生物炭及改性生物炭的制備與應(yīng)用研究進展

李 濤，陳維鉛

（甘肅省太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程重點實驗室酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅酒泉 735000）

生物炭及改性生物炭是生物質(zhì)在氧氣缺失或者完全沒有的情況下，通過超高溫?zé)峤獾囊环N具有物化穩(wěn)定性，內(nèi)部含有碳素的固體。目前為止，全球范圍內(nèi)對于生物炭及改性生物炭的研究是一個熱門研究點。對于生物炭及改性生物炭的研究最早起源于在亞馬孫盆地當中發(fā)現(xiàn)了黑土，在很長時間內(nèi)科學(xué)家并沒有對這種黑土加以研究。但是隨著全年的工業(yè)經(jīng)濟體系的飛速發(fā)展，與之產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境也發(fā)生了惡化。最早把生物炭及改性生物炭應(yīng)用起來的領(lǐng)域是在紡織業(yè)以及在污水的排放處理上面。從2010年起，我國開始逐步在各個領(lǐng)域研究對于生物炭及改性生物炭的相關(guān)研究，這些年取得了相當多的研究成果。

1 生物炭及改性生物炭的制作

平常制作碳的方法是將生物質(zhì)當中的部分進行碳化處理，比如將碳水化合物轉(zhuǎn)化為乙醇，脂質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物柴油，通過氣化和熱解方式把生物質(zhì)當中含有的碳直接轉(zhuǎn)化成所需要的產(chǎn)品，例如，生物炭及改性生物炭、生物柴油以及合成氣。通過在高溫的條件下，使用氧化劑或者催化劑把生物質(zhì)當中的碳轉(zhuǎn)化為氣態(tài)燃料，這就是氣化。相比較而言，熱解只是在溫度比較低的情況下使碳轉(zhuǎn)化為不同狀態(tài)的產(chǎn)物。但是熱解過程對于溫度控制、參數(shù)操作、降溫控制、原材料選擇都有相當嚴格的要求，一個環(huán)節(jié)不符合標準，都會影響最終的成品。溫度的控制最為重要，一般情況下生物炭及改性生物炭的升溫速度是10℃/min，在相對應(yīng)較低的溫度下（400～700℃）情況下，進行異構(gòu)化、脫出處理、脫酸處理、分解和聚集，以及炭化等反應(yīng)之后形成的。

2 生物炭及改性生物炭的原材料

2.1 農(nóng)業(yè)廢棄物

生物炭及改性生物炭的材料特性受到原材料的影響，生物炭及改性生物炭的產(chǎn)量與生產(chǎn)原材料當中的碳含量具有直接關(guān)系，但是與揮發(fā)性質(zhì)的含量呈現(xiàn)出反比關(guān)系。秸稈、麥殼、稻殼等農(nóng)業(yè)當中產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)廢棄物，都是可以制成生物炭及改性生物炭的原材料。在大多數(shù)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的廢棄物當中，存在不同含量纖維素，纖維素所需要熱解的溫度要求也是不一樣的。所以，生物炭及改性生物炭的產(chǎn)能與原材料當中包含的各種含量具有直接關(guān)系。就目前的數(shù)據(jù)表明，原材料當中的各種成分對于生物炭及改性生物炭產(chǎn)能影響相關(guān)的數(shù)據(jù)比較少。相關(guān)的數(shù)據(jù)表明，含有高木質(zhì)素原材料能夠提升生物炭及改性生物炭的產(chǎn)能，其原因是因為熱解需求溫度較高，在常溫的范圍內(nèi)不能夠進行有效的分解。有數(shù)據(jù)表明，木質(zhì)素的含量和生物炭及改性生物炭產(chǎn)能存在一定的關(guān)系。同樣還有數(shù)據(jù)表明，生物炭及改性生物炭的孔隙率會受到木質(zhì)素的影響，說明生物炭及改性生物炭受到木質(zhì)素不同程度上的影響。

