生物質炭的特性和應用研究進展*

魏晶晶，王志鴿，張浩然，王慧春

(青海師范大學生命科學學院，青海省青藏高原藥用動植物資源重點實驗室，青海 西寧 810008)

綠色發展已經貫穿中國新時期國民經濟發展戰略布局，而廢棄物治理及其資源化利用是國家綠色發展戰略的核心組成部分[1]。農業廢棄物是我國廢棄物的主要來源，主要包括種植業廢棄物、農產品加工廢棄物、畜禽糞便等[2]。其中，農作物秸稈每年就有7億噸左右，畜禽糞便約有3噸，蔬菜廢棄物約有1.5億噸。60%以上農業廢棄物被隨意堆放、丟棄或用作生活燃料造成環境污染[3-4]。隨著全球農業的發展和農產品數量的不斷增長，農業廢棄物的排放量呈現日益增長的態勢，其合理利用管理成為全球亟待解決的一個重要農業和環境問題[5]。另外，這些農業廢棄物含有豐富的碳和植物所需的營養元素[6]，若能加以合理利用，不僅可以緩解嚴峻的農業環境污染問題，還可有效解決生物質資源短缺問題。近幾年來，生物質炭作為一種新型環境功能材料，在農作物增產、環境治理及肥料創新等領域引起廣泛關注。獨特的理化性質決定了生物質炭的多功能用途。它不僅可以改良退化土壤增加肥力，還能吸附土壤或污水中的重金屬及有機污染物，對溫室氣體減排也有一定貢獻。本文歸納總結了生物質炭的特性及其在不同領域的應用研究概況，探討了生物質綜合利用產業未來的發展方向，以期為構建具有地方區域特色的生物質資源綜合利用技術體系提供參考。

1 生物質炭及其特性

生物質炭(biochar)是指生物質(如農作物秸稈、木質材料、牲畜糞便等農業廢棄物、有機廢棄物以及其他生物質)在缺氧或少氧的環境中通過高溫(<700 ℃)熱裂解和炭化作用獲得的一類難溶的、穩定的、高度芳香化且富含碳素的固態物質[7]。其具有特殊的多孔性結構、較高的孔隙度、較大的比表面積以及極強的吸附能力。不同原料制備出的生物質炭普遍具有相似性，即主要由緊密且不規則堆積的芳香環片層組成[8]。芳香化程度越高生物質炭穩定性越強，而生物質炭的芳香化程度與原料類型、熱解條件等有密切關系[9-10]。

2 生物質炭的應用

2.1 農 業

CO2、CH4和N2O氣體對溫室效應的貢獻率約80%。農業是產生這3種溫室氣體的重要來源之一[11]。生物質炭本身碳素含量較高，施于農田后必會影響農田系統的碳素循環。研究發現，隨著生物質炭輸入量的增加，土壤中活性有機碳比例逐漸降低，惰性碳累積量逐漸增大，進而減少了 CO2排放[12]。配施生物質炭與CaO會使紅壤旱地CH4、CO2和N2O氣體減排效果更顯著[13]。生物質炭對稻田CH4氣體排放也有很好的抑制作用，且隨著生物質炭添加量的增加抑制作用越強[14]。有關生物質炭的近5年試驗研究表明，將生物質炭施用于農田，具有顯著改善土壤功能和促進土壤生態系統服務的作用[15]。在栽培小白菜的土壤中，添加了不同園林廢棄物生物質炭后，均提高了小白菜產量，且小白菜產量與生物質炭的添加量呈正相關關系，表明生物質炭對部分蔬菜生長具有顯著的促進作用[16]。據Kimetu和Lehmann[17]報道，在貧瘠土壤中添加7 t·hm-2生物質炭，2年內連續施用3次后玉米產量翻倍增長。黃超等[18]研究發現生物質炭有效改善了低肥力酸性紅壤，促進黑麥草的生長。據劉園等[19]報道，低用量生物質炭對潮土作物產量并無影響，中、高用量處理可以提高作物產量4.54%～4.92%。生物炭對作物產量的促進并不是都是正效應。張晗芝等[20]研究發現，生物質炭對玉米苗期的生長有顯著地抑制作用。這可能是生物質炭施用后，提高了土壤pH值，使土壤中某些營養元素的有效性降低所致。由此可見，生物質炭對于農田作物產量的促進作用還需視土壤類型和性質、作物類型、生物質炭特性和使用量而定。

