生物质炭的特性和应用研究进展

绿色发展已经贯穿中国新时期国民经济发展战略布局，而废弃物治理及其资源化利用是国家绿色发展战略的核心组成部分[1]。农业废弃物是我国废弃物的主要来源，主要包括种植业废弃物、农产品加工废弃物、畜禽粪便等[2]。其中，农作物秸秆每年就有7亿吨左右，畜禽粪便约有3吨，蔬菜废弃物约有1.5亿吨。60%以上农业废弃物被随意堆放、丢弃或用作生活燃料造成环境污染[3-4]。随着全球农业的发展和农产品数量的不断增长，农业废弃物的排放量呈现日益增长的态势，其合理利用管理成为全球亟待解决的一个重要农业和环境问题[5]。另外，这些农业废弃物含有丰富的碳和植物所需的营养元素[6]，若能加以合理利用，不仅可以缓解严峻的农业环境污染问题，还可有效解决生物质资源短缺问题。近几年来，生物质炭作为一种新型环境功能材料，在农作物增产、环境治理及肥料创新等领域引起广泛关注。独特的理化性质决定了生物质炭的多功能用途。它不仅可以改良退化土壤增加肥力，还能吸附土壤或污水中的重金属及有机污染物，对温室气体减排也有一定贡献。本文归纳总结了生物质炭的特性及其在不同领域的应用研究概况，探讨了生物质综合利用产业未来的发展方向，以期为构建具有地方区域特色的生物质资源综合利用技术体系提供参考。

1 生物质炭及其特性

生物质炭(biochar)是指生物质(如农作物秸秆、木质材料、牲畜粪便等农业废弃物、有机废弃物以及其他生物质)在缺氧或少氧的环境中通过高温(<700 ℃)热裂解和炭化作用获得的一类难溶的、稳定的、高度芳香化且富含碳素的固态物质[7]。其具有特殊的多孔性结构、较高的孔隙度、较大的比表面积以及极强的吸附能力。不同原料制备出的生物质炭普遍具有相似性，即主要由紧密且不规则堆积的芳香环片层组成[8]。芳香化程度越高生物质炭稳定性越强，而生物质炭的芳香化程度与原料类型、热解条件等有密切关系[9-10]。

2 生物质炭的应用

2.1 农 业

CO2、CH4和N2O气体对温室效应的贡献率约80%。农业是产生这3种温室气体的重要来源之一[11]。生物质炭本身碳素含量较高，施于农田后必会影响农田系统的碳素循环。研究发现，随着生物质炭输入量的增加，土壤中活性有机碳比例逐渐降低，惰性碳累积量逐渐增大，进而减少了 CO2排放[12]。配施生物质炭与CaO会使红壤旱地CH4、CO2和N2O气体减排效果更显著[13]。生物质炭对稻田CH4气体排放也有很好的抑制作用，且随着生物质炭添加量的增加抑制作用越强[14]。有关生物质炭的近5年试验研究表明，将生物质炭施用于农田，具有显著改善土壤功能和促进土壤生态系统服务的作用[15]。在栽培小白菜的土壤中，添加了不同园林废弃物生物质炭后，均提高了小白菜产量，且小白菜产量与生物质炭的添加量呈正相关关系，表明生物质炭对部分蔬菜生长具有显著的促进作用[16]。据Kimetu和Lehmann[17]报道，在贫瘠土壤中添加7 t·hm-2生物质炭，2年内连续施用3次后玉米产量翻倍增长。黄超等[18]研究发现生物质炭有效改善了低肥力酸性红壤，促进黑麦草的生长。据刘园等[19]报道，低用量生物质炭对潮土作物产量并无影响，中、高用量处理可以提高作物产量4.54%～4.92%。生物炭对作物产量的促进并不是都是正效应。张晗芝等[20]研究发现，生物质炭对玉米苗期的生长有显著地抑制作用。这可能是生物质炭施用后，提高了土壤pH值，使土壤中某些营养元素的有效性降低所致。由此可见，生物质炭对于农田作物产量的促进作用还需视土壤类型和性质、作物类型、生物质炭特性和使用量而定。

2.2 环 境

近年来，随着奶牛养殖业规模化、集约化的迅速发展，粪便的集中排放造成的环境问题日益凸显。生物质炭具有促进粪便堆肥与吸附环境污染物的能力。在羊粪堆肥试验中，添加麦秆生物质炭，可缩短进入高温发酵阶段的时间，减少氮素损失，加快C/N降低速率，增加肥力[21]。生物质炭会缩短猪粪堆肥成熟时间，显著降低堆肥过程中的氨挥发，同时在一定程度上减少了CH4和CO2的排放量[22]。另外，在鸡粪堆肥研究中，生物质炭使堆体氨挥发显著降低且高温期向NH3的转化减少[23]。

此外，生物质炭表面具有芳香族化合物和含氧官能团，对有害金属离子以及有机污染物有很强的吸附能力。若将生物质炭应用于废水处理中，其富集的有机物、磷、氮后的炭材料能够直接转化为能源，达到水质处理与有机污染物循环利用的双重效果[24]。研究表明，通过椰壳水热炭化技术得到中孔结构的生物质炭，用双氧水做活化剂提高了生物质炭的中孔率，同时也增加了表面的含氧官能团，对罗丹明B的吸附量达到了714 mg·g-1，除污量较高[25]。在180 ℃下制备得的核桃壳生物质炭介孔材料，孔径较大，表面官能团较丰富，对Cr6+的吸附率高达98%[26]。生物质炭对废水中的Pb2+、Cu2+、Hg+等也具有很好的去除效果[27-28]，这主要是生物质炭表面含有大量带负电荷的官能团与重金属发生螯合形成配位键、离子键，从而可以有效去除重金属[29]。

文章来源：《功能材料与器件学报》 网址: http://www.gnclyqjxb.cn/qikandaodu/2021/0419/745.html