2.2 工業(yè)廢料

這些年在全球范圍內(nèi)，工業(yè)飛速發(fā)展，與之同步出現(xiàn)的工業(yè)廢料產(chǎn)能也在不斷增加，對于工業(yè)廢料還是生活垃圾區(qū)別方法是兩者之間金屬含量不同，含有金屬成本過高的，能在一定程度生影響生物成長，本身還會衍生出有毒物質(zhì)。有相關(guān)的數(shù)據(jù)表明，生物炭及改性生物炭的生產(chǎn)過程當中加入一定比例的工業(yè)廢料與生物質(zhì)進行熱解，內(nèi)部含有的金屬成分會附著在生物炭及改性生物炭表層，這種生物炭及改性生物炭稱之為工業(yè)生物炭及改性生物炭，與原始的生物炭及改性生物炭比較，其中含有的碳容量提升了很多，并且還能夠發(fā)揮出一定的金屬特性。有相關(guān)的研究者將含有鐵以及鈣的工業(yè)廢料進行熱解，然后再經(jīng)過催化還原，再加入生物柴油進行結(jié)合。另外就是加入工業(yè)廢料還可以提升在熱解過程當中產(chǎn)生的合成氣產(chǎn)能，其原因是因為在工業(yè)廢料當中的金屬對生物質(zhì)熱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

表面積的對比是評測生物炭及改性生物炭性能的重要標準，這是根據(jù)不同目標反應(yīng)物的地方，這樣可以直接觀測到生物炭及改性生物炭的吸附能力、催化能力以及參與反應(yīng)動力學(xué)。目前為止，對于生物炭及改性生物炭面積改良的方法有很多種，比如蒸汽火花、金屬催化、水熱熱解、高溫?zé)峤?、超聲波熱解、微波熱解等?/p>

4 生物炭及改性生物炭應(yīng)用

4.1 對于有機物的處理

有相關(guān)的數(shù)據(jù)表明，將NaBH4作為還原劑加入Co或者Cu當中，用于對有機化合物的反應(yīng)當中，表現(xiàn)出來很好的催化效果。再向其出入一定比例的CO2，還能夠再次加強Co當中的生物炭及改性生物炭的催化能力。有相關(guān)的研究人員通過對比銅、氮、生物炭及改性生物炭和含有銅之間的催化實驗發(fā)現(xiàn)，它們之間對于硝基苯酚去除效率分別是97%、74%、0。還有相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，生物炭及改性生物炭當中的鐵和鈷能夠在硫酸鹽生產(chǎn)中比OH成本低。這對于工業(yè)生產(chǎn)當中提升氧化工藝有很大的推動作用。

4.2 在新能源方面的應(yīng)用

全球發(fā)展帶來的能源危機問題日益嚴重，使用生物質(zhì)對現(xiàn)有的能源構(gòu)成體系進行改良，這是目前能源研究領(lǐng)域的一個核心點，生物質(zhì)是構(gòu)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優(yōu)點，如果能夠研究出來符合能源要求的生物炭及改性生物炭資源，達到國家提升的節(jié)能減排、保護環(huán)境的要求，生物炭及改性生物炭的運用將會更上一層樓。

4.3 生物炭及改性生物炭在治理大氣污染方面的應(yīng)用

4.3.1 針對VOCs的治理

VOCs是擁有多種病癥誘因的有害氣體，VOCs還會引發(fā)溫室效應(yīng)、對于臭氧層破壞以及霧霾的形成都有相當緊密的關(guān)系，對于VOCs的處理已經(jīng)不容遲疑。我國有相關(guān)的研學(xué)發(fā)現(xiàn)，在不同的碳化溫度、不同的材料（核桃殼和椰子殼）制作的生物炭對VOCs氣體有吸附性，研究發(fā)現(xiàn)，隨著原材料炭化溫度的不斷提升，對VOCs的吸收效果越好。在條件相同的情況下，椰子殼的吸附效果比較好。在沒有對生物炭進行改造之前對其中的苯以及甲苯的最大吸附量達到了18.98，63.73mg/g。經(jīng)過紫外線改造之后的生物炭對于苯以及甲苯的吸收量分別為478.33，712.48mg/g，兩者相對比，增加了整整10倍，這可能是因為經(jīng)過紫外線輻射之后，生物炭表面的酸性官能團增多，比表面積增大的原因，生物炭及改性生物炭單重的孔隙更加發(fā)達。

