在以生物質(zhì)為原料進(jìn)行產(chǎn)品加工的過(guò)程中產(chǎn)生的包含有大量木質(zhì)素成分的物質(zhì)作黏合劑、生物質(zhì)炭粉末和優(yōu)質(zhì)煤粉混合加工成為生物質(zhì)炭半成品，再經(jīng)過(guò)不低于 350 ℃的加熱炭化處理后成為成型生物質(zhì)炭成品。祖元?jiǎng)偟龋?009）將農(nóng)林業(yè)植物加工剩余物高溫?zé)o氧熱解后得到的生物焦油、生物質(zhì)炭粉等產(chǎn)物和 MgO、松節(jié)油調(diào)拌均勻，壓制成型，將其表面均勻涂布防水涂層而成一種固體生物燃料塊。未來(lái)生物質(zhì)炭成型燃料研究工作的重點(diǎn)應(yīng)是選擇和開發(fā)具有高黏結(jié)性、低成本、環(huán)保性能好的膠黏劑以及對(duì)成型工藝的優(yōu)化。

2.3.2 燃料電池

生物質(zhì)炭較高的比表面積、豐富的含氧官能團(tuán)能促進(jìn)電池的陽(yáng)極反應(yīng)（Li等，2009），而良好的導(dǎo)電性能以及較低的灰度則能降低歐姆極化，延長(zhǎng)電池使用壽命，因此生物質(zhì)炭是直接碳燃料電池理想的陽(yáng)極材料。Elleuch等（2013）將杏仁殼生物質(zhì)炭用作直接碳燃料電池中的燃料，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭有很好的應(yīng)用潛力，這種生物質(zhì)炭燃料在700 ℃時(shí)提供了 1.07 V的開路電位。張居兵等（2010）以竹片為原料制備了比表面積為 1264.38m2·g-1，體積電阻率為1568.7 μΩ·m，灰分為7.14%的生物質(zhì)炭，并研究發(fā)現(xiàn)所制備的竹質(zhì)生物質(zhì)炭比活性碳纖維與石墨炭材料具有更優(yōu)的極化性能。Huggins（2014）等認(rèn)為將木質(zhì)基生物質(zhì)炭用作微生物燃料電池電極可以顯著降低成本和碳足跡，且生物質(zhì)炭較低的材料成本使得它的電力輸出成本比顆?；钚蕴縂AC和石墨顆粒GG的輸出成本便宜了90%。

2.4 在生物質(zhì)炭基功能材料領(lǐng)域的應(yīng)用

2.4.1 固體酸催化劑

生物質(zhì)炭基固體酸催化劑因具有親油性好、催化效率高、穩(wěn)定性好、易回收重復(fù)利用、對(duì)環(huán)境友好、制備成本低廉及可再生等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到重視。

Kastner等（2012）將熱解花生殼和木屑得到生物質(zhì)炭通過(guò)濃硫酸磺化制得了固體酸催化劑，發(fā)現(xiàn)它們對(duì)催化棕櫚酸和硬脂酸的酯化反應(yīng)均表現(xiàn)出較高的活性，棕櫚酸轉(zhuǎn)化率可接近 100%。Li等（2013）以熱解稻殼炭為原料制備的固體酸催化劑表現(xiàn)出較高的催化酯化反應(yīng)活性，在催化劑用量為5%、甲醇/油酸摩爾比為4、酯化溫度和時(shí)間分別為110 ℃和2 h的條件下，油酸的酯化率可達(dá)98.7%，該催化劑具有較好的穩(wěn)定性，經(jīng)7次連續(xù)反應(yīng)后，油酸的酯化率仍可達(dá) 96.0%。陳茜茜和郭建忠（2014）以馬尾松木屑為原料，通過(guò)炭化、磺化法制備生物質(zhì)炭基固體磺酸催化劑。通過(guò)正交試驗(yàn)確定固體酸催化劑的最佳條件為反應(yīng)時(shí)間 2 h、濃硫酸用量100 mL、催化劑用量13%、磺化溫度165 ℃、油酸轉(zhuǎn)化率可達(dá)91.36%。

