生物質(zhì)熱解炭化及其資源利用進(jìn)展

孫書(shū)晶，曾 旭

（1.遼寧省固體廢物管理中心，遼寧沈陽(yáng) 110161；2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

生物質(zhì)熱解炭化及其資源利用進(jìn)展

孫書(shū)晶1，曾 旭2

（1.遼寧省固體廢物管理中心，遼寧沈陽(yáng) 110161；2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

生物質(zhì)能源是一種可再生的清潔能源。介紹了生物質(zhì)熱解炭化的技術(shù)方法，以及生物質(zhì)炭資源化利用的進(jìn)展，以期為生物質(zhì)的資源化利用提供參考借鑒。

生物質(zhì)；熱解炭化；生物質(zhì)炭；資源利用

1 生物質(zhì)熱解炭化技術(shù)

生物質(zhì)原料在無(wú)氧或缺氧或是存在惰性氣體作為保護(hù)氣的條件下進(jìn)行高溫?zé)峤?，最后生成生物質(zhì)炭。這些生物質(zhì)原料主要包括農(nóng)作物秸稈、樹(shù)枝、城鎮(zhèn)生物質(zhì)廢棄物等。在生物質(zhì)熱解炭化的過(guò)程中，一般是采用封閉式的裂解爐，因此除了能夠生成富碳的生物質(zhì)炭和可燃?xì)鈱?shí)現(xiàn)資源化利用以外，還能夠?qū)崿F(xiàn)廢棄物的無(wú)害化，因此，從環(huán)保的角度講，生物質(zhì)炭化工藝是一種理想的生物質(zhì)能源資源化利用技術(shù)。

生物質(zhì)熱解炭化其主要優(yōu)點(diǎn)是能源轉(zhuǎn)化的效率高、能源消耗量少。生物質(zhì)熱解后的主要產(chǎn)物是固體的生物質(zhì)炭，液體產(chǎn)物主要是焦油，氣體產(chǎn)物一般是二氧化碳、一氧化碳和水等。在生物質(zhì)的熱解炭化過(guò)程中，其主要影響因素是生物質(zhì)原料的種類(lèi)、熱解設(shè)備的選型、熱解的溫度、升溫的速度以及保護(hù)氣的構(gòu)成等。不同的熱解條件下，對(duì)產(chǎn)生的生物質(zhì)炭的性能會(huì)有較大的影響，其影響到的生物質(zhì)炭的主要性能包括，固定碳含量、孔隙結(jié)構(gòu)及官能團(tuán)特性等。目前，生物質(zhì)熱解炭化的研究較多，技術(shù)工業(yè)化的主要問(wèn)題是如何選擇合適的熱解設(shè)備、確定熱解的工藝參數(shù)，使得產(chǎn)生的生物質(zhì)炭能量密度較高、形狀規(guī)則、含濕率低，提高生物質(zhì)炭資源化產(chǎn)品的附加值。近年來(lái)出現(xiàn)大量利用生物質(zhì)廢棄物制備生物質(zhì)炭的研究，例如，以大葉合歡種子莢為原料制備了微孔活性碳；以稻殼灰為原料制備了活性炭；以杏仁殼、椰子殼和核桃殼等制備了多孔碳材料，以活化木屑制備了介孔碳材料。此外，還有利用雞糞等用于生物質(zhì)炭的制備研究，相對(duì)而言，采用木質(zhì)纖維素類(lèi)生物質(zhì)制備生物質(zhì)炭較容易實(shí)現(xiàn)，且制得的生物質(zhì)炭吸附性能較好。因此，為了制備高效能的生物質(zhì)炭，需針對(duì)不同的原料開(kāi)發(fā)不同的生物質(zhì)炭制備工藝。

2 生物質(zhì)炭的資源化利用方式

2.1 農(nóng)業(yè)資源化利用

生物質(zhì)熱解炭化產(chǎn)生的生物質(zhì)炭具有多孔性的結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有較大的比表面積，在生物質(zhì)炭的表面還含有較多的含氧官能團(tuán)，添加到土壤中，能夠顯著提高土壤的交換活性，有利于土壤中的養(yǎng)分離子的遷移、轉(zhuǎn)化，從而提高了土壤的肥力。目前，在該方面的研究也較多，大量的研究表明，生物質(zhì)炭添加到土壤中，或者與畜禽糞便堆肥或者與化學(xué)肥料混合后制成肥料，生物質(zhì)炭能夠固定肥料中的養(yǎng)分元素，使得有機(jī)養(yǎng)分吸附到生物質(zhì)炭的表面，減小了養(yǎng)分的流失，延長(zhǎng)了農(nóng)作物利用養(yǎng)分的時(shí)間從而增加了肥效。

