生物炭的制备及其应用研究进展

钟文晶,符帝俊,齐 丹,刘瑞娜,卢徐节

(海南热带海洋学院 生态环境学院，海南 三亚 572022)

0 引言

近年来，全世界对粮食的需求和全球气候变化引起了人们对土壤质量、土壤污染、水污染、生物多样性丧失和土壤功能的高度关注[1]。海南很多地区是酸性土壤，在高温高湿条件下，中度富铁铝风化作用形成酸性至强酸性土壤，其强酸性恶化了农作物的生长环境，引起环境质量下降。由于各种人为活动，包括酸沉积、过量施用铵基肥料以及作物移除等，导致土壤酸化速率大大加快，酸性土壤占世界潜在可耕土地的40%。土壤水分流失和养分获取减少导致作物生产力低下，影响粮食安全，造成经济损失，可能进一步导致经济、社会问题。为了克服这些问题，我国正在制定相关政策和实施紧急行动，以持续粮食生产、保护生物多样性和减缓气候变化[2]。在当今的农业生产中，干旱和低土壤肥力是对许多植物的生长和生产产生不利影响的最主要因素。针对土壤质量、水分利用率而言的干旱胁迫是对植物生长发育产生不利影响的关键非生物胁迫因素之一[3-4]。例如，尽管油菜籽产量和种植面积在全世界逐年增加，但预计到2050年，油菜籽能否满足全球19亿人口增长的食用油需求,仍存在许多类似干旱胁迫的不确定性[5-6]。

水资源短缺正成为世界上许多农作物生产的主要瓶颈[7]。目前，由于水环境中普遍存在人为污染，所以水污染控制已成为全球关注的问题[8]。开发具有高性能和低成本的材料控制水污染至关重要。生物质来源丰富，近年来，随着生物质生产类型和规模的不断扩大，生物炭基材料作为绿色、可持续的水污染防治材料受到了广泛的关注[9]。生物炭因其独特的物理和化学性质，包括高孔隙率、较大的比表面积和丰富的官能团，它在农业、环境应用中受到了高度重视。生物炭是在人工控制的热解条件下产生的，其中主要通过调整热解温度和停留时间来完成[10]。一般来说，生物炭主要由元素碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)以及灰分组成[9]。原料中的元素在生物质热解过程中经历了不同的物理和化学过程，产生了具有不同性质的生物炭[11]。

本文通过查阅和分析相关文献资料，综述生物炭的制备及其应用，主要讨论了生物炭对农田土壤理化性质、污水处理、作物生长等方面的影响。此外，依据研究现状，展望了生物炭的研究方向及其应用前景，为进一步促进绿色、可持续的生物炭材料在农田土壤改良、环境污染修复等领域的应用提供重要参考。

1生物炭的制备及其特性

1.1生物炭的制备

农业生物质包括椰壳、秸秆(如玉米、水稻、小麦、香蕉秸秆)、竹锯屑等[12-13]。椰壳是一种丰富、可开发的热带农业废弃物资源。海南省椰子种植面积占全国椰子种植面积的97%以上，椰子产量十分庞大，占全国的92%。然而，椰壳未经规范化处理，利用率较低，导致我国每年有数十万吨椰壳农业废弃物。另外一些农业生物质由于碳含量低、孔隙率低、表面积和表面功能不高，不能直接用作吸附剂[14-15]。然而，通过热解、热液碳化或液化等适当的加工技术，以上这些生物质可制备出新的、低成本和可持续的绿色吸附材料[16-17]。生产碳含量、比表面积和孔隙率较高的固体炭，使得基于炭的吸附技术得到了较广泛的研究[18-19]。

生物质在人工控制的热解条件下制备出生物炭，其中主要调节热解温度和停留时间[20]。一般来说，生物炭主要由元素碳、氢、氧、氮、硫以及灰组成[9]。生物质原料中的元素在热解过程中经历了不同的物理和化学过程，产生了具有不同性质的生物炭[21]。选取制备生物炭的原材料显著影响生物炭的元素组成、比表面积和孔隙体积。由于生物质成分(如纤维素/半纤维素/木质素[20]、矿物盐[22-23]等)与含量的差异[9]，低分子量的纤维素和半纤维素在热解过程中很容易分解形成孔隙，而高分子量木质素的热解产生生物炭骨架[24]。此外，原料中元素和矿物盐含量的差异将导致其热解后，在生物炭表面产生不同的官能团[20]。除了所用生物质的类型外，热解温度也显著影响生物炭的理化性质。多数研究表明，制备生物炭的热解温度范围一般为200～900 ℃[25-30]。根据所采用的温度不同，生物炭热解过程包括以下三个阶段[26]：从环境温度到200 ℃为第一阶段，由于水分蒸发、化学键断裂与过氧化氢、羧基(-COOH)和羰基(-CO)官能团的形成，内部结构被重新排列[27]；>200～500 ℃为第二阶段，纤维素和半纤维素快速分解[25]，产生更多聚集的有机化合物[28]；耐火有机化合物和木质素的分解发生在500 ℃以上的第三阶段[27]。生物炭的比表面积和孔隙体积随着热解温度的升高而增加，但氢/碳(H/C)和氧/碳(O/C)的原子比随着热解温度的升高而减小。这归因于热解温度升高促进了生物炭中芳香族碳的形成，以及含氢和含氧基团的释放[29],从而降低了氢、氧与炭的原子比[30]，并减少了含氧官能团的数量[20]。因此，当热解温度升高时，会提高生物炭的芳香化程度，从而减少了生物炭上含氧官能团的数量。

