生物炭的制備與應(yīng)用研究

[摘 要] 近年來，生物炭得到各界的廣泛認(rèn)識，有關(guān)學(xué)者對于生物炭的研究越來越多。本文簡述生物炭的原料來源與制備過程，著重對其在各領(lǐng)域的應(yīng)用做出闡述，并分析生物炭利用中存在的問題，為后續(xù)生物炭的研究與利用提供依據(jù)。

[關(guān)鍵詞] 生物炭;制備;應(yīng)用

[中圖分類號] TQ127.11 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-7909（2019）02-115-2

生物炭（Biochar）是由生物質(zhì)在完全或部分缺氧的環(huán)境下，通過高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的物化特性穩(wěn)定、富含碳素的固態(tài)物。當(dāng)前，國內(nèi)外對生物炭的研究成為一大熱點。全球?qū)τ谏锾康难芯吭从趯嗰R遜盆地的黑土[1]的認(rèn)識，早期科學(xué)家并未對其引起重視。隨著環(huán)境問題的不斷惡化，科學(xué)家在研究中發(fā)現(xiàn)生物炭在諸多方面的應(yīng)用都有重要意義。我國最早對生物炭的研究與應(yīng)用是在紡織業(yè)和污水處理方面。以中國知網(wǎng)為例，自2010起，我國生物炭的應(yīng)用領(lǐng)域開始擴寬，相關(guān)研究論文數(shù)量逐年增加（見圖1）。

1 生物炭的原料與制備

生物炭的制備原料非常多，如花生殼、玉米芯、玉米秸稈、甜菜根、稻谷殼和果皮等，都可被用于制備生物炭。生物炭制備通常使用的方法為高溫裂解法和水熱碳化法。其中，高溫裂解法即將生物質(zhì)原料置于缺氧或氧含量極低的環(huán)境下，對其有控制地進行高溫分解制備得到生物炭的方法，其又可分為慢速熱解、中速熱解和快速熱解[2];水熱碳化法是一種將生物質(zhì)置于一定溫度的水中，并在一定壓力的條件下得到生物炭的一種制備方法[3]。此外，由于因為材料、熱解方式、溫度等的不同，不同方法得到的生物炭性質(zhì)存在差異。

2 生物炭的性質(zhì)

生物炭主要是由烷基和芳香結(jié)構(gòu)組成，富含大量的碳。不同原料制備的生物炭的鉀、鈣、鎂等元素的含量不同，受溫度、pH值等的影響，生物炭中的某些元素含量會發(fā)生變化。在pH值方面，生物炭通常呈堿性。已有研究顯示，在制備生物炭時，熱解的溫度越高，生物炭的pH值也會越高[4]，同時，在原料方面，糞便類原料的堿性較高，豆科植物的堿性較高[5]。生物炭具有比表面積大、疏松多孔的性質(zhì)，在制備過程中控制好溫度對于生物炭的比表面積非常重要。另外，不同的原料也會影響生物炭的比表面積[6-7]。生物炭還具有吸附性、酸堿緩沖性等化學(xué)性質(zhì)，其陽離子交換量隨熱解的溫度升高而降低。生物炭的O/C比和陽離子交換量等化學(xué)性質(zhì)，對于農(nóng)業(yè)土壤改良等發(fā)揮著重要作用。

3 生物炭的應(yīng)用

3.1 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

一方面，富含碳元素的生物炭可作為土壤改良劑，對土壤的理化性質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。生物炭的施用可以增加土壤中有機碳和有機質(zhì)的含量，同時又因其富含礦質(zhì)養(yǎng)分而提高土壤吸持水分和養(yǎng)分補給的能力。堿性的生物炭可替代石灰等物質(zhì)使用，改良土壤，提高土壤pH值;具有吸水能力的生物炭，在提高沙質(zhì)土的持水量的同時能有效降低氮素的淋溶，從而提高水分利用率[8]。生物炭還可以提高地溫，改良土壤條件，促進土壤生物、微生物的生存。

另一方面，生物炭對于作物的生長也有影響。許多資料顯示，生物炭對于作物生長有促進作用，其與肥料共同使用效果顯著。但是，也有資料認(rèn)為生物炭并不有利于作物生長。生物炭對于作物生長的影響不同，是因為使用的生物炭是由不同原料、不同制備方式產(chǎn)生的，并且與使用量的不同也有關(guān)系。因此，在農(nóng)業(yè)方面對生物炭的使用還需多方面考慮。

