生物炭应用于环境吸附和储能器件的研究进展

武大鹏 邢路阳

摘 要：生物炭是以废弃生物质为原材料，在无氧或者缺氧条件下热处理得到的固体碳材料。它有着优异的性能和较高的利用价值，可以应用于水污染处理、土壤改良和修复、超级电容器等人类生产生活的各个方面。文章综述了近年来生物炭应用于环境吸附和储能器件的研究进展。

关键词：生物炭;重金属离子;有机污染物;储能器件

中图分类号：O647 文献标识码：A

Abstract：Biochar is a kind of solid carbon material，which is made of waste biomass and heat treated in the absence of oxygen or oxygen. It has excellent performance and high utilization value. It can be used in water pollution treatment，soil improvement and repair，super capacitor and other aspects of people's production and life. In this paper，the research progress of biochar used in environmental adsorption and energy storage devices in recent years is reviewed.

Key words：Biochar;Heavy metal ion;Organic pollutants;Energy storage device

生物質是木本植物、禾本植物和藤本植物以及其加工的剩余物和废弃物，我国每年会产生几亿吨农林废弃物。人类很早就将生物质应用于生活中，如堆肥、制取沼气等，但是像秸秆、稻草等生物质却经常被采用焚烧的方法处理，不仅没有得到利用，而且还产生了严重的环境污染问题。近年来如何资源化利用废弃生物质受到了学者的广泛关注。生物炭是生物质在限氧条件下通过高温热解而获得的产物，具有稳定的多孔结构、天然的杂原子掺杂、丰富的表面含氧官能团、热稳定性好、成本低、环境友好等特点。不同原材料或者利用不同制备方法合成的生物炭在表面结构和理化性质等方面具有明显的差异，应用范围也会有所不同。笔者综述了近年来生物炭材料应用于环境吸附和储能器件的研究进展。

一、生物炭在环境吸附中的应用

矿冶、化工、电子等工业在生产过程中排放了大量废水，污水中含有许多重金属离子和有机污染物，进而使水资源和土壤受到污染，严重威胁到水安全、食品安全和人们的身体健康。包括电化学处理、离子交换、化学沉淀、吸附等化学、物理、生物方法已被用于去除废水中的重金属离子。其中，吸附法因操作成本低、二次污染小等优点，被认为是一种高效、经济的方法。生物炭就是一种很好的去除各种污染物的吸附材料，其具有原料来源广、制备成本低、比表面积大、表面官能团丰富等多种优良特性，可有效吸附重金属离子、染料、医用废水等各类污染物。

（一）生物炭去除重金属离子

生物炭具有孔结构和含氧官能团丰富、阳离子交换量高、化学和生物学稳定性好等理化性质，可以通过静电吸附、沉淀、化学吸附等方式去除水体中的重金属离子，也可以有效降低土壤中重金属的迁移性和生物有效性。目前许多生物质，如农林废弃物、水体富营养化产生的藻类等都被用于制备生物炭，并应用于水体系和土壤中重金属离子的去除[1]。

1.去除污水中的重金属离子。Wei Q等[2]以豆粕为原料，采用一步碳化法制备生物炭材料，表面各种官能团提供了高效的活性位点和易转运离子通道，对Pb2+的最大吸附量为133.6毫克/克。Cho H J等[3]以裙带菜为原料，通过快速热解和蒸汽物理活化得到的生物炭可有效地从水溶液中去除Cu2+，最大吸附量为125.85毫克/克。为了提高生物炭的吸附能力，研究者也开发了各种改性方法。例如，Zhang Y等[4]通过硝化与胺化相结合，在水稻秸秆生物炭表面进行氨基改性，制备了高效铅离子吸附剂，氨基通过强络合作用与Pb2+结合，提高生物炭的吸附性能。Liatsoua I等[5]制备的2-硫氧嘧啶改性丝瓜生物炭纤维对Cu2+具有很强的吸附能力，最大吸附量为486.9毫克/克。

2.吸附土壤中的重金属离子。Tahir A等[6]在镉（Cd）污染土壤中施用稻草生物炭后种植小麦，明显降低了植株有效镉含量，提高了土壤中锌、锰的浓度和pH值。小麦的叶绿素含量、叶片气孔导度、蒸腾速率和水分利用率大大提高，从而促进了小麦的增产。

（二）生物炭去除有机污染物

染料因其着色性良好被应用在皮革、造纸和纺织等重要工业中，而这些工业在生产过程中会产生大量的有害废水，废水中的染料分子具有致畸、致癌的作用，对人体健康造成危害。此外，医用废水中的病原体、有机物和放射性离子等对环境的危害也十分严重。而生物炭的高比表面积、高表面活性、高离子交换容量等特点，使其可以有效吸附大分子的有机污染物。因此，生物炭材料可以作为一种有效的有机污染物吸附剂。

Adekola F A等[7]以车前草为原料、Fe（NO3）3为活化剂制得生物炭，由于丰富的孔道结构和表面富含的-OH和C=O等官能团，使其对罗丹明B的吸附量可达84.41毫克/克。Yazidi A等[8]探究了利用榴梿壳制备的生物炭对于阿莫西林、四环素等抗生素的吸附情况，结果表明该吸附剂能较好地去除水溶液中的阿莫西林。

