城市綠地廢棄物生物炭制備與應用前景

孫學凱，白潔，徐成斌，林貴剛，艾桂艷

(1. 中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所 大青溝沙地生態(tài)實驗站，遼寧 沈陽 110016；2. 遼寧大學 環(huán)境學院，遼寧 沈陽 110036)

近年來，中國各省市積極爭創(chuàng)國家森林城市，大力推進森林城市建設，對塑造城市形象、提升城市品位和競爭力等方面有著非常重要的作用.城市綠地是城市自然和人文景觀的綜合體現(xiàn)，其作為整個城市生態(tài)系統(tǒng)中唯一具有自我調節(jié)能力的基礎設施，被認為是最具活力的生命單元，起到了城市綠化和生態(tài)調節(jié)的功能，被列為現(xiàn)代化都市和生態(tài)文明建設的重要指標[1-2].隨著城市化進程的加快，城市綠地覆被面積逐年擴大.以遼寧沈陽市為例，預計2021年，沈陽市森林覆蓋率將達到15.1%，建成區(qū)綠化覆蓋率超過45%.然而，城市綠地植物自然或養(yǎng)護過程中產(chǎn)生大量的喬灌木枝條修剪物(間伐物)、草坪修剪物、枯枝落葉、廢棄花草及雜草等植物廢棄物，業(yè)已成為城市建設和環(huán)境管理工作中的一項重大難題.目前，針對這類植物性廢棄物的處理多是以焚燒、填埋、堆肥等方式為主，這樣勢必影響城市整體的生態(tài)環(huán)境，尤其是焚燒過程對城市環(huán)境的影響尤為嚴重.因此，探索城市綠地的植物廢棄物資源化利用新途徑，對構建和諧城市，促進區(qū)域環(huán)境、經(jīng)濟和社會的持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義.

1 城市綠地植物組成及其廢棄物的物化特性

城市綠地植物包括喬木、灌木、草本植物以及花卉等，其主要成分是由纖維素、半纖維素和木質素3種物質構成，與作物相比，針闊葉植物中纖維素、半纖維素和木質素的質量分數(shù)略高，分別為39%～54%、11%～36%和17%～30%[3-4]. 徐永榮等[5]分析了喬木、灌木和草木植物(9種)的熱值、灰分和元素質量分數(shù)，發(fā)現(xiàn)它們的平均干重熱值(13.1～18.4 kJ/g)表現(xiàn)為喬木>灌木>草本，灰分質量分數(shù)為2.6%～26.7%，碳元素質量分數(shù)為30%～48%.張彥廣等[6]對不同植物群落枯落物中的灰分進行了研究，結果表明植物枯落物的灰分質量分數(shù)為8%～38%.這些研究數(shù)據(jù)表明，城市綠地植物在自然或養(yǎng)護過程中形成的廢棄物是能夠適用于生物炭制備的一種木質原料，是制備生物炭的一種潛在資源.

生物炭是指由生物質制備的、富含碳元素的固體，其具有多孔結構、豐富的官能團結構，是一種無毒且成本較低的環(huán)境友好型材料[7-8].目前，生物炭的制備大多是以果殼、秸稈、廢舊輪胎等含碳的廢料生物質作為原料[9-10]，通過物理、化學等方法對原料進行破碎、過篩、炭化、漂洗、烘干、優(yōu)選等一系列工序加工而成.這既可以對廢料進行資源化利用，又不會與糧食作物競爭土地資源[4]. 生物炭具有比表面積大、容重小、吸水吸氣能力強等特性，在重金屬污染修復、廢水治理等環(huán)境修復方面有著廣泛的應用[11-12]. 此外，對土壤物理和化學性質具有明顯的改良作用，同時也能夠提高土壤含水量，因此，人們常將生物炭與化學肥料配合施用到土壤中，以增加土壤肥力，提高農作物產(chǎn)量[13-14].然而，以城市綠地植被廢棄物為原料開展生物炭制備及其性能的相關研究鮮見報道.

2 生物炭制備與應用的國內外進展

Lehmann[15]提出，生物炭是在缺氧或低氧條件下生物質經(jīng)高溫熱裂解后形成的一種具有高度芳香化、富含碳素、性質穩(wěn)定的固體顆粒物質.生物炭具有較大的比表面積和孔隙度，可溶性低，是天然的吸附材料，因此生物炭及其復合材料在環(huán)境、農業(yè)、化工、能源等領域中的應用引起了普遍關注.這主要是由于生物炭的原材料大部分為廢棄生物質，隨著將廢棄生物質視為一種有效資源，生物炭制備技術與應用研究逐漸受到各領域專家和學者們的重視.

2.1 生物炭的制備及其影響因素

生物炭的制備是生物炭在各領域中應用的重要前提.制備生物炭所需的生物質原料包括各種天然物質及其衍生物，如木屑、農業(yè)和工業(yè)活動產(chǎn)生的有機廢棄物、城市固體垃圾、污泥、禽畜糞便、水生植物和藻類等[16-17].其中，利用農業(yè)廢棄物制備生物炭較為常見，如稻桿、稻殼、秸稈、竹、椰殼等，其主要組成是C、H、O、N和灰分，并含有大量的高分子、高密度的碳水化合物和多種礦物質[18].