3.2 環(huán)境領(lǐng)域

Lehmann[9]認(rèn)為，使用生物炭可每年減少10億t溫室氣體。生物炭還田能減少農(nóng)田溫室氣體的排放，其固碳能力強，對于全球碳循環(huán)影響極大，生物炭被認(rèn)為是重要的穩(wěn)定性碳源。生物炭在土壤污染治理方面發(fā)揮著重要作用，國內(nèi)外眾多學(xué)者致力于研究生物炭對As、Pb、Cd、Zn、Cr等重金屬和有機污染物的影響。例如，唐行燦等[10]通過試驗發(fā)現(xiàn)施用生物炭能使土壤重金屬離子鈍化，并且高溫裂解的生物炭效果更佳，生物炭表面的多種基團能降低土壤的有機物污染程度。利用生物炭的比表面積大、孔隙度好、吸附性強的特性，在污水處理、凈化以及工業(yè)廢氣、廢水處理等方面有突出貢獻，生物炭能有效吸附水中重金屬離子[11]，凈化水質(zhì)，吸附工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的污染氣體，有效控制污染物排放。

3.3 新能源領(lǐng)域

面對當(dāng)今日益嚴(yán)重的能源危機問題，利用生物質(zhì)能來改善能源結(jié)構(gòu)、減排增能，是能源領(lǐng)域研究的新焦點。生物炭的原料來源為易于獲取生物質(zhì)材料，加之其諸多特點，開發(fā)利用生物炭符合資源充分利用、節(jié)能減排的要求。李沖[12]在研究生物質(zhì)能燃料問題時，發(fā)現(xiàn)生物炭與燃料的混合使用能提高燃料的燃燒效率;沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)研究的炭化生物煤污染小、熱值高，在我國能源市場有巨大的應(yīng)用潛力。我國的年生物質(zhì)廢料量巨大，如何合理開發(fā)利用這一資源，有待專家的深入研究。

4 生物炭利用存在的問題

雖然生物炭應(yīng)用領(lǐng)域廣、效益高，但仍然存在相關(guān)方面的問題。不同原料和制備方法得到的生物炭的功效不同，針對所面臨的問題選擇合適的生物炭是合理利用生物炭的關(guān)鍵。生物炭雖然能修復(fù)重金屬污染的土壤，但是生物炭吸附、鈍化重金屬離子后，并未根除土壤中的重金屬，如何將土壤中的生物炭“取出”也是一大難題。此外，生物炭對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的利弊還有待研究。

5 結(jié)語

生物炭對于當(dāng)今世界不失為一種重要的資源，其在許多方面都發(fā)揮著重要的作用。為進一步發(fā)揮生物炭的作用，相關(guān)研究者應(yīng)對生物炭向更深方向進行研究，以發(fā)揮其更大的應(yīng)用潛力。

參考文獻

[1]David J.Tenenbaum.黑色的希望：生物炭[J].資源與人居環(huán)境，2010（7）：55-57.

[2]Bridgwater A V. Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading[J].Biomass amp; Bioenergy，2012（2）：68-94.

[3]Sevilla M，F(xiàn)uertes A B. Chemical and Structural Properties of Carbonaceous Products Obtained by Hydrothermal Carbonization of Saccharides[J].Chemistry - A European Journal，2009（16）：4195-4203.

[4]Lehmann J. Bio-Energy in the Black[J].Frontiers in Ecology and the Environment，2007（5）：381-387.

[5]戴靜，劉陽生.生物炭的性質(zhì)及其在土壤環(huán)境中應(yīng)用的研究進展[J].土壤通報，2013（6）：1520-1525.

[6]謝祖彬，劉琦，許燕萍，等.生物炭研究進展及其研究方向[J].土壤，2011（6）：857-861.

[7]Shinogi Y，Kanri Y. Pyrolysis of plant，animal and human waste：physical and chemical characterization of the pyrolytic products[J].Bioresource Technology，2003（3）：241-247.

[8]王燕，龐卓，賈月，等.生物炭對北京郊區(qū)砂土持水力和氮淋溶特性影響的土柱模擬研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2017（9）：1820-1828.

[9]Lehmann J. A handful of carbon[J].Nature，2007（7141）：143-144.

[10]唐行燦，陳金林，張民.生物炭對銅、鉛、鎘復(fù)合污染土壤的修復(fù)效果[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（12）：67-71.

[11]Tomaszewska M，Mozia S. Removal of organic matter from water by PAC/UF system[J].Water Research，2002（16）：4137-4143.

[12]李沖.花生殼生物炭用作高爐噴吹燃料的實驗研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2018.