生物炭及改性生物炭的制备与应用研究进展

李 涛，陈维铅

（甘肃省太阳能光伏发电系统工程重点实验室酒泉职业技术学院，甘肃酒泉 735000）

生物炭及改性生物炭是生物质在氧气缺失或者完全没有的情况下，通过超高温热解的一种具有物化稳定性，内部含有碳素的固体。目前为止，全球范围内对于生物炭及改性生物炭的研究是一个热门研究点。对于生物炭及改性生物炭的研究最早起源于在亚马孙盆地当中发现了黑土，在很长时间内科学家并没有对这种黑土加以研究。但是随着全年的工业经济体系的飞速发展，与之产生的生态环境也发生了恶化。最早把生物炭及改性生物炭应用起来的领域是在纺织业以及在污水的排放处理上面。从2010年起，我国开始逐步在各个领域研究对于生物炭及改性生物炭的相关研究，这些年取得了相当多的研究成果。

1 生物炭及改性生物炭的制作

平常制作碳的方法是将生物质当中的部分进行碳化处理，比如将碳水化合物转化为乙醇，脂质转化为生物柴油，通过气化和热解方式把生物质当中含有的碳直接转化成所需要的产品，例如，生物炭及改性生物炭、生物柴油以及合成气。通过在高温的条件下，使用氧化剂或者催化剂把生物质当中的碳转化为气态燃料，这就是气化。相比较而言，热解只是在温度比较低的情况下使碳转化为不同状态的产物。但是热解过程对于温度控制、参数操作、降温控制、原材料选择都有相当严格的要求，一个环节不符合标准，都会影响最终的成品。温度的控制最为重要，一般情况下生物炭及改性生物炭的升温速度是10℃/min，在相对应较低的温度下（400～700℃）情况下，进行异构化、脱出处理、脱酸处理、分解和聚集，以及炭化等反应之后形成的。

2 生物炭及改性生物炭的原材料

2.1 农业废弃物

生物炭及改性生物炭的材料特性受到原材料的影响，生物炭及改性生物炭的产量与生产原材料当中的碳含量具有直接关系，但是与挥发性质的含量呈现出反比关系。秸秆、麦壳、稻壳等农业当中产生的农业废弃物，都是可以制成生物炭及改性生物炭的原材料。在大多数农业产品的废弃物当中，存在不同含量纤维素，纤维素所需要热解的温度要求也是不一样的。所以，生物炭及改性生物炭的产能与原材料当中包含的各种含量具有直接关系。就目前的数据表明，原材料当中的各种成分对于生物炭及改性生物炭产能影响相关的数据比较少。相关的数据表明，含有高木质素原材料能够提升生物炭及改性生物炭的产能，其原因是因为热解需求温度较高，在常温的范围内不能够进行有效的分解。有数据表明，木质素的含量和生物炭及改性生物炭产能存在一定的关系。同样还有数据表明，生物炭及改性生物炭的孔隙率会受到木质素的影响，说明生物炭及改性生物炭受到木质素不同程度上的影响。

2.2 工业废料

这些年在全球范围内，工业飞速发展，与之同步出现的工业废料产能也在不断增加，对于工业废料还是生活垃圾区别方法是两者之间金属含量不同，含有金属成本过高的，能在一定程度生影响生物成长，本身还会衍生出有毒物质。有相关的数据表明，生物炭及改性生物炭的生产过程当中加入一定比例的工业废料与生物质进行热解，内部含有的金属成分会附着在生物炭及改性生物炭表层，这种生物炭及改性生物炭称之为工业生物炭及改性生物炭，与原始的生物炭及改性生物炭比较，其中含有的碳容量提升了很多，并且还能够发挥出一定的金属特性。有相关的研究者将含有铁以及钙的工业废料进行热解，然后再经过催化还原，再加入生物柴油进行结合。另外就是加入工业废料还可以提升在热解过程当中产生的合成气产能，其原因是因为在工业废料当中的金属对生物质热解起到了一定程度的催化作用。

3 生物炭及改性生物炭的特性

表面积的对比是评测生物炭及改性生物炭性能的重要标准，这是根据不同目标反应物的地方，这样可以直接观测到生物炭及改性生物炭的吸附能力、催化能力以及参与反应动力学。目前为止，对于生物炭及改性生物炭面积改良的方法有很多种，比如蒸汽火花、金属催化、水热热解、高温热解、超声波热解、微波热解等。