2.4.2 電極材料

隨著新型材料的發(fā)展，生物質(zhì)焦炭的導(dǎo)電性越來(lái)越受到關(guān)注。于英民等（2012）采用稻殼基多孔炭材料包覆聚苯胺制備了復(fù)合電極材料，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)聚苯胺負(fù)載量達(dá)到 50%時(shí)，對(duì)復(fù)合材料的電化學(xué)性能產(chǎn)生明顯影響，最大比電容達(dá)308.7 F·g-1。劉樹和等（2012）以廉價(jià)的生物質(zhì)廢棄物思茅松鋸末熱解炭制備了多孔炭電磁屏蔽材料，結(jié)果表明：在 130～1800 MHZ內(nèi)，多孔炭的屏蔽效能在38.8～56.2 dB之間，屏蔽效果較好，并優(yōu)于無(wú)孔炭材料。Li等（2010）的研究表明：通過(guò)將秸稈中溫炭化和后續(xù)的化學(xué)活化，可以制備具有高比電容的超級(jí)活性炭。肖正輝等（2011）以生物質(zhì)秸稈炭化物為基礎(chǔ)炭材料制備超級(jí)電容器使用的活性炭，結(jié)果表明：酸處理可溶去炭材料中的無(wú)機(jī)組分，從而形成豐富的孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致炭材料比電容加大，循環(huán)伏安曲線顯示出良好的可逆特性；隨著處理時(shí)間延長(zhǎng)，超級(jí)炭材料的比電容逐步加大，最高比電容達(dá)426.3 F·g-1，比原樣炭提高了50%以上，活性炭循環(huán)3000次后的比電容仍保持97.2%。

3 結(jié)論與展望

生物質(zhì)炭資源廣泛，具有綠色且可持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn)。在全球資源日益匱乏、環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重的今天，利用含碳量高的生物質(zhì)廢棄物原料制備生物質(zhì)炭不僅避免了環(huán)境污染并可生成新的能源，也是一種廢物資源化的良好途徑。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)生物質(zhì)炭的研究還處于起步階段，當(dāng)前生物炭的研究前景及有待解決的問(wèn)題主要存在以下幾個(gè)方面：

（1）農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。雖然生物質(zhì)炭的施用對(duì)土壤環(huán)境功能（改善土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)、提高土壤利用效率并增加肥效、實(shí)現(xiàn)固碳減排）等有多方面的積極作用，但大量、長(zhǎng)期施用生物質(zhì)炭可能存在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和長(zhǎng)期效果、生物質(zhì)炭的碳匯穩(wěn)定性和生態(tài)效應(yīng)還不完全清楚；生物質(zhì)炭對(duì)土壤和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境功能影響的機(jī)理目前還缺乏系統(tǒng)全面的研究；生物質(zhì)炭基肥料的效果改善研究還處于起步階段，且目前的研究還停留在室內(nèi)模擬與小規(guī)模的田間理論研究階段，后續(xù)生物質(zhì)炭農(nóng)業(yè)應(yīng)用研究需要在這幾個(gè)方面予以加強(qiáng)。

（2）環(huán)保應(yīng)用領(lǐng)域。生物質(zhì)炭作為生物質(zhì)熱解產(chǎn)物，一方面能實(shí)現(xiàn)對(duì)固體廢棄物的處置與資源化利用，減少固廢污染；另一方面因其特殊的理化性能，在水體污染治理、煙氣凈化和污染土壤修復(fù)方面有巨大的應(yīng)用潛力。但目前缺乏生物質(zhì)炭對(duì)不同污染物的吸附效應(yīng)、吸附機(jī)制及生物質(zhì)炭施用后土壤中污染物的遷移性和有效性影響方面系統(tǒng)深入的研究：多數(shù)研究只是利用某一種或某一類生物質(zhì)炭對(duì)單一污染物進(jìn)行凈化或吸附處理，但不同種類生物質(zhì)炭的形狀、特點(diǎn)及吸附性能存在差異，且多數(shù)污染是以多種污染物復(fù)合污染的形式存在的，復(fù)合污染的作用及處理機(jī)制也有很大區(qū)別，需要專門研究。另外現(xiàn)有的機(jī)理研究也多數(shù)還處于定性描述階段，因此闡明生物炭吸附過(guò)程中不同作用機(jī)制對(duì)吸附的貢獻(xiàn)率以及生物炭的結(jié)構(gòu)或表面化學(xué)基團(tuán)對(duì)吸附貢獻(xiàn)的構(gòu)-效關(guān)系研究也應(yīng)該是未來(lái)的一個(gè)研究重點(diǎn)。

