酒糟生物炭的制備及應用研究進展*

李 紅，李柏翰，王賢晨**，鄭興雨

(1.茅臺學院 食品科學與工程系，貴州 仁懷 564500；2.茅臺學院 資源環境系，貴州 仁懷 564500)

隨著我國經濟的快速發展和生活水平的提高，白酒的消費量不斷增加，白酒行業也在持續擴大產能。2022年全國白酒產量(折算為65%的體積分數)671.2萬千升，2023年1～4月全國白酒產量(折算為65%的體積分數)158.1萬千升[1]。然而，大量的白酒生產也產生了海量的固體廢棄物，其中每生產1噸白酒，就會產生3～4噸酒糟[2]，截至目前，我國每年產生的酒糟量最高達3000噸左右[3]。如何在滿足社會對白酒需求的同時實現白酒廢棄物的高效資源化利用，已成為白酒行業可持續發展的緊迫問題。

酒糟富含有機質、蛋白質以及各種營養元素[4]，是一種高潛值的生物資源。近年來，將酒糟轉化成高附加值產品和材料已成為白酒行業資源化利用的新方向。其中，酒糟生物炭作為一種新型生物基功能材料，因其獨特的理化性質被廣泛研究，在土壤改良、污染控制和廢水處理等領域展示出很好的應用前景，成為酒糟高值化利用的新熱點。本文的目的是歸納近年來對白酒糟進行研究時所涉及的主要問題，并結合筆者對文獻的研讀，預測白酒糟固廢資源化技術研究的發展趨勢。

1 文獻檢索及結果分析

通過在中國知網中使用關鍵詞“酒糟”“生物炭+改性”或“酒糟+生物炭”進行檢索，篩選出北大核心期刊收錄的文獻。同時，在Web of Science中使用關鍵詞“Distiller’s grains biochar”“distillers grains”進行英文文獻檢索，并將檢索時間范圍設置為2020年6月至2023年7月。總共檢索到187篇北大中文核心期刊載錄的相關文獻，并運用VOS viewer軟件進行可視化分析。在1346個關鍵詞中，篩選出了28個符合設定閾值的關鍵詞。從可視化結果(如圖1所示)可以看出，近年來的酒糟的利用研究主要與酒糟飼料相關。

2 酒糟生物炭研究綜述

2.1 制備方法

酒糟生物炭的制備涉及幾個關鍵步驟，包括收集酒糟、預處理、炭化處理、洗滌和凈化等[5]。在預處理過程中，酒糟經過清洗和降低水分含量，為后續步驟做好準備。洗滌和凈化的主要目的是去除制備過程中的殘留物和雜質，以獲得純凈的酒糟生物炭。

當前，很多學者致力于研究炭化處理過程，以改善酒糟生物炭的產量和質量。他們通過調整工藝參數和采用新的方法來提高制備過程中的效率。專家學者對酒糟生物炭制備方法進行了廣泛的研究。表1列舉了幾種常用的炭化方法并對其優劣性加以對比分析。

圖1 可視化分析圖

表1 幾種常用的炭化方法

2.2 改性方法

除了以上基本制備步驟，還有一些改性方法被應用于酒糟生物炭的制備過程，以進一步改善其性能和適用性。朱永趙[11]通過化學共沉淀法制備的Fe3O4/酒糟生物炭復合材料，在pH為3的條件下，Fe3O4/酒糟生物炭的質量比為1∶3，H2O2濃度為 1 mmol/L 時，展現出高效的四環素去除能力。該復合材料通過吸附作用和Fenton反應的協同作用，從而提高了四環素的去除效率。Luo，L[12]等在生物炭中摻雜N、S活性位點，制備了多孔碳材料，具有高CO2吸附能力和催化CO2轉化的特性。這些低成本碳材料表現出豐富的微孔結構和高比表面積，并在無溶劑條件下實現了高達99%的環狀碳酸酯產率。為可持續的CO2捕集和轉化提供了可行方案。表2列舉了部分學者在該領域的研究成果對比。這些探索和研究的進展為酒糟生物炭的制備提供了更多的可能性和技術支持。

表2 改性酒糟炭部分研究成果

3 酒糟生物炭應用進展

酒糟生物炭是一種具有廣闊發展前景的生物質材料，其在環境保護、能源利用和產業轉型等領域具有巨大潛力，在推動白酒產業的綠色發展和可持續水平提高方面發揮著重要作用。環境保護方面，酒糟生物炭可以被用作水處理劑，能夠有效去除水中的重金屬、有機污染物和色素。此外，它還可以作為土壤改良劑，提高土壤肥力和水分保持能力[29]，減少農藥和化肥的使用，促進農業可持續發展。能源利用方面，酒糟生物炭可以作為生物質能源的一種有效補充，用于生產燃料[30]、超級電容器等。其獨特的孔隙結構和高碳含量使其具有較高的燃燒效率和能量密度。下文主要綜述其作為吸附劑、土壤改良劑以及催化劑的相關應用研究。