4 生物炭及改性生物炭应用

4.1 对于有机物的处理

有相关的数据表明，将NaBH4作为还原剂加入Co或者Cu当中，用于对有机化合物的反应当中，表现出来很好的催化效果。再向其出入一定比例的CO2，还能够再次加强Co当中的生物炭及改性生物炭的催化能力。有相关的研究人员通过对比铜、氮、生物炭及改性生物炭和含有铜之间的催化实验发现，它们之间对于硝基苯酚去除效率分别是97%、74%、0。还有相关的数据结果表明，生物炭及改性生物炭当中的铁和钴能够在硫酸盐生产中比OH成本低。这对于工业生产当中提升氧化工艺有很大的推动作用。

4.2 在新能源方面的应用

全球发展带来的能源危机问题日益严重，使用生物质对现有的能源构成体系进行改良，这是目前能源研究领域的一个核心点，生物质是构成生物炭及改性生物炭的重要原材料之一，再加上生物炭及改性生物炭本身具有很多的优点，如果能够研究出来符合能源要求的生物炭及改性生物炭资源，达到国家提升的节能减排、保护环境的要求，生物炭及改性生物炭的运用将会更上一层楼。

4.3 生物炭及改性生物炭在治理大气污染方面的应用

4.3.1 针对VOCs的治理

VOCs是拥有多种病症诱因的有害气体，VOCs还会引发温室效应、对于臭氧层破坏以及雾霾的形成都有相当紧密的关系，对于VOCs的处理已经不容迟疑。我国有相关的研学发现，在不同的碳化温度、不同的材料（核桃壳和椰子壳）制作的生物炭对VOCs气体有吸附性，研究发现，随着原材料炭化温度的不断提升，对VOCs的吸收效果越好。在条件相同的情况下，椰子壳的吸附效果比较好。在没有对生物炭进行改造之前对其中的苯以及甲苯的最大吸附量达到了18.98，63.73mg/g。经过紫外线改造之后的生物炭对于苯以及甲苯的吸收量分别为478.33，712.48mg/g，两者相对比，增加了整整10倍，这可能是因为经过紫外线辐射之后，生物炭表面的酸性官能团增多，比表面积增大的原因，生物炭及改性生物炭单重的孔隙更加发达。

4.3.2 控制温室气体

由全球气候变暖引起的冰川融化，受到全世界的观众。生物炭具有减排固碳的效果，在温室气体的治理当中拥有不错的作用，因为其本身拥有碳封存的能力，能够有效抑制土壤当中N2O的排放，在提升农作物产能同时，还能够吸收大气当中CO2，降低农作业当中的肥料使用，提升土壤当中的有机碳分解能力，具有良好的减排能力。防止温室效应的最有效方法是减少CO2的排放量。在国外，有很多的国家使用ALCL3、FeCL3和MgCL2对生物炭进行改良，不断地研究对于CO2的吸附能力，有相关的研究表明，改性生物炭较未改性生物炭对CO2吸附能力效果更好。

4.4 生物炭在土壤改良方面的应用

我国作为农业生产大国，土壤的改良对于农业生产是非常重要的，当前我国生物炭应用到土壤改良方面主要以土壤理化性质的改良和土壤污染物改良为主。

（1）土壤理化性质改良。生物炭和改性生物炭对于土壤理化性质的影响包括改善土壤水分保持、改善土壤酸碱值、改善土壤的养分以及阳离子交换量等。首先生物炭和改性生物炭为碱性物质，施入土壤后生物炭所含有的盐离子会置换土壤中的氢离子；同时土壤溶液中的氢离子能够被生物炭表面的芳香烃官能团所吸附，让土壤溶液中的氢离子浓度变得更低。除此之外，生物炭和改性生物炭所含有的大量碳酸盐、碳酸氢盐和硅酸盐能够与土壤溶液中所含的氢离子结合，让土壤中的酸碱值得到提升。与此同时，生物炭和改性生物炭的吸附性强，因此可以把大气中的水分吸附，若是雨水较低的情况下，可以将少量雨水吸附到可耕层来为植物提供促进生长的水分，能够有效防止土壤沙漠化的情况。经过不断地研究可以得知，在亚马孙地区的土壤中包含生物炭的土壤持水量比不包含生物炭的土壤要高18%。而且生物炭和改性生物炭也能够有效改变土壤中微生物的丰富度以及活性，从而确保土壤中的酶活性和速效养分的含量能够得到有效提升。由于改性生物炭相比普通生物炭来说理化性质更强，因此土壤改良的效果也更好。镁改性牛粪生物炭对于土壤中磷的吸附作用相对较强，而且能够有效减缓土壤中磷元素的流失，在后期也能够进行磷元素的持续释放，为植物提供所需养分，能够具备先控制磷污染再为植物提供养分的作用。而部分研究人员也发现了生物炭以及改性生物炭能够有效提高土壤中有机物的含量，而且改性生物炭对于土壤有机物含量的提升幅度更加有效。