综上所述，>200～500 ℃热解产生的生物炭含有更多的含氧官能团，而>500～900 ℃热解产生的生物炭具有较大的孔隙体积、比表面积以及较高的芳香化程度。因此，生物炭的理化性质可通过利用不同类型的生物质为原料和控制热解温度来调整。

1.2生物炭的特性

在众多的能源资源中，生物质资源具有来源广、集中处理容易、污染低、可再生等特点，可以提高土壤肥力，为作物生长提供更有利的条件，有良好的应用潜力。在生物炭的制备过程中，热解反应器、酸碱活化剂、原料处理方式、热解参数(温度、速率、热解时间、生物质粒径)均可能导致生物炭的性能差异。生物炭中含有丰富的矿物元素，其组成成分的多少与原材料的类型密不可分。生物炭不仅化学性能和生物性能稳定，而且可以通过改善物理、化学和生物特性使其在后续应用中发挥作用[31-33]。由于生物炭具有丰富的孔隙结构、较大的比表面积、极强的吸附性能、pH呈碱性等特性，它作为土壤改良剂能改善土壤的物理化学性质、修复被污染的土壤、增加土壤营养成分含量。土壤质量的改善，可以促进植物的生理状况及其生物量生产。修饰生物炭作为一类新型的土壤改良剂在实际生产应用中表现出其优异的性能，成为近年来土壤改良领域的研究热点。生物炭除了经济可行性外，环境保护也是其可持续性的一个基本要素。例如，椰壳作为生物炭的来源，不仅减少了农业废弃物，还能变废为宝。

研究表明，在一些商业用途的生物炭中，生物炭组分的pH、所含的总营养素以及可用营养素中的一些微量营养素使得生物炭具有作为植物生长介质的潜力。解决当前土壤问题的最佳途径是确定一种能够优化土壤结构组成，提高作物养分利用率的方法。生物炭的土壤应用具有经济上的吸引力，以农业废弃物为原料，低成本制备生物炭是当前生物炭生产技术的发展方向。生物炭改善农田土壤肥力在世界许多地区正在形成应用趋势。

2生物炭的应用

2.1生物炭在土壤改良中的应用

国内外学者对生物炭改良贫瘠土壤进行了大量的科学研究，并有许多研究成果报道。基于生物炭的理化性质，它有利于提高土壤养分和农业生产力[34]。与石灰、工业副产品等其他材料相比，椰壳生物炭具有改良效果更全面、无需频繁投加等优点。在改善土壤质量的情况下，还可以固碳，缓解温室效应。生物炭与土壤结合，可以通过离子与水的结合保留降水或灌溉水，从而降低土壤灌溉的频率，保留或增加土壤肥力，降低植物对干旱条件的敏感性[35-38]。生物炭的多孔结构和高比表面积有助于增加其内聚力和粘附力，以保留更多的水分和营养，确保植物营养和水的逐步、缓慢供应[39]；其表面含氧官能团有助于节约土壤孔隙中的水分含量，提高水分利用率[40]。椰壳生物炭具有灰分含量低、密度高、机械强度高等优点，高温下椰壳主体结构得到了完整保留，且形成的碳架结构更为清晰、明显和发达。

在土壤中添加生物炭能改善土壤质量[47-48]，长期积累土壤碳[49-50]，提高农业效益[51-53]。多种农业废弃物炭化还田能明显提高土壤中钾、钙、钠、镁的含量[54]。然而，目前生物炭的应用研究大多集中在酸化土壤的改良效果上，而不同类型的酸化土壤对生物炭的响应机制不同，不同类型的生物炭对酸化土壤的改良机制也存在差异，其潜在机理有待进一步阐明。因此，在各种酸化土壤中，生物炭与土壤的相互作用需要依据多方面因素综合确定。

2.2生物炭在水处理中的应用

水是一种必不可少的资源，如果没有清洁的水，人类的生命形式就无法存在[55-56]。水生态系统中仅有2.5%～2.7%的可用淡水[57]。随着城市和工业部门对用水需求的增加，水资源短缺成为世界上许多农作物生产的主要瓶颈[58]。近年来，由于人为活动导致的污染物持续排放，水资源受到了污染[59-60]。这些水环境中的主要污染物包括重金属、染色剂、制药和农业残留等[61-62]。重金属污染对环境和人类健康的影响持续受到了广泛的关注。椰壳中单宁酸含量较高，使其成为一种良好的金属吸附剂[63]。研究发现：椰壳生物炭对50 ppm的铁(III) 、50 ppm的铜(II)和10 ppm的铅(II)都有很好的吸附去除能力，去除率可高达90%[64]。

