生物炭的制备与应用研究
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[摘 要] 近年来，生物炭得到各界的广泛认识，有关学者对于生物炭的研究越来越多。本文简述生物炭的原料来源与制备过程，着重对其在各领域的应用做出阐述，并分析生物炭利用中存在的问题，为后续生物炭的研究与利用提供依据。
[关键词] 生物炭;制备;应用
[中图分类号] TQ127.11 [文献标识码] A [文章编号] 1674-7909（2019）02-115-2
生物炭（Biochar）是由生物质在完全或部分缺氧的环境下，通过高温热解产生的物化特性稳定、富含碳素的固态物。当前，国内外对生物炭的研究成为一大热点。全球对于生物炭的研究源于对亚马逊盆地的黑土[1]的认识，早期科学家并未对其引起重视。随着环境问题的不断恶化，科学家在研究中发现生物炭在诸多方面的应用都有重要意义。我国最早对生物炭的研究与应用是在纺织业和污水处理方面。以中国知网为例，自2010起，我国生物炭的应用领域开始扩宽，相关研究论文数量逐年增加（见图1）。
1 生物炭的原料与制备
生物炭的制备原料非常多，如花生壳、玉米芯、玉米秸秆、甜菜根、稻谷壳和果皮等，都可被用于制备生物炭。生物炭制备通常使用的方法为高温裂解法和水热碳化法。其中，高温裂解法即将生物质原料置于缺氧或氧含量极低的环境下，对其有控制地进行高温分解制备得到生物炭的方法，其又可分为慢速热解、中速热解和快速热解[2];水热碳化法是一种将生物质置于一定温度的水中，并在一定压力的条件下得到生物炭的一种制备方法[3]。此外，由于因为材料、热解方式、温度等的不同，不同方法得到的生物炭性质存在差异。
2 生物炭的性质
生物炭主要是由烷基和芳香结构组成，富含大量的碳。不同原料制备的生物炭的钾、钙、镁等元素的含量不同，受温度、pH值等的影响，生物炭中的某些元素含量会发生变化。在pH值方面，生物炭通常呈碱性。已有研究显示，在制备生物炭时，热解的温度越高，生物炭的pH值也会越高[4]，同时，在原料方面，粪便类原料的碱性较高，豆科植物的碱性较高[5]。生物炭具有比表面积大、疏松多孔的性质，在制备过程中控制好温度对于生物炭的比表面积非常重要。另外，不同的原料也会影响生物炭的比表面积[6-7]。生物炭还具有吸附性、酸碱缓冲性等化学性质，其阳离子交换量随热解的温度升高而降低。生物炭的O/C比和阳离子交换量等化学性质，对于农业土壤改良等发挥着重要作用。
3 生物炭的应用
3.1 农业领域
一方面，富含碳元素的生物炭可作为土壤改良剂，对土壤的理化性质、土壤结构产生影响。生物炭的施用可以增加土壤中有机碳和有机质的含量，同时又因其富含矿质养分而提高土壤吸持水分和养分补给的能力。碱性的生物炭可替代石灰等物质使用，改良土壤，提高土壤pH值;具有吸水能力的生物炭，在提高沙质土的持水量的同时能有效降低氮素的淋溶，从而提高水分利用率[8]。生物炭还可以提高地温，改良土壤条件，促进土壤生物、微生物的生存。
另一方面，生物炭对于作物的生长也有影响。许多资料显示，生物炭对于作物生长有促进作用，其与肥料共同使用效果显著。但是，也有资料认为生物炭并不有利于作物生长。生物炭对于作物生长的影响不同，是因为使用的生物炭是由不同原料、不同制备方式产生的，并且与使用量的不同也有关系。因此，在农业方面对生物炭的使用还需多方面考慮。
3.2 环境领域
Lehmann[9]认为，使用生物炭可每年减少10亿t温室气体。生物炭还田能减少农田温室气体的排放，其固碳能力强，对于全球碳循环影响极大，生物炭被认为是重要的稳定性碳源。生物炭在土壤污染治理方面发挥着重要作用，国内外众多学者致力于研究生物炭对As、Pb、Cd、Zn、Cr等重金属和有机污染物的影响。例如，唐行灿等[10]通过试验发现施用生物炭能使土壤重金属离子钝化，并且高温裂解的生物炭效果更佳，生物炭表面的多种基团能降低土壤的有机物污染程度。利用生物炭的比表面积大、孔隙度好、吸附性强的特性，在污水处理、净化以及工业废气、废水处理等方面有突出贡献，生物炭能有效吸附水中重金属离子[11]，净化水质，吸附工业生产产生的污染气体，有效控制污染物排放。