（2）土壤污染的治理。土壤污染物的治理主要是利用生物炭对于重金属的吸附和针对土壤有机物的治理。赤铁矿制备改性生物炭材料能够有效去除土壤中的As因素，而且发现了由于改性生物炭静电吸附以及表面官能团的作用，其对于重金属As的吸附能力非常强，是源生物炭的两倍作用。与此同时，在研究硫磺改性稻壳生物炭对于重金属汞的修复中，发现添加5%的硫磺改性生物炭能够有效去除土壤中99.3%的重金属汞，而添加未改性稻壳炭在同剂量下对于重金属汞的去除率也达到了95.2%，说明改性稻壳炭对于土壤中重金属汞的修复效果更强。土壤中的有机物污染指的是人为喷洒农药以及工业有毒物质在土壤中积累所产生的有机物，其含量超过了基本指标，容易出现生态平衡破坏以及影响土壤理化性质的情况，造成农作物的产量大幅下降。研究发现，生物炭由于吸附性强以及表面官能团丰富，因此对于土壤有机物的处理是非常有效的。研究人员在对生物炭对有机污染物2,4-二氯苯酚和菲的影响中发现，生物炭能够有效控制两种污染物的降解以及矿化，而且能够有效抑制代谢物的积累。而在红胶木片制备生物炭对农药嘧啶的研究中发现，此生物炭对于农药嘧啶的吸附和解析作用非常强。而通过10d土壤培养发现0.5%小麦秸秆生物炭较未添加生物炭的土壤来说，农药的残留会更少。

总的来说，生物炭和改性生物炭能够对土壤进行有效改善，并且有着很强的潜力和应用价值，有效提升土壤理化性质，解决土壤污染问题，对于我国土壤的治理工作有着很强的促进作用。

4.5 生物炭及改性生物炭的其他应用领域

目前为止，对于生物炭及改性生物炭使用范围不只是对环境的修复，以及对于土地肥沃程度的恢复，还被运用到微生物化学系统当中，在传感领域也有广泛的应用。因为生物炭及改性生物炭制成的石墨性价比较高，并且还具有良好的电子传导性，因此在生物电化领域发挥着至关重要的作用。在制造生物传感器当中，生物炭及改性生物炭也得到了运用，生物炭及改性生物炭成了酶反应当中衡量有机污染物重要存在。生物炭及改性生物炭在修饰金纳米颗粒中，作为苯二酚以及苯二酚相关的检测生物传感的重要材料之一。

5 生物炭及改性生物炭使用过程当中存在的隐患

就目前很多的数据表明，生物炭及改性生物炭的使用范围非常广，性价比也较高，不过在生物炭及改性生物炭的背后还是隐藏了一定程度上的隐患。使用不同原材料制作出来的生物炭及改性生物炭其性能方面也不尽相同，结合具体情况进行生物炭投入使用，针对治理重金属污染方面拥有不错的效果，但是结果却是治标不治本，只能做到吸附，但是没有本法对土壤当中的重金属进行根除，对于已经完成吸附重金属物质的生物炭还没好的解决方式，生物炭在农业生产当中可以说喜忧参半。

6 结束语

生物炭及改性生物炭因为其低成本、高性能、生产原材料广泛的原因，受到了各个领域的青睐，发展前景非常广阔。生物炭及改性生物炭的比表面积和功能性是决定其作为性能的关键参数，虽然目前已经进行了大量研究用以生产具有高吸附性或催化能力的生物炭，但在实际应用中，将生物炭发展成为操作方便、易于利用、可替代常规炭材料的功能性材料还需继续努力。所以，未来对于生物炭及改性生物炭的相关研究中，发现更多不同的生物质，提升生物炭及改性生物炭的功能性与性价比。与此同时还要对一些工业废料进行深入研究，探索其中制作工业生物炭及改性生物炭的价值，只有这样才能不断推动我国对于生物领域的发展。