4.3.2 控制溫室氣體

由全球氣候變暖引起的冰川融化，受到全世界的觀眾。生物炭具有減排固碳的效果，在溫室氣體的治理當中擁有不錯的作用，因為其本身擁有碳封存的能力，能夠有效抑制土壤當中N2O的排放，在提升農(nóng)作物產(chǎn)能同時，還能夠吸收大氣當中CO2，降低農(nóng)作業(yè)當中的肥料使用，提升土壤當中的有機碳分解能力，具有良好的減排能力。防止溫室效應(yīng)的最有效方法是減少CO2的排放量。在國外，有很多的國家使用ALCL3、FeCL3和MgCL2對生物炭進行改良，不斷地研究對于CO2的吸附能力，有相關(guān)的研究表明，改性生物炭較未改性生物炭對CO2吸附能力效果更好。

4.4 生物炭在土壤改良方面的應(yīng)用

我國作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，土壤的改良對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是非常重要的，當前我國生物炭應(yīng)用到土壤改良方面主要以土壤理化性質(zhì)的改良和土壤污染物改良為主。

（1）土壤理化性質(zhì)改良。生物炭和改性生物炭對于土壤理化性質(zhì)的影響包括改善土壤水分保持、改善土壤酸堿值、改善土壤的養(yǎng)分以及陽離子交換量等。首先生物炭和改性生物炭為堿性物質(zhì)，施入土壤后生物炭所含有的鹽離子會置換土壤中的氫離子；同時土壤溶液中的氫離子能夠被生物炭表面的芳香烴官能團所吸附，讓土壤溶液中的氫離子濃度變得更低。除此之外，生物炭和改性生物炭所含有的大量碳酸鹽、碳酸氫鹽和硅酸鹽能夠與土壤溶液中所含的氫離子結(jié)合，讓土壤中的酸堿值得到提升。與此同時，生物炭和改性生物炭的吸附性強，因此可以把大氣中的水分吸附，若是雨水較低的情況下，可以將少量雨水吸附到可耕層來為植物提供促進生長的水分，能夠有效防止土壤沙漠化的情況。經(jīng)過不斷地研究可以得知，在亞馬孫地區(qū)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夠有效改變土壤中微生物的豐富度以及活性，從而確保土壤中的酶活性和速效養(yǎng)分的含量能夠得到有效提升。由于改性生物炭相比普通生物炭來說理化性質(zhì)更強，因此土壤改良的效果也更好。鎂改性牛糞生物炭對于土壤中磷的吸附作用相對較強，而且能夠有效減緩?fù)寥乐辛自氐牧魇В诤笃谝材軌蜻M行磷元素的持續(xù)釋放，為植物提供所需養(yǎng)分，能夠具備先控制磷污染再為植物提供養(yǎng)分的作用。而部分研究人員也發(fā)現(xiàn)了生物炭以及改性生物炭能夠有效提高土壤中有機物的含量，而且改性生物炭對于土壤有機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對于重金屬的吸附和針對土壤有機物的治理。赤鐵礦制備改性生物炭材料能夠有效去除土壤中的As因素，而且發(fā)現(xiàn)了由于改性生物炭靜電吸附以及表面官能團的作用，其對于重金屬As的吸附能力非常強，是源生物炭的兩倍作用。與此同時，在研究硫磺改性稻殼生物炭對于重金屬汞的修復(fù)中，發(fā)現(xiàn)添加5%的硫磺改性生物炭能夠有效去除土壤中99.3%的重金屬汞，而添加未改性稻殼炭在同劑量下對于重金屬汞的去除率也達到了95.2%，說明改性稻殼炭對于土壤中重金屬汞的修復(fù)效果更強。土壤中的有機物污染指的是人為噴灑農(nóng)藥以及工業(yè)有毒物質(zhì)在土壤中積累所產(chǎn)生的有機物，其含量超過了基本指標，容易出現(xiàn)生態(tài)平衡破壞以及影響土壤理化性質(zhì)的情況，造成農(nóng)作物的產(chǎn)量大幅下降。研究發(fā)現(xiàn)，生物炭由于吸附性強以及表面官能團豐富，因此對于土壤有機物的處理是非常有效的。研究人員在對生物炭對有機污染物2,4-二氯苯酚和菲的影響中發(fā)現(xiàn)，生物炭能夠有效控制兩種污染物的降解以及礦化，而且能夠有效抑制代謝物的積累。而在紅膠木片制備生物炭對農(nóng)藥嘧啶的研究中發(fā)現(xiàn)，此生物炭對于農(nóng)藥嘧啶的吸附和解析作用非常強。而通過10d土壤培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)0.5%小麥秸稈生物炭較未添加生物炭的土壤來說，農(nóng)藥的殘留會更少。

