生物炭的制備與應用研究

[摘 要] 近年來，生物炭得到各界的廣泛認識，有關學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，著重對其在各領域的應用做出闡述，并分析生物炭利用中存在的問題，為后續生物炭的研究與利用提供依據。

[關鍵詞] 生物炭;制備;應用

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

生物炭（Biochar）是由生物質在完全或部分缺氧的環境下，通過高溫熱解產生的物化特性穩定、富含碳素的固態物。當前，國內外對生物炭的研究成為一大熱點。全球對于生物炭的研究源于對亞馬遜盆地的黑土[1]的認識，早期科學家并未對其引起重視。隨著環境問題的不斷惡化，科學家在研究中發現生物炭在諸多方面的應用都有重要意義。我國最早對生物炭的研究與應用是在紡織業和污水處理方面。以中國知網為例，自2010起，我國生物炭的應用領域開始擴寬，相關研究論文數量逐年增加（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原料置于缺氧或氧含量極低的環境下，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存在差異。

2 生物炭的性質

生物炭主要是由烷基和芳香結構組成，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，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、酸堿緩沖性等化學性質，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性質，對于農業土壤改良等發揮著重要作用。

3 生物炭的應用

3.1 農業領域

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、土壤結構產生影響。生物炭的施用可以增加土壤中有機碳和有機質的含量，同時又因其富含礦質養分而提高土壤吸持水分和養分補給的能力。堿性的生物炭可替代石灰等物質使用，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、不同制備方式產生的，并且與使用量的不同也有關系。因此，在農業方面對生物炭的使用還需多方面考慮。

3.2 環境領域

Lehmann[9]認為，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田溫室氣體的排放，其固碳能力強，對于全球碳循環影響極大，生物炭被認為是重要的穩定性碳源。生物炭在土壤污染治理方面發揮著重要作用，國內外眾多學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]通過試驗發現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，吸附工業生產產生的污染氣體，有效控制污染物排放。

3.3 新能源領域

面對當今日益嚴重的能源危機問題，利用生物質能來改善能源結構、減排增能，是能源領域研究的新焦點。生物炭的原料來源為易于獲取生物質材料，加之其諸多特點，開發利用生物炭符合資源充分利用、節能減排的要求。李沖[12]在研究生物質能燃料問題時，發現生物炭與燃料的混合使用能提高燃料的燃燒效率;沈陽農業大學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用潛力。我國的年生物質廢料量巨大，如何合理開發利用這一資源，有待專家的深入研究。

4 生物炭利用存在的問題

雖然生物炭應用領域廣、效益高，但仍然存在相關方面的問題。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鍵。生物炭雖然能修復重金屬污染的土壤，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，生物炭對農業生產的利弊還有待研究。

5 結語

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

參考文獻

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

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

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[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，2018.