生物炭的制備方法主要有熱裂解、微波炭化、水熱炭化、高溫氣化等[3, 19]，其中熱裂解法是最為常用的生物炭制備方法之一，又稱為限氧升溫炭化法，溫度一般控制在300～650 ℃.生物質原材料種類、熱裂解溫度和時間等是熱裂解過程的主要影響因素.據(jù)相關報道，生物炭的性質，如生物炭的空間結構、性能等，是由制備的生物質原材料的種類決定的[20].Ameloot等[21]利用了多種生物質制備生物炭并對其性能開展研究，得出結論，制備材料中的生物質木質素與制備后的生物炭中芳香碳的量以及碳氮比呈現(xiàn)正相關.在相同裂解條件下，不同材料來源制備生物炭的穩(wěn)定性、應用效能亦不相同，如對污染物的吸附能力、對土壤理化性質的影響等[22-23].與生物質原材料一樣，裂解條件中的裂解溫度和時間同樣在生物炭制備過程中起到重要的作用，既會對制備過程中生物炭的產(chǎn)生量帶來影響，也會影響到生物炭的表面孔結構與吸附效果.陸海楠等[24]通過在不同裂解溫度和保留時間下制備生物炭，探析了生物炭的穩(wěn)定性，結果表明，裂解溫度和保留時間與生物炭中的芳環(huán)結構和生物炭芳香化呈現(xiàn)正相關，裂解溫度和保留時間與生物炭中甲基、亞甲基和氫碳比例呈現(xiàn)負相關，這說明了裂解溫度和時間能影響生物炭的性狀.縱觀國內外現(xiàn)有研究，生物炭制備技術、性能表征的研究大多以農業(yè)廢棄物為原料[25-26].然而，以城市綠地植物廢棄物為原料，開展生物炭制備條件和方法、生物炭表面結構、吸附性能等研究相對較少.尤其是現(xiàn)階段，面臨著城市綠地植物廢棄物逐年增加這一重要生態(tài)環(huán)境問題凸顯，更應該為生物炭的制備與應用探尋一種新資源.

2.2 生物炭復合材料的制備與應用

目前，生物炭在環(huán)境保護、農業(yè)土壤改良等方面的廣泛應用備受國內外學者的青睞，為了彌補在高溫裂解制備中離子官能團丟失、吸附反應后難以固液分離等缺點，部分學者為改變原有的生物炭的理化性能，探索了生物炭與其他材料制備生物炭復合材料，以提高制備材料的吸附性能.目前，通過向生物質原材料中混合其他材料，經(jīng)過高溫裂解制備成復合材料.例如，生物炭-磁性復合材料、生物炭-納米復合材料、生物炭-無機復合材料等(表1)是目前較為多見的生物炭復合材料，主要應用在對污染物的去除、土壤修復、土壤改良等方面.如，解宏端等[31]制備了鑭(La)摻雜TiO2負載活性碳纖維表面上的光催化劑(La-TiO2/ACF)，通過表征其結構與組成發(fā)現(xiàn)在催化劑表面形成了均勻的摻雜型，并且La元素有效地阻止了TiO2從銳鈦礦相向金紅石相的轉變，同時使TiO2晶粒尺寸減少，比表面積增大；在印染廢水處理過程中，廢水的脫色率最高可達90%.

表1 生物炭復合材料主要類型與用途

3 生物炭-氮肥復合材料的前景

生物炭在土壤環(huán)境中具有重要的作用，能夠改變土壤緊實度、持水能力和土壤顆粒大小分布等物理性質；提高酸性土壤pH值、鹽基飽和度、離子交換量和有機碳等化學性質；改變土壤微生物群落結構和酶活性等生物性質[32]. 目前，生物炭復合材料主要分布在無機材料、碳納米材料、納米氧化物等研究領域，關于生物炭與肥料復合及應用方面的研究還十分有限[33-34]. 而且，生物炭在農業(yè)領域的應用，學者們往往忽略生物炭的負載能力.若將肥料負載在生物炭上，勢必增強延緩養(yǎng)分的釋放能力，減少土壤養(yǎng)分的淋失，進而提高肥料的利用效率.但是，負載氮肥生物炭的制備、孔徑分布與結構調控等技術尚不十分清楚.更重要的是，現(xiàn)有研究缺少對負載氮肥的生物炭復合材料效能進行客觀全面的分析與評價.關于生物炭負載氮肥對土壤質量的影響，以及氮肥緩釋作用綜合評價等相關研究仍較為鮮見.因此，拓寬生物炭復合材料的選材范圍，尤其是以城市綠地植物廢棄物為原料，選擇不同類型氮肥，摸索生物炭孔結構的定向調控及負載氮肥的制備條件，探討其緩效釋肥的動力學過程，可為生物炭資源高效利用、農業(yè)土壤培肥改良提供可靠的科學依據(jù).

4 研究展望

生物炭及其應用價值已經(jīng)受到廣泛關注.然而，對于生物炭的制備、材料選擇、成本降低等方面仍需要繼續(xù)探索和研究.尤其是要以“廢物資源化利用”為指導思想，用含碳的廢棄物(如城市綠地大量植物廢棄物)來制備生物炭，能夠為解決廢棄物無法合理處置的難題找到一個新的途徑. 因此，建議以功能為導向，深入開展生物炭制備與孔結構定向調控的相關研究，摸索生物炭負載條件，研發(fā)生物炭新型復合材料，科學評價其應用效果，為生物炭及其復合材料在農業(yè)、環(huán)保等領域中得到有效運用提供重要的支撐.