生物炭在環(huán)境保護中的研究進展

楊晨 濟南市生態(tài)環(huán)境保護綜合行政執(zhí)法支隊槐蔭大隊

在環(huán)境保護領域，生物炭的應用日益增多，對這些工作得到的結論進行歸納總結可以幫助研究者系統(tǒng)地認識這個領域。此外，生物炭的負面影響如對實際環(huán)境的影響尚不清楚，多次使用后碳結構的崩塌、流失可能導致表面吸附的多環(huán)芳烴污染物和金屬離子重新向環(huán)境釋放。此外，穩(wěn)定性好、表面積大、吸附性能優(yōu)異的生物炭尚未能實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。上述問題需要在應用過程中進一步研究。目前的研究多集中在生物炭材料的制備或改性方面，對其在環(huán)境保護領域的應用以及具體的作用機理缺少深入的歸納。

本文在綜述生物炭環(huán)境應用的基礎上，對其在土壤修復與改良、固碳、水污染處理和有機物催化降解等方面的應用進行了系統(tǒng)的總結和分析，并在次基礎上對未來的研究重點提出了建議，推進生物炭在環(huán)境保護領域的工業(yè)化應用。

1 生物炭的介紹

1.1 生物炭的定義和特點

在有無氧或缺氧條件下，有機生物原料經(jīng)過特定的熱解過程產(chǎn)生的富碳物質(zhì)即生物炭，如花生殼和植物桔梗等農(nóng)業(yè)廢物均可用作生產(chǎn)生物炭的原料。生物炭具有大比表面積、較強的陽離子交換能力、吸附能力和穩(wěn)定的結構。為進一步增大比表面積，可以采用酸或堿腐蝕的方法進行改性。酸和堿處理不僅能提高比表面積，同時還會改善生物炭表面的官能團結構，有利于陽離子和一些有機物分子的表面吸附。綜上所述，生物炭可以在多個環(huán)境保護領域中發(fā)揮功效，包括但不限于土壤修復與改良、固碳、水污染處理和有機物催化降解。

1.2 與傳統(tǒng)活性炭對比

在多個領域中，活性炭通常是生物炭的同功能產(chǎn)品。盡管兩者的主體同為碳結構，但在元素組成、表面官能團、孔隙結構等理化性質(zhì)方面存在顯著的差異，因此對于個別具體的領域可能展現(xiàn)出截然不同的性能。在廢水處理過程中，生物炭在初始濃度較高的化學需氧量條件下表現(xiàn)出比活性炭更高的吸附能力。在厭氧消化過程中，生物炭可以促進有機廢物的降解并產(chǎn)生大量的甲烷氣體，根據(jù)可靠報道其產(chǎn)率較活性炭可提升86.6%。在催化降解過程中，生物炭表面的官能團可以促進過硫酸鹽活化，產(chǎn)生出豐富的硫酸根自由基或羥基自由基，催化三氯沙等常見有機污染物的完全降解，而使用活性炭的對照組則不能實現(xiàn)該功能。

2 生物炭的應用

2.1 土壤的修復及改良

生物炭是土壤修復技術常用的材料之一，可以有效去除有機污染物和重金屬的污染。生物炭發(fā)揮該功能的主要機理是表面吸附，具體的吸附機理包括與污染物發(fā)生物理吸附，通過氫鍵、配位鍵、π-π 鍵堆疊、氧化還原和酸堿相互作用等化學吸附。

生物炭的吸附能力與其幾何結構（孔結構和比表面積）和表面官能團等理化性質(zhì)直接相關，而其理化性質(zhì)在一定程度上取決于其制備條件。一般來說，生物炭制備條件的選擇應該綜合考慮結構和產(chǎn)量。影響最大的制備條件是熱解溫度，一方面高溫熱解有利于有機物揮發(fā)，從而造成多孔、表面積大的生物炭結構；但另一方面過高的溫度可能導致有機物過度揮發(fā)而降低生物炭的產(chǎn)量。