3.1 吸附劑

研究表明，酒糟生物炭具有較高的吸附選擇性和容量，可用于廢水、廢氣的處理。Xu[18]等通過控制酒糟的熱解和蒸汽活化，制備一種低成本的活性生物炭。其具有較大的比表面積和孔容積，以及顯著的親水性和親脂性。且能高效吸附低度白酒中的渾濁物質，尤其是長鏈疏水成分，同時保留風味酯類成分。Luo[19]等利用酒糟制備了一系列超微孔活性炭，其CO2吸附性能卓越，最高可達到 6.34 mmol/g，同時具有良好的可再生性。并發現了活性炭的吸附性能受到超微孔結構、孔徑分布、孔容及生料中的雜原子影響，為酒糟資源利用提供了新的途徑。

3.2 土壤改良劑

酒糟生物炭對土壤理化性質、重金屬形態以及作物產量存在影響，其在促進土壤無機磷釋放[20]、修復土壤重金屬污染[21]及作物生產[22]中已有應用。根據Zhang[23]等的研究，酒糟生物炭具有更多的芳香環結構，低H/C和O/C比值。應用時，它改善了不同深度黃土的養分含量，影響了真菌群落。最佳效果是使用4.0%的生物炭，可促進表層土壤中的總氮、速效鉀和微生物量。同時，在改善深層土壤微生物群落方面也有優勢。因此，在巖溶地區，酒糟生物炭是改善土壤肥力和微生態環境的理想選擇。Zhu[24]等研究發現，酒糟生物炭具有較大比表面積、總孔容量以及高含量的羧基和羥基基團。其Pb2+吸附容量為 79.12 mg/g，吸附平衡時間為30～60 min。在pH 3～6范圍內，溶液pH值升高會增加酒糟生物炭對Pb2+的吸附容量。Cheng[25]等通過將酒糟轉化為鉀負載生物炭研發了一種創新型的控釋鉀肥，這種生物炭在CO2和 400 ℃ 條件下制備后，在長期釋放實驗中，可釋放出82.35%的鉀離子，并能持續釋放約0.5%的鉀離子達到25天的時間。盆栽實驗也證實了該鉀負載生物炭對植物生長的促進作用。Zhou[26]等采用濕法磷酸處理和熱解技術，將酒糟轉化為可溶性懸浮肥料和生物炭緩釋磷肥。這種肥料具有高濃度、高穩定性和良好的緩釋特性，可以在60天內緩慢釋放出多種營養元素。

3.3 催化劑

部分學者考察了酒糟生物炭的催化性能，并探索了催化機理，表明酒糟生物炭具有一定的催化活性。張佑君[27]通過水熱預處理和化學活化，制備了高氧含量的酒糟炭催化劑，在苯甲醇氧化反應中表現出較高的活性，通過優化催化劑的條件和結構，最終實現了高苯甲醛產率。Hu[28]等使用酒糟制備的氧摻雜多孔生物炭，配合電芬頓系統能在30分鐘內快速去除 20 mg/L 的雙酚A，經過四個循環后仍具有高效去除的穩定性。其反應途徑包括羥基化、酮化、氧化和苯環斷裂，最終分解為無害的CO2和H2O，提供了一種將廢棄生物質資源化解決水污染問題的新思路。

4 結語

酒糟生物炭作為一種可獲得的生物質炭材料，在制備方法和改性方法上呈現出多樣化的趨勢。熱解炭化和水熱法是常用的制備方法，它們各有優勢和劣勢，需要根據具體需求進行選擇和優化。在改性方法方面，通過復合材料和化學共沉淀等方法，可以改善酒糟生物炭的吸附性能和去除能力。同時，酒糟生物炭在吸附、改良土壤和催化等領域具有廣泛的應用前景。它可以有效吸附重金屬、染料和酚類有機污染物，修復污染土壤，減少重金屬污染，并促進作物產量。此外，酒糟生物炭還表現出一定的催化活性，可以在甲醇轉化和廢水處理等反應中發揮作用。酒糟生物炭研究取得一定進展，但尚需深入開展其制備工藝優化、吸附機理、催化機理與調控、產業化進程研究等，特別是應加強成本控制和節能減排研究，促進酒糟生物炭產業的可持續發展。