（3）能源應(yīng)用領(lǐng)域。生物質(zhì)炭作為一種新型的能源材料，有利于實(shí)現(xiàn)能源多元化，減少對(duì)化石燃料的依賴性并降低傳統(tǒng)化石能源帶來(lái)的環(huán)境污染。雖然生物質(zhì)炭成型燃料有著優(yōu)良的性能和廣闊的應(yīng)用前景，但由于現(xiàn)有的膠黏劑及其成型工藝難以滿足成型燃料較高成型能力、較好的機(jī)械強(qiáng)度及低生產(chǎn)成本的要求，因此能夠作為高附加值商品化的成型生物質(zhì)炭燃料還較少，未來(lái)生物質(zhì)炭成型燃料研究工作的重點(diǎn)應(yīng)是選擇和開發(fā)具有高黏結(jié)性、低成本、環(huán)保性能好的膠黏劑以及對(duì)成型工藝的優(yōu)化；而對(duì)于生物質(zhì)炭在燃料電池方面的研究還處于起步摸索階段，需要進(jìn)一步地深入和加強(qiáng)。

（4）功能材料應(yīng)用領(lǐng)域。現(xiàn)階段關(guān)于生物質(zhì)炭在固體酸催化劑和電極材料方面的應(yīng)用只是涉及生物質(zhì)炭的催化性、可再生性和導(dǎo)電性，這只是生物質(zhì)炭在功能材料領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)開端。今后的研究要開發(fā)新的生物質(zhì)炭基固體酸制備技術(shù)，加強(qiáng)生物質(zhì)炭在工業(yè)硅冶煉領(lǐng)域的研究，并開發(fā)多功能的生物質(zhì)炭，例如，改善生物質(zhì)炭的導(dǎo)電性、賦予生物質(zhì)炭光敏性或磁場(chǎng)響應(yīng)性，拓寬其在功能材料領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，為生物質(zhì)廢棄物資源化利用提供一個(gè)新的途徑。

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Review of Characteristics of Biochar and Research Progress of Its Applications

KONG Sifang1, YAO Xingcheng1, ZHANG Jiangyong1, YAO Xiaodong1, ZENG Hui1,2
1. Shenzhen Graduate School of Peking University//Shenzhen Key Laboratory of Circular Economy, Shenzhen 518055, China 2. College of Environmental and Urban Science, Peking University, Beijing 100871, China

Biochar is the solid residue with high carbon content, most aromatic structure and great stability resulting from high-temperature thermal conversion of biomass materials under the completely or partially anoxic condition. As a new multifunctional material, biochar has attracted extensive concern and become research focus at home and abroad because of its special physical structure, rich surface properties, and excellent ecological and environmental effects. In this paper, the basic properties of biochar were firstly introduced. Then the research progress of its application in the fields of agriculture, environment, energy and function material were summarized in detail. The current problems and insufficiency existing in biochar application studies were discussed. In addition, possible hotspots for future study on biochar were analyzed. Due to its abundant pore structure and surface properties，large specific surface area，high contents of essential nutrients for plants, high chemical stability and cation exchange capacity (CEC, cation exchange capacity), biochar has great application prospect and got certain research progress in soil amendment，carbon (nitrogen) sequestering and greenhouses (nitrogen) emission reduction，slow-release fertilizer carrier, wastewater treatment, flue gas purification, soil restoration, solid molding fuel, fuel cell, solid acid catalyst and electrode materials. However, the biochar application technology research is still in its infancy, so there are still many problems in the application areas, which need to be improved. Future research would focus on the following aspects: the environmental risk and influence mechanism of biochar to the function of soil and agricultural ecosystem; the influence law of migration and effectiveness of biochar to pollutants in different media and biochar adsorption mechanism of different pollutants; development of a new adhesive with high bondability, low cost and high environmental performance and an optimized biochar fuel molding process; in-depth fuel cell application research; development and application of multifunctional biochar materials, etc. The study could provide a reference on applications and promotion of biochar technology.

biochar; agriculture; environment; energy; functional materials

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.04.025

X142

A

1674-5906（2015）04-0716-08

孔絲紡，姚興成，張江勇，姚曉東，曾輝. 生物質(zhì)炭的特性及其應(yīng)用的研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(4): 716-723.

KONG Sifang, YAO Xingcheng, ZHANG Jiangyong, YAO Xiaodong, ZENG Hui. Review of Characteristics of Biochar and Research Progress of Its Applications [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(4): 716-723.

國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（41201532）；國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目（41390240）；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014A030313720）；深圳市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目（JCYJ20120614151558529）

孔絲紡（1981年生），女，助理研究員，博士，主要從事生物質(zhì)能源技術(shù)的開發(fā)及土壤修復(fù)的研究。E-mail: mengsiksf@163.com *通信作者。E-mail: zenghui@pkusz.edu.cn

2015-02-02