總的來說，生物炭和改性生物炭能夠?qū)ν寥肋M行有效改善，并且有著很強的潛力和應(yīng)用價值，有效提升土壤理化性質(zhì)，解決土壤污染問題，對于我國土壤的治理工作有著很強的促進作用。

4.5 生物炭及改性生物炭的其他應(yīng)用領(lǐng)域

目前為止，對于生物炭及改性生物炭使用范圍不只是對環(huán)境的修復(fù)，以及對于土地肥沃程度的恢復(fù)，還被運用到微生物化學(xué)系統(tǒng)當中，在傳感領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。因為生物炭及改性生物炭制成的石墨性價比較高，并且還具有良好的電子傳導(dǎo)性，因此在生物電化領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在制造生物傳感器當中，生物炭及改性生物炭也得到了運用，生物炭及改性生物炭成了酶反應(yīng)當中衡量有機污染物重要存在。生物炭及改性生物炭在修飾金納米顆粒中，作為苯二酚以及苯二酚相關(guān)的檢測生物傳感的重要材料之一。

5 生物炭及改性生物炭使用過程當中存在的隱患

就目前很多的數(shù)據(jù)表明，生物炭及改性生物炭的使用范圍非常廣，性價比也較高，不過在生物炭及改性生物炭的背后還是隱藏了一定程度上的隱患。使用不同原材料制作出來的生物炭及改性生物炭其性能方面也不盡相同，結(jié)合具體情況進行生物炭投入使用，針對治理重金屬污染方面擁有不錯的效果，但是結(jié)果卻是治標不治本，只能做到吸附，但是沒有本法對土壤當中的重金屬進行根除，對于已經(jīng)完成吸附重金屬物質(zhì)的生物炭還沒好的解決方式，生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當中可以說喜憂參半。

6 結(jié)束語

生物炭及改性生物炭因為其低成本、高性能、生產(chǎn)原材料廣泛的原因，受到了各個領(lǐng)域的青睞，發(fā)展前景非常廣闊。生物炭及改性生物炭的比表面積和功能性是決定其作為性能的關(guān)鍵參數(shù)，雖然目前已經(jīng)進行了大量研究用以生產(chǎn)具有高吸附性或催化能力的生物炭，但在實際應(yīng)用中，將生物炭發(fā)展成為操作方便、易于利用、可替代常規(guī)炭材料的功能性材料還需繼續(xù)努力。所以，未來對于生物炭及改性生物炭的相關(guān)研究中，發(fā)現(xiàn)更多不同的生物質(zhì)，提升生物炭及改性生物炭的功能性與性價比。與此同時還要對一些工業(yè)廢料進行深入研究，探索其中制作工業(yè)生物炭及改性生物炭的價值，只有這樣才能不斷推動我國對于生物領(lǐng)域的發(fā)展。