2.2 重金屬污染土壤的修復(fù)

由于生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的生物質(zhì)炭一般都是呈堿性，因此，在土壤中能夠與重金屬離子形成沉淀，或者是將重金屬離子吸附到生物質(zhì)炭的表面，從而避免了農(nóng)作物對(duì)重金屬離子的吸收，因此也常常被用作重金屬污染土壤的修復(fù)劑。劉瑩瑩等的研究表明，小麥秸稈、玉米秸稈、花生殼等熱解產(chǎn)生的生物質(zhì)炭對(duì)Cd和Pb的吸附非常明顯，其吸附量分別可以達(dá)到26.32，76.92 mg/g。Beesley的研究表明，生物質(zhì)炭的添加能夠大幅降低土壤孔隙水中Cd、Zn的含量。因此，生物質(zhì)炭能夠在重金屬污染土壤的修復(fù)中得到資源化利用。由于不同的重金屬其吸附特性不同，因此在利用生物質(zhì)炭修復(fù)重金屬土壤的過(guò)程中需要進(jìn)行針對(duì)性的生物質(zhì)炭的選擇，以及施用的工藝參數(shù)和條件，如pH值等。

2.3 在廢水處理中的應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了大量的難降解有機(jī)廢水，這些廢水如不能得到很好的處理，對(duì)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生交大的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。在這些高濃度難降解有機(jī)廢水的處理過(guò)程中，吸附法是一種具有廣泛適用性和高效的方法，其主要優(yōu)勢(shì)是價(jià)格低廉、效率高、無(wú)二次污染、工藝簡(jiǎn)單等，目前常用的吸附劑有活性炭、膨潤(rùn)土、硅藻土等。生物質(zhì)炭由于具有多孔性的結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有較大的比表面積，在生物質(zhì)炭的表面還含有較多的含氧官能團(tuán)，因此，可作為吸附劑用于廢水的處理。Mise等研究了利用芒果皮熱解炭化制得的生物質(zhì)炭對(duì)六價(jià)鉻離子的吸附，結(jié)果表明，六價(jià)鉻的去除效果較好。Demiral等研究了橄欖渣熱解制得的生物質(zhì)炭，也表現(xiàn)出了非常好的吸附效果。

2.4 在超級(jí)電容器中的應(yīng)用

超級(jí)電容器是一種建立在界面雙電層理論基礎(chǔ)上的全新電容器，早期主要是利用碳材料作為電極材料。這些碳材料主要包括多孔碳、活性炭、石墨等。生物質(zhì)炭具有來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、環(huán)境效益好等優(yōu)點(diǎn)，在超級(jí)電容器中的應(yīng)用也日益受到重視。生物質(zhì)炭具有良好的化學(xué)惰性、高導(dǎo)電性、較大的比表面積，此外生物質(zhì)炭表面還含有大量的—OH和—COOH等含氧官能團(tuán)，因此，在超級(jí)電容器中的應(yīng)用逐漸引起了科研工作者的關(guān)注。

3 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)目前生物質(zhì)廢棄物的資源化利用率總體較低，在生物質(zhì)炭的資源化利用方法研究活躍，目前一些技術(shù)研究相對(duì)較多。例如，生物質(zhì)炭的制備工藝，制造設(shè)備，如何提高生物質(zhì)炭的產(chǎn)品性能；此外，還需進(jìn)一步拓展生物質(zhì)炭的資源化利用領(lǐng)域，以期促進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用前景；在工業(yè)化利用方面還有一些技術(shù)難題需要持續(xù)研究，以期實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)炭的高效利用。

[1] 孫振鈞.中國(guó)生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)及發(fā)展取向[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2004，20（5）：1-5.

[2] 周中仁，吳文良.生物質(zhì)能研究現(xiàn)狀及展望[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2006，21（12）：12-15.99.

Biomass Pyrolysis Carbonization and its Resource Utilization

Sun Shu-jing，Zeng Xu

Biomass energy is a renewable clean energy.This paper introduces the technical methods of biomass pyrolysis and carbonization，and the progress of resource utilization of biomass carbon，so as to provide reference for the utilization of biomass.

biomass；pyrolytic carbonization；biomass carbon；resource utilization

S216

：A

：1003–6490（2017）04–0207–01

2017–04–05

孫書(shū)晶（1972—），男，遼寧莊河人，助教，主要研究方向?yàn)楣虖U處理及資源化 。