二、生物炭在储能器件中的应用

随着经济的迅速发展，人类对能源的需求逐渐增加，寻找能量密度更高、循环寿命更长、成本低和环境友好的新型储能器件，一直是科研工作者的研究重点。

多孔碳材料具有高比表面积、稳定多孔结构等特点，可以使电解液中的阳离子或阴离子吸附到多孔碳表面，在电极与电解液之间形成双电层，用来储存能量[9]。因此，利用多孔碳材料制备电极材料可有效提高储能器件的容量和循环利用率。

首先，由于生物质自身具有蜂窝状、纤维状、球状纳米结构等天然的多孔性或层次性结构，可以促进电解质的渗透，缩短离子扩散距离。其次，大多数生物质自身含有氮、硼等元素，可以直接作为杂原子掺杂，产生额外的活性位点[10]。第三，许多生物质是从日常废物中回收利用的，这使该过程具有较低的成本和环境友好的特点。除了上述优点外，这些生物碳体系具有较大的表面积和较高的孔隙率，即有着高容量和稳定的循环寿命。因此，生物质衍生碳材料具备的吸附能力强、物理化学稳定性好、绿色环保等优点，让生物炭在应用于电化学储能装置电极材料上有较好的发展前景。

（一）生物炭在超級电容器中的应用

禹兴海[11]以农业废弃物玉米秸秆作为原料，经高温煅烧、KOH活化，制备出的生物炭材料具有“微孔-介孔-大孔”的多级孔道结构，比表面积高达1228平方米/克。将其作为电极材料，与凝胶电解质组装成柔性全固态超级电容器，在电流密度为1.0安培/克的条件下，其比容量可达125法拉/克，具有良好的机械柔性和电化学稳定性。

（二）生物炭在锂硫电池中的应用

Xia P等[12]采用铁树叶制备多孔生物炭，并用醋酸清洗空腔内的灰分，解决了孔堵塞问题。结果表明，所制备的生物炭具有2954平方米/克的高比表面积，累积孔隙体积为1.39立方米/克，为硫的存储提供了一种天然高效的空间，还能够缓冲体积膨胀。用铁树叶生物炭合成制备的复合阴极材料容量高达1317毫安时/克，200次循环后，容量仍可达到790毫安时/克，每次循环衰减率仅为0.068%。

三、总结与展望

笔者综述了生物质衍生炭的特性及其在吸附和储能领域的应用，并进行举例。这些结果表明，通过选择理想的生物质前驱物以及合适的制备方法生产出的生物炭吸附剂，可以有效去除重金属离子和有机污染物;有较高比表面积和丰富多孔结构的生物炭还可以被用来合成电极，有效地应用到储能器件中。

然而，目前的生物炭材料的制备，需要惰性气体保护、腐蚀性活化剂、高温处理，存在制作成本高、制备工艺复杂、污染大等缺点，故有必要开发高效、绿色的制备工艺来生产性能更好的生物炭。相信随着学者研究的不断深入，有望实现生物炭在污水处理、土壤治理和储能器件等方面成熟的商业化应用。

参考文献：

[1] Kim B S，Lee H W，Park S H，et al.Removal of Cu2+ by biochars derived from green macroalgae[J].Environmental Science Pollution Research，2016（23）：985-994.

[2] Wei Q，Dian D，Jian H，et al. Hierarchical porous biochar-based functional materials derived from biowaste for Pb（Ⅱ）removal[J].Applied Surface Science，2019（465）：297-302.

[3] Cho H J，Baek K，Jeon J K，et al. Removal characteristics of copper by marine macro-algae-derived chars[J]. Chemical Engineering Journal，2013（217）：205-211.

[4] Zhang Y，Yue X，Xu W，et al. Amino modification of rice straw-derived biochar for enhancing its cadmium（Ⅱ）ions adsorption from water[J]. Journal of Hazardous Materials，2019（379）：127083.

[5] Liatsoua I，Pashalidisa I，Doscheb C. Cu（Ⅱ）adsorption on 2-thiouracil-modified Luffa cylindrica biochar fibres from artificial and real samples，and competition reactions with U（Ⅵ）[J]. Journal of Hazardous Materials，2020（383）：120950.

[6] Tahir A，Munammad R，Shafaqat A，et al. Effect of biochar on cadmium bioavailability and uptake in wheat （Triticum aestivum L） grown in a soil with aged contamination[J].Ecotoxicology and Environmental Safety，2017（140）：37-47.

[7] Adekola F A，Ayodelea S B，Inyinborb A A. Activated biochar prepared from plaintain peels：Characterization and Rhodamine B adsorption data set[J].Chemical Data Collections，2018（18）：301848.

[8] Yazidi A，Atrous M，Soetaredjo F S. Adsorption of amoxicillin and tetracycline on activated carbon prepared from durian shell in single and binary systems Experimental study and modeling analysis[J].Chemical Engineering Journal，2020（379）：122320.

[9] 张紫瑞.多孔生物质炭的设计合成、结构分析及其在新型储能器件中的应用[D].郑州：郑州大学，2019.

[10] Tang W J，Zhang Y，Zhong Y. Natural biomass-derived carbons for electrochemical energy storage[J].Materials Research Bulletin，2017（88）：234-341.

[11] 禹兴海，罗其良，潘剑等.一种生物炭基柔性固态超级电容器的制备及性能研究[J].化工学报，2019（09）：3590-3600.

[12] Xia P，Chen F，Lei W，et al. Long cycle performance folium cycas biochar/S composite material for lithium-sulfur batteries[J].Ionics.， 2020（48）：183-189.