生物炭對土壤中重金屬離子的去除效果，如Cr、Cu、Cd、Zn 和Pb 等離子，受到水體pH 值、生物炭表面官能團、表面電荷和孔結構等幾個因素的影響。目標重金屬離子的種類和理化性質(zhì)也會在一定程度上影響吸附效果，例如Pb 在上述列舉的多種重金屬離子中最容易被吸附；吸附的離子達到飽和時容易通過離子交換的方式重新釋放到水體中。

生物炭在表面改性后還具備中和土壤酸性，增加陽離子交換能力和土壤肥力的功效。對土壤肥力的改善可以歸結為：①提高了土壤團聚體的穩(wěn)定性；②有利于土壤維持疏松，孔隙度增加，有利于儲存大量的水分，即提高了土壤的持水保濕能力；③為微生物提供適宜的棲息地，可以催化有機物轉(zhuǎn)化為肥料。

因此，盡管生物炭的加入導致堆積密度降低，合適的生物炭用量可以促進作物生長并提高產(chǎn)量。然而，不同物種作物適合的生物炭添加量可能存在較大的差異，也受到土壤種類的影響，需要進行更充實的研究。

2.2 固碳

土壤是一種重要的碳匯，其在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，直接和間接影響氣候變化。固碳指的是減少土壤中二氧化碳排放的方法。生物炭的框架與木炭、煤炭類似，通常難以被微生物消化降解，上述特點為生物炭在土壤固碳中的應用提供了可能。

生物炭對土壤固碳的影響已經(jīng)進行了大量的研究。然而，不同機構觀測到二氧化碳排放量存在較大的差異，未能取得一致的結果?？梢钥隙ǖ氖牵锾繉ν寥拦烫季哂写龠M作用，但其固碳的機理是由于生物炭衍生的碳，而不是來自土壤有機質(zhì)的碳。

根據(jù)溶解性的難易程度，可以將生物炭中的碳簡單分類為易溶碳和難溶碳兩種結構。在土壤中添加生物炭時，土壤微生物促進土壤有機質(zhì)碳的轉(zhuǎn)化，導致土壤初始碳礦化增加。然而，生物炭中的絕大多數(shù)碳為難溶碳，可以在土壤中存在很長時間。因此，添加生物炭所產(chǎn)生的碳輸入量要高于易溶碳礦化產(chǎn)生的碳輸出量。這就解釋了生物炭的添加對碳礦化的促進作用，即對土壤固碳的促進作用。

生物炭的固碳機理尚不明確，具體機理可能與生物炭制備時采用的原料類型和熱解條件密切相關。其中，熱解條件對生物炭的理化特性有重要影響，因此有必要從原料和制備工藝的角度研究生物炭的固碳機理。此外，在研究生物炭的固碳作用時，需要綜合考慮土壤成分、微生物種群、濕度、pH 等環(huán)境條件對具體作用過程的影響。

2.3 水污染治理

研究表明，生物炭對有機污染物和重金屬離子污染物的去除功能不僅可以在土壤中進行，也可以在水和廢水中進行。后者的吸附量/去除率既取決于目標污染物的理化性質(zhì)，也取決于生物炭的自身結構。

類似于在土壤中去除重金屬離子，生物炭通過吸附作用去除水生環(huán)境中重金屬離子，其吸附作用與生物炭結構、重金屬離子種類密切相關。對于羧基、羰基、氨基等強配位官能團修飾的生物炭，其吸附量較無官能團修飾的生物炭顯著增加。值得一提的是，銨離子也可以通過上述過程去除，但銨離子與重金屬離子之間存在競爭吸附，這是因為上述物質(zhì)的吸附位點高度重合。