由于水环境中普遍存在人为污染，水污染控制已成为全球关注的问题[8]。炭吸附是去除水生态系统中污染物的首选方法[65]，生物炭是热解产生的炭质吸附剂之一[66-67]。目前，生物炭的研究热点主要集中在去除污水中的无机盐、有机污染物、重金属、有机染料和抗生素等污染物。近年来，炭基吸附剂去除污水/废水中的污染物越来越广泛[68]。来源丰富的生物质通过热解、热液碳化[69]技术制备的生物炭在比表面积、孔隙率等方面具有诸多优点[70-71]。高温松木生物炭对石油类污染物的去除率可达76%，利用低温污泥生物炭也可以达到较好的去除效果[72]。有研究结果表明：在450 ℃和550 ℃条件下，稻壳和木屑为原料制备的生物炭对油脂的最大吸附量分别为3.23、2.4 g·g-1[73]。以甘蔗渣、竹片和山核桃屑为原料制备的生物炭分批吸附污水中抗生素的试验表明，此类生物炭提高了磺胺甲恶唑(SMX)和磺胺吡啶(SPY)抗生素的去除能力[74]。

3生物炭对农作物的影响

近年来，国内以农业废弃物制成的生物炭应用于农业土壤改良，提高土壤肥力方面的研究越来越多。在不同的热解条件下，由不同原料制备的生物炭施用于不同类型的土壤和农作物，产生的影响也不尽相同[75-76]。

3.1 对作物生长的影响

余端等[77]研究了生物炭对小白菜生长发育的影响，结果表明，在土壤中施用4%～8%生物炭能促进小白菜的生长发育。张继旭等[78]也得出类似结论，适量的生物炭(0.2%～1.0%)可以促进烤烟的生长发育。在干旱土壤中添加生物炭有利于高粱的生长[79]，可以显著提高盐碱地马铃薯的产量[80]，减少小麦对 Na+的吸收，提高小麦生长和生产力[81]等。另有研究表明，浓度低于10%的竹生物炭可以改善大豆结瘤，促进大豆生长[82]。生物炭能够优化土壤结构组成，提高作物养分利用率，解决当前农作物生长问题。生物炭对农业生产的影响因作物种类[83]和土壤类型[84]而异。

3.2对作物产量的影响

生物炭的潜在使用价值严格来说最终体现在农作物增产增收上。在早期社会，生物炭已经被人类使用，并应用于土壤中以增加作物产量。早在19世纪初的英国，由于生物炭可以增加燕麦、萝卜和长草的产量，它被强烈推荐为土壤改良剂。在一项从114篇已发表文献中进行的371项相关实验的研究中[85]，报道了向土壤中添加生物炭能提高地上生产力、作物产量、结瘤率、植物钾和磷以及土壤中磷、钾、氮和碳的含量。生物炭应用于低肥力土壤可能大大提高作物产量。

在营养贫乏和退化的土壤中，应用生物炭的农作物生产力提高。Laghari 等[86]在盆栽试验中，研究了松木锯屑生物炭对我国贫瘠沙地高粱(高粱双色)生长的影响。研究发现，与没有生物炭的对照土壤相比，高粱的干质量显著增加了18%～22%。有学者在栽培玉米和普通豆类的酸性土壤中添加5个水平的生物炭，进行为期6年的两茬轮作试验，发现玉米和普通豆类的产量都显著增加[84]。以上研究表明，生物炭在土壤的修复与改良中有着显著的效果，农业废弃物制备的生物炭在农作物增收中将得到广泛的应用。

4结语与展望

生物炭不仅可以固碳，中和土壤酸度，还可以改善土壤养分、增加农作物的产量、治理水污染等。由于环境响应生物炭的过程十分复杂，影响因素众多，生物炭的应用需要考虑生物炭自身特性、农田土壤和污水的理化性质、自然环境和人为管理方式等因素。预测生物炭的环境行为非常重要，针对不同区域、不同肥力土壤的施肥效果有待系统和深入的研究。由于生物质炭的研究周期短，导致有些文献报道的结果相互矛盾，生物炭的应用还存在一些争议。因此，生物炭作为农业土壤改良剂的合理使用以及改良效果的长期效应还有待进一步探索。

生物炭具有独特的多孔结构和丰富的表面官能团，生物炭技术为水环境污染修复等问题提供了可靠的途径。在当下全球水资源匮乏的情况下，选择合适的生物炭应用于不同研究目的的污水处理极具应用前景。但研发环保高效的生物炭及其污水处理技术，还需要更多的理论研究提供支撑。

当前，土壤和水环境污染现象日益增多，国家提倡的生态可持续发展战略迎来了前所未有的挑战。而生物炭在治理环境污染中的优异效果无疑为水环境、土壤环境修复和改良提供了行之有效的解决方案。生物炭对生态系统的潜在风险是其在环境治理中大规模应用之前的一个重要问题，结合我国环境现状、生物炭短期和长期效应及生物炭技术发展趋势，其影响机制还需从多方面进行深入研究。