生物質(zhì)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(fā)展已經(jīng)貫穿中國新時期國民經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略布局，而廢棄物治理及其資源化利用是國家綠色發(fā)展戰(zhàn)略的核心組成部分[1]。農(nóng)業(yè)廢棄物是我國廢棄物的主要來源，主要包括種植業(yè)廢棄物、農(nóng)產(chǎn)品加工廢棄物、畜禽糞便等[2]。其中，農(nóng)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(nóng)業(yè)廢棄物被隨意堆放、丟棄或用作生活燃料造成環(huán)境污染[3-4]。隨著全球農(nóng)業(yè)的發(fā)展和農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量的不斷增長，農(nóng)業(yè)廢棄物的排放量呈現(xiàn)日益增長的態(tài)勢，其合理利用管理成為全球亟待解決的一個重要農(nóng)業(yè)和環(huán)境問題[5]。另外，這些農(nóng)業(yè)廢棄物含有豐富的碳和植物所需的營養(yǎng)元素[6]，若能加以合理利用，不僅可以緩解嚴峻的農(nóng)業(yè)環(huán)境污染問題，還可有效解決生物質(zhì)資源短缺問題。近幾年來，生物質(zhì)炭作為一種新型環(huán)境功能材料，在農(nóng)作物增產(chǎn)、環(huán)境治理及肥料創(chuàng)新等領域引起廣泛關注。獨特的理化性質(zhì)決定了生物質(zhì)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(jié)了生物質(zhì)炭的特性及其在不同領域的應用研究概況，探討了生物質(zhì)綜合利用產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展方向，以期為構(gòu)建具有地方區(qū)域特色的生物質(zhì)資源綜合利用技術體系提供參考。

1 生物質(zhì)炭及其特性

生物質(zhì)炭(biochar)是指生物質(zhì)(如農(nóng)作物秸稈、木質(zhì)材料、牲畜糞便等農(nóng)業(yè)廢棄物、有機廢棄物以及其他生物質(zhì))在缺氧或少氧的環(huán)境中通過高溫(<700 ℃)熱裂解和炭化作用獲得的一類難溶的、穩(wěn)定的、高度芳香化且富含碳素的固態(tài)物質(zhì)[7]。其具有特殊的多孔性結(jié)構(gòu)、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(zhì)炭普遍具有相似性，即主要由緊密且不規(guī)則堆積的芳香環(huán)片層組成[8]。芳香化程度越高生物質(zhì)炭穩(wěn)定性越強，而生物質(zhì)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(zhì)炭的應用

2.1 農(nóng) 業(yè)

CO2、CH4和N2O氣體對溫室效應的貢獻率約80%。農(nóng)業(yè)是產(chǎn)生這3種溫室氣體的重要來源之一[11]。生物質(zhì)炭本身碳素含量較高，施于農(nóng)田后必會影響農(nóng)田系統(tǒng)的碳素循環(huán)。研究發(fā)現(xiàn)，隨著生物質(zhì)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(zhì)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(zhì)炭對稻田CH4氣體排放也有很好的抑制作用，且隨著生物質(zhì)炭添加量的增加抑制作用越強[14]。有關生物質(zhì)炭的近5年試驗研究表明，將生物質(zhì)炭施用于農(nóng)田，具有顯著改善土壤功能和促進土壤生態(tài)系統(tǒng)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(zhì)炭后，均提高了小白菜產(chǎn)量，且小白菜產(chǎn)量與生物質(zhì)炭的添加量呈正相關關系，表明生物質(zhì)炭對部分蔬菜生長具有顯著的促進作用[16]。據(jù)Kimetu和Lehmann[17]報道，在貧瘠土壤中添加7 t·hm-2生物質(zhì)炭，2年內(nèi)連續(xù)施用3次后玉米產(chǎn)量翻倍增長。黃超等[18]研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭有效改善了低肥力酸性紅壤，促進黑麥草的生長。據(jù)劉園等[19]報道，低用量生物質(zhì)炭對潮土作物產(chǎn)量并無影響，中、高用量處理可以提高作物產(chǎn)量4.54%～4.92%。生物炭對作物產(chǎn)量的促進并不是都是正效應。張晗芝等[20]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭對玉米苗期的生長有顯著地抑制作用。這可能是生物質(zhì)炭施用后，提高了土壤pH值，使土壤中某些營養(yǎng)元素的有效性降低所致。由此可見，生物質(zhì)炭對于農(nóng)田作物產(chǎn)量的促進作用還需視土壤類型和性質(zhì)、作物類型、生物質(zhì)炭特性和使用量而定。

2.2 環(huán) 境

此外，生物質(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)化為能源，達到水質(zhì)處理與有機污染物循環(huán)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(jié)構(gòu)的生物質(zhì)炭，用雙氧水做活化劑提高了生物質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)炭表面含有大量帶負電荷的官能團與重金屬發(fā)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(zhì)炭材料作為一種新型材料，還具有質(zhì)量輕、氣孔率高、耐高溫、耐酸堿、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、易導電、易傳熱、易加工等一系列優(yōu)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(zhì)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(zhì)生物質(zhì)炭比活性碳纖維與石墨炭材料具有更優(yōu)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(zhì)炭粉碎后用來制作生物質(zhì)炭納米材料[37]。生物質(zhì)炭作為固體酸催化劑，因親油性好、穩(wěn)定性強、制備成本低廉及可再生等優(yōu)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(zhì)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(zhuǎn)化率達91.36%[38]。將花生殼和木屑為原料熱解制備的生物質(zhì)炭基固體酸催化劑，催化酯化反應時，底物轉(zhuǎn)化率接近100%[39]。

2.4 能 源

生物質(zhì)含有較高的熱值，將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭，再將生物質(zhì)炭作為固體燃料使用，這樣既能解決生物質(zhì)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(zhì)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(nèi)制備了固定碳質(zhì)量分數(shù)為83%～91%的生物質(zhì)炭，其熱值可達30～35 MJ/kg，達到一級精煤的國家質(zhì)量標準[41]。也有研究將農(nóng)林業(yè)的廢棄物高溫無氧熱解后，得到生物焦油、生物質(zhì)炭粉等產(chǎn)物，然后與MgO、松節(jié)油調(diào)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(zhì)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(jié) 語

生物質(zhì)炭原料易得，制備簡單，具有綠色和可持續(xù)發(fā)展特點。利用廢棄的生物質(zhì)資源制備生物質(zhì)炭材料不僅避免了環(huán)境污染，也是廢棄物資源化利用的有效途徑。目前，雖然國內(nèi)外對生物質(zhì)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(zhì)成分頗為復雜，不同種生物質(zhì)原料在相同條件下制備的生物質(zhì)炭，其理化性質(zhì)存在一定差異；同種生物質(zhì)材料在不同制備條件下，所得生物質(zhì)炭的理化性質(zhì)也存在差異。而具有不同理化性質(zhì)的生物質(zhì)炭其應用性能必然存在差異，因此，尚需進行系統(tǒng)而全面的研究，理清生物質(zhì)原料、制備條件、生物質(zhì)炭理化性質(zhì)及其應用性能間的關聯(lián)性。

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

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

(4)在功能材料方面，生物質(zhì)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(yè)硅冶煉領域，以開發(fā)出多功能生物質(zhì)炭材料。