2.4 有機物催化降解

由于生物炭可以為細菌等微生物提供豐富的棲息地，因此除物理/化學吸附作用外，生物炭還具備去除有機物的功能。然而，在實際應用過程中，水中同時存在多種污染物，如重金屬離子和有機污染物。當兩者共存時生物炭對有機污染物的催化降解能力往往會被削弱，一方面是重金屬離子對微生物可能具有毒化作用，抑制了微生物的活性；另一方面是重金屬離子與有機污染物發(fā)生了競爭吸附，限制了生物炭空隙中微生物與有機物的接觸效率。此外，水的流動和稀釋作用也會影響生物炭對污染物的吸附。

3 未來研究重點

生物炭作為一種潛在經(jīng)濟效益巨大且對環(huán)境友好的新型碳材料，盡管近年來對其生產(chǎn)和應用方面的研究越來越多，但仍存在一些研究空白，因此應加強以下方面的研究。

3.1 工業(yè)化進程

不同的原料組成、尺寸大小、熱解條件和生物炭的改性對所制得的生物炭的環(huán)境保護性能有顯著影響。未來的研究應該對上述參數(shù)進行系統(tǒng)的研究，并開發(fā)生物炭多種復合改性方法，并提出低成本高產(chǎn)量的工業(yè)化制備方法以生產(chǎn)出適合特定用途的生物炭。

3.2 應用領域拓展

利用活性生物炭處理常見污染物已受到廣泛關注，但對新興污染物卻鮮有研究，未來需要對活性生物炭去除新興污染物進行更多的研究，并采取可復現(xiàn)的、系統(tǒng)的方法分析生物炭的特性，更準確地闡明活性生物炭在去除新興污染物中功能的深層機制，這將有助于開發(fā)更有效的生物炭生產(chǎn)方法，并優(yōu)化其在環(huán)境保護領域?qū)嶋H應用中的功效。

3.3 結構穩(wěn)定性與吸附質(zhì)溶出

隨著生物炭的廣泛應用，我們應該注意到它對環(huán)境的負面影響，穩(wěn)定性、再利用和后處理等問題不可忽視。穩(wěn)定性是生物炭在環(huán)境中應用時必須考慮的重要特性之一。生物炭主要由碳結構組成。一般來說，生物炭的穩(wěn)定性是指碳結構的穩(wěn)定性，可以借助拉曼光譜對其石墨化程度、無序碳含量等結構指標進行評估。同時，也可以采用酸或堿溶液浸泡的方式評估其在不同pH 環(huán)境下的結構穩(wěn)定性。在重金屬離子吸附與解析過程中，生物炭表面的官能團可能逐漸脫落，孔隙可能逐漸堵塞，導致生物炭結構被破壞。因此，生物炭在多次使用后吸附能力可能大幅下降，且結構穩(wěn)定性可能隨之一同下降。破碎的生物炭密度低體積小，與水混合難以分離，直接關系到水的質(zhì)量和廢水的處理過程。

3.4 環(huán)境毒性

除了穩(wěn)定性外，生物炭對微生物的潛在毒性也應引起注意。低劑量的生物炭可以促進土壤微生物的酶活性或?qū)ζ錈o顯著影響，即低劑量的生物炭對微生物的毒性可以忽略不計。相比之下，高劑量生物炭通過誘導活性氧物種的形成并對細胞產(chǎn)生明顯的細胞毒性和基因毒性作用，破碎的生物炭還可能通過胞吞胞吐的方式進入細胞引起細胞功能紊亂，因此有必要對其潛在的環(huán)境毒性進行更多的研究。

4 結語

本文系統(tǒng)地介紹了生物炭在環(huán)境保護領域，特別是在土壤修復與改良、固碳、水污染處理和有機物催化降解中的應用及其主要機理，并對其未來發(fā)展方向進行了展望。并對其在實際應用環(huán)境中的穩(wěn)定性和功效進行了評估，深入了解其對實際環(huán)境的潛在影響，認為生物炭的工業(yè)化制備條件還需要根據(jù)具體環(huán)境和功能需求針對性地設計和改性。