生物質炭的特性及其應用研究

胡富民++李甘

摘 要：闡述并分析了生物質炭的特性，并以此為依據，介紹生物質炭在各領域中的應用，希望能夠從理論層面上為推進生物質炭相關研究進展提供一點指導與支持。

關鍵詞：生物質炭；特性；應用

一、引言

所謂的生物質炭，就是在無氧或缺氧環境中，對含碳生物質進行高溫裂解處理而得來的高度芳香化、富含碳素的多孔固體顆粒。生物質炭的碳與植物營養物質含量很高，其孔隙結構也比較豐富，比表面積較大，有很多含氧活性基團附著在其表面，并且這種材料也具有比較豐富的功能。例如在土壤中使用可以使土壤性質得到改善，對污染物進行吸收，能夠有效固定碳、氮，又比如能夠對溫室氣體排放起到控制作用。可見，關于生物質炭的特性及應用研究具有重要的現實意義。

二、生物質炭特性分析

通常情況下，根據基質與條件的不同，生成的生物質炭的物理與化學性質也存在一定的差異，然而它們在很多方面的特性卻是相同的。例如生物質炭都是由碳、氧、氮與氫等元素組成，其中碳具有最好的質量分數，生物質炭中烷基和芳香結構則占據主要地位。此外，生物質炭的氮、鎂、鈣等元素也具有較高的含量。

大部分情況下生物質炭都呈堿性，其pH值在5～12的范圍內，在制備過程中，隨著熱解溫度的提升，生物質炭的pH相應的也更高。在生物質炭中，堿性物質的存在形態以含有礦質元素形成的碳酸鹽為主，其中有大量含氧官能團存在于生物質炭表面，例如-COO-（-COOH）、-O-（-OH），這也是生物質炭堿性物質存在形態的一種。由于表面的含氧官能團量很大，因此生物質炭的吸附特性比較優異，并且在酸堿的緩沖能力方面也比較突出。此外，由于含氧活性基團的存在，生物質炭表面帶有負電荷，因此在陽離子交換方面，生物質炭的能力也相對突出。

生物質炭的孔隙結構豐富且復雜，孔隙之間的大小也存在差異。一般情況下，生物質炭的孔隙率決定了其比表面積。如果在一定的溫度條件下，熱解溫度與比表面積成正比例關系。基于此，持水性也是生物質炭的一大特深。然而，隨著熱解溫度的進一步升高，生物質炭的持水性將會降低，究其原因，就在于在高熱解溫度條件下，生物質碳表面的極性官能團數量相對較少，進而強化了表面疏水性，因此土壤間隙水難以得到保持。

三、生物質炭的應用研究

1.農業領域

在農業領域，生物質炭的功能十分豐富，例如可以將其用作土壤改良劑、緩釋肥料載體以及固碳/氮減排等等。以土壤改良劑的應用為例，生物質炭的作用主要可以從土壤物理化學性質、土壤微生態環境、土壤微生物環境以及有毒元素控制等四個方面得到體現。生物質炭的比表面積非常大，其表面官能團數量也十分豐富，除了可以對土壤各方面性能進行改善，使土壤肥力得到增加，同時也可以使土壤有機質含量得到提升，這對于植物生長而言有著十分積極的作用與影響。

又比如在固碳/氮減排方面，生物質炭的碳含量非常高，其穩定性非常強，在生產與存儲時能夠鎖定生物質中的碳素，使微生物分解進入大氣的情況得到有效避免，如此一來，生物質炭就能夠實現增匯減排的作用，可以對溫室氣體排放加以有效控制，為氣候變化提供積極的影響。

此外，生物質炭的孔隙結構非常豐富，能夠使土壤孔隙度得到提升，也可以實現土壤保水能力的強化，進而使土壤體積質量得到控制，對于植物根系生長有著積極的影響。與此同時，生物質炭所含營養元素量非常高，對于土壤養分循環與植物生長而言也起到重要作用，能夠使肥料養分在土壤中的釋放得到延緩，再者，生物質炭的生物學穩定性也很強，因此能夠對微生物分解起到抵御作用，進而實現土壤固碳作用的強化，使碳排放到大氣的情況得到控制。因此作為緩釋肥料載體具有較強的可行性與適用性。

2.環保領域

生物質炭的生產成本不高，再加上上文所述的各項特性，使其在環境污染物的吸附能力方面也比較突出，因此，如果在環保領域對生物質炭加以運用，必然可以取得比較理想的效果。例如在污水處理中，生物質炭可以用作廢水中農藥、其他有機溶劑以及重金屬離子的去除。又比如在煙氣凈化方面，生物質炭可以有效吸附CO、SO2、NH3等氣體，并且還可以吸附煙氣中的氣態Hg。在有害氣體的凈化中，生物質炭的應用也相對便捷，在經濟性、可行性以及有效性方面都具有突出優勢。當然，現階段，關于生物質炭在氣體凈化中的應用研究相對較少，因此需要我們圍繞此進行進一步完善，提高生物質炭的應用價值。此外，在土壤修復中，生物質炭的應用效果也比較理想。在土壤中施用生物質炭，可以使微生物活性得到提升，進而為土壤中有害物的降解提供支持，進而實現土壤的修復與治理。

3.能源領域

在能源領域中生物質炭也具有極高的應用價值，例如可以將生物質炭作為固體燃料。通過生物質原料的轉化，然后進行進一步處理，可以得到生物質炭成型燃料，這樣可以降低生物質炭燃料的收集難度，減小運輸成本，同時也可以提高生物質資源的利用率，對于緩解能源危機而言有著積極作用。例如由相關研究人員就將小桉樹木材作為原料進行生物質炭的制取，相較于生物質，其熱值提升了近1.8倍，完全可以代替煤基燃料。

此外，將生物質炭用于燃料電池也具有較強的可行性。生物質炭的比表面積較高，含氧官能團也非常豐富，在電池陽極反應中，生物質炭能夠起到很好的推動作用，其導電性能優異，灰度也比較低，能夠使歐姆極化降低，使電池使用壽命得到延長，因此對于直接碳燃料電池陽極材料而言，生物質炭是一個比較不錯的選擇。

四、結語

總而言之，生物質炭資源非常豐富，其各方面特性都非常突出，在各領域中都具有很高的應用價值。隨著人們環保意識的提升，合理運用生物質炭，為環境保護工作提供有力支持具有重要意義。作為相關研究人員，我們應致力于生物質炭應用實踐中存在問題的分析，并采取有效優化方法，使生物質炭的應用價值得到進一步提升。

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