3.3 新能源领域
面对当今日益严重的能源危机问题，利用生物质能来改善能源结构、减排增能，是能源领域研究的新焦点。生物炭的原料来源为易于获取生物质材料，加之其诸多特点，开发利用生物炭符合资源充分利用、节能减排的要求。李冲[12]在研究生物质能燃料问题时，发现生物炭与燃料的混合使用能提高燃料的燃烧效率;沈阳农业大学研究的炭化生物煤污染小、热值高，在我国能源市场有巨大的应用潜力。我国的年生物质废料量巨大，如何合理开发利用这一资源，有待专家的深入研究。
4 生物炭利用存在的问题
虽然生物炭应用领域广、效益高，但仍然存在相关方面的问题。不同原料和制备方法得到的生物炭的功效不同，针对所面临的问题选择合适的生物炭是合理利用生物炭的关键。生物炭虽然能修复重金属污染的土壤，但是生物炭吸附、钝化重金属离子后，并未根除土壤中的重金属，如何将土壤中的生物炭“取出”也是一大难题。此外，生物炭对农业生产的利弊还有待研究。
5 结语
生物炭对于当今世界不失为一种重要的资源，其在许多方面都发挥着重要的作用。为进一步发挥生物炭的作用，相关研究者应对生物炭向更深方向进行研究，以发挥其更大的应用潜力。
参考文献
[1]David J.Tenenbaum.黑色的希望：生物炭[J].资源与人居环境，2010（7）：55-57.
[2]Bridgwater A V. Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading[J].Biomass & Bioenergy，2012（2）：68-94. [3]Sevilla M，Fuertes A B. Chemical and Structural Properties of Carbonaceous Products Obtained by Hydrothermal Carbonization of Saccharides[J].Chemistry - A European Journal，2009（16）：4195-4203.
[4]Lehmann J. Bio-Energy in the Black[J].Frontiers in Ecology and the Environment，2007（5）：381-387.
[5]戴静，刘阳生.生物炭的性质及其在土壤环境中应用的研究进展[J].土壤通报，2013（6）：1520-1525.
[6]谢祖彬，刘琦，许燕萍，等.生物炭研究进展及其研究方向[J].土壤，2011（6）：857-861.
[7]Shinogi Y，Kanri Y. Pyrolysis of plant，animal and human waste：physical and chemical characterization of the pyrolytic products[J].Bioresource Technology，2003（3）：241-247.
[8]王燕，龐卓，贾月，等.生物炭对北京郊区砂土持水力和氮淋溶特性影响的土柱模拟研究[J].农业环境科学学报，2017（9）：1820-1828.
[9]Lehmann J. A handful of carbon[J].Nature，2007（7141）：143-144.
[10]唐行灿，陈金林，张民.生物炭对铜、铅、镉复合污染土壤的修复效果[J].广东农业科学，2014（12）：67-71.
[11]Tomaszewska M，Mozia S. Removal of organic matter from water by PAC/UF system[J].Water Research，2002（16）：4137-4143.
[12]李冲.花生壳生物炭用作高炉喷吹燃料的实验研究[D].武汉：武汉科技大学，2018.
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