2.2 環 境

此外，生物質炭表面具有芳香族化合物和含氧官能團，對有害金屬離子以及有機污染物有很強的吸附能力。若將生物質炭應用于廢水處理中，其富集的有機物、磷、氮后的炭材料能夠直接轉化為能源，達到水質處理與有機污染物循環利用的雙重效果[24]。研究表明，通過椰殼水熱炭化技術得到中孔結構的生物質炭，用雙氧水做活化劑提高了生物質炭的中孔率，同時也增加了表面的含氧官能團，對羅丹明B的吸附量達到了714 mg·g-1，除污量較高[25]。在180 ℃下制備得的核桃殼生物質炭介孔材料，孔徑較大，表面官能團較豐富，對Cr6+的吸附率高達98%[26]。生物質炭對廢水中的Pb2+、Cu2+、Hg+等也具有很好的去除效果[27-28]，這主要是生物質炭表面含有大量帶負電荷的官能團與重金屬發生螯合形成配位鍵、離子鍵，從而可以有效去除重金屬[29]。

2.3 功能材料

生物質炭材料作為一種新型材料，還具有質量輕、氣孔率高、耐高溫、耐酸堿、結構穩定、易導電、易傳熱、易加工等一系列優異性能，可廣泛應用于高溫隔熱材料、催化劑載體、吸附材料、過濾材料及雙電層電容器和電池電極等方面[30]。利用稻米殼生物質炭材料組裝的鋰離子電池具有較高的可逆電容量，為1055 mAh/g[31]。在流化床電極直接碳燃料電池陽極半電池中，竹質生物質炭比活性碳纖維與石墨炭材料具有更優的極化性能[32]。此外，稻殼[33]、麥秸[34]、高粱[35]、杏仁殼[36]等均被科研工作者以不同的活化方法與制備手段進行了詳細的研究，并成功用于了鋰離子電池、鈉離子電池和超級電容器。

此外，生物質炭粉碎后用來制作生物質炭納米材料[37]。生物質炭作為固體酸催化劑，因親油性好、穩定性強、制備成本低廉及可再生等優點越來越受到重視。以馬尾松木屑為原料，通過炭化、磺化法制備的生物質炭基固體磺酸催化劑，催化油酸和甲醇的酯化反應，在最佳反應條件下，使油酸轉化率達91.36%[38]。將花生殼和木屑為原料熱解制備的生物質炭基固體酸催化劑，催化酯化反應時，底物轉化率接近100%[39]。

2.4 能 源

生物質含有較高的熱值，將生物質轉化為生物質炭，再將生物質炭作為固體燃料使用，這樣既能解決生物質燃料收集困難、體積大運輸成本高等困難，還能充分利用生物質資源，緩解能源危機。對油茶外果皮炭、板栗外果皮炭、山核桃外果皮炭、杉木炭、松木炭、稻稈炭和竹炭的燃燒特性進行了研究，結果發現，板栗外果皮炭、油茶外果皮炭、稻稈炭、山核桃外果皮炭的著火溫度較低，分別為351.8、356.7、375.3、392.6 ℃，而松木炭、杉木炭和竹炭的熱值較高，是作基炭的較佳材料，油茶、板栗、山核桃3種堅果外果皮炭可作為助燃添加劑[40]。 以板栗殼為原料，于550～750 ℃范圍內制備了固定碳質量分數為83%～91%的生物質炭，其熱值可達30～35 MJ/kg，達到一級精煤的國家質量標準[41]。也有研究將農林業的廢棄物高溫無氧熱解后，得到生物焦油、生物質炭粉等產物，然后與MgO、松節油調拌均勻，壓制成型，將其表面均勻涂布防水涂層得到一種固體生物燃料塊[42]。采用生物質炭作為再燃燃料，并摻混一定比例的尿素或者消石灰噴入爐膛，能夠有效降低煤燃燒時尾部煙氣中總汞含量[43]。

3 結 語

生物質炭原料易得，制備簡單，具有綠色和可持續發展特點。利用廢棄的生物質資源制備生物質炭材料不僅避免了環境污染，也是廢棄物資源化利用的有效途徑。目前，雖然國內外對生物質炭的研究取得了一定進展，但依然存在以下問題尚待進一步解決：

(1)生物質成分頗為復雜，不同種生物質原料在相同條件下制備的生物質炭，其理化性質存在一定差異；同種生物質材料在不同制備條件下，所得生物質炭的理化性質也存在差異。而具有不同理化性質的生物質炭其應用性能必然存在差異，因此，尚需進行系統而全面的研究，理清生物質原料、制備條件、生物質炭理化性質及其應用性能間的關聯性。

(2)雖然生物質炭的添加對改善土壤肥力、促進作物增產等方面有一定積極作用，但大量、長期使用生物質炭后是否存在環境風險，目前尚不清楚。

(3)目前大多數研究只利用某種或某類生物質炭對單一污染物的凈化處理，但實際上多數污染是以多種污染物復合污染所致，生物質炭對不同污染物的吸附效應、去除機制以及生物質炭使用后污染物的遷移轉化方面仍缺乏系統和深入研究。

(4)在功能材料方面，生物質炭只涉及電極材料和固體酸催化劑方面，今后可在多領域進行拓展，如在工業硅冶煉領域，以開發出多功能生物質炭材料。