生物质炭的特性和应用研究进展

GuangzhouChemicalIndustry

Vol郾48No郾9May郾2020

生物质炭的特性和应用研究进展

魏晶晶,王志鸽,张浩然,王慧春

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(青海师范大学生命科学学院,青海省青藏高原药用动植物资源重点实验室,青海摇西宁摇810008)摘摇要:生物质炭是生物质原料在完全绝氧或部分缺氧条件下通过高温热裂解方式形成的一种富碳、高度芳香化和高稳定

性的固体产物。作为新型的多功能材料,生物质炭因具有原料易得、孔隙发达、比表面积大、生态环境安全等优点而备受关注。本文介绍了生物质炭的基本性质,阐述了生物质炭在农业、环境、功能材料以及能源领域中的应用研究状况,分析了目前存在的一些问题,并展望了生物质炭的应用前景。

关键词:生物质炭;高温热裂解;功能材料;应用摇

中图分类号:X705摇摇摇摇

摇文献标志码:A摇摇摇摇

文章编号:1001-9677(2020)09-0016-03

ResearchProgressonCharacteristicsandApplicationsofBiochar*

WEIJing-jing,WANGZhi-ge,ZHANGHao-ran,WANGHui-chun

(CollegeofLifeofQinghaiNormalUniversity,KeyLaboratoryofMedicinalPlantandAnimalResources

inQinghaiProvince,QinghaiXining810008,China)

Abstract:Biocharisacarbon-rich,highlyaromaticandhighlystablesolidproductformedbypyrolysisofbiomassrawmaterialsundercompleteorpartialanoxicconditions郾Asanewtypeofmulti-functionalmaterial,biocharhasattractedmuchattentionbecauseofitsadvantages,suchaseasyavailabilityofrawmaterials,developedpores,largespecificsurfaceareaandeco-friendly郾Thebasicpropertiesofbiocharwereintroduced,itsapplicationandresearchstatusinagriculture,environment,functionalmaterialsandenergyfieldwereexpounded,someexistingproblemswereanalyzed,andtheapplicationprospectsofbiocharwereforecasted郾

Keyswords:biochar;hightemperaturepyrolysis;functionmaterials;application

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郾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

摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇

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考。

1摇生物质炭及其特性

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益)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摇生物质炭的应用

2郾1摇农摇业

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

CO2、CH4和N2O气体对温室效应的贡献率约80%。农业

基金项目:青海省自然科学基金面上面项目(2019-ZJ-913)。

第一作者:魏晶晶(1996-),女,在读硕士研究生,研究方向为化学生态学。

通讯作者:王慧春(1974-),女,博士,教授,硕士生导师,研究方向为生物质资源可持续利用。

第48卷第9期魏晶晶,等:生物质炭的特性和应用研究进展摇17

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

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7t·hm-2生物[18]果更显著[13]。生物质炭对稻田CH4气体排放也有很好的抑制

2郾4摇能摇源

研究,并成功用于了锂离子电池、钠离子电池和超级电容器。

此外,生物质炭粉碎后用来制作生物质炭纳米材料[37]。生物质炭作为固体酸催化剂,因亲油性好、稳定性强、制备成本低廉及可再生等优点越来越受到重视。以马尾松木屑为原料,通过炭化、磺化法制备的生物质炭基固体磺酸催化剂,催化油酸和甲醇的酯化反应,在最佳反应条件下,使油酸转化率达91郾36%[38]。将花生壳和木屑为原料热解制备的生物质炭基固体酸催化剂,催化酯化反应时,底物转化率接近100%[39]。生物质含有较高的热值,将生物质转化为生物质炭,再将生物质炭作为固体燃料使用,这样既能解决生物质燃料收集困质炭,2年内连续施用3次后玉米产量翻倍增长。黄超等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郾54%~4郾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郾2摇环摇境

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]堆肥成熟时间,显著降低堆肥过程中的氨挥发。生物质炭会缩短猪粪[22]中,生物质炭使堆体氨挥发显著降低且高温期。另外,在鸡粪堆肥研究

,同时在一定程度上减少了CH4和CO2的排放量NH+向NH转化减少[23]4

3的

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[24]生物质炭,。用双氧水做活化剂提高了生物质炭的中孔率研究表明,达到水质处理与有机污染物循环利用的双重效果,通过椰壳水热炭化技术得到中孔结构的,同时也714增物质炭介孔材料mg·g加了表-1,面除污量较高的含氧官能[25]团,对罗丹明B的吸附量达到了,。孔径较大生物质炭对废水中的,。表面官能团较丰富在180益下制备得的核桃壳生Pb2+、Cu,2+对、CrHg6++的吸附率高达98%[26]等也具有很好的去除效果[27-28]负电荷的官能团与重金属发生螯合形成配位键,这主要是生物质炭表面含有大量带[29]2郾3摇功能材料

。

、离子键,从而可以有效去除重金属生物质炭材料作为一种新型材料,还具有质量轻、气孔率高、耐高温、耐酸碱、结构稳定、易导电、易传热、易加工等一系列优异性能,可广泛应用于高温隔热材料、催化剂载体[30]、吸附材料、过滤材料及双电层电容器和电池电极等方面用稻米壳生物质炭材料组装的锂离子电池具有较高的可逆电容。利量,为1055mAh/g[31]电池中,竹质生物质炭比活性碳纤维与石墨炭材料具有更优的。在流化床电极直接碳燃料电池阳极半极化性能[32]。此外,稻壳[33]、麦秸[34]、高粱[35]、杏仁壳[36]等均被科研工作者以不同的活化方法与制备手段进行了详细的

难、体积大运输成本高等困难,还能充分利用生物质资源,缓解能源危机。对油茶外果皮炭、板栗外果皮炭、山核桃外果皮炭、杉木炭、松木炭、稻秆炭和竹炭的燃烧特性进行了研究,结果发现,板栗外果皮炭、油茶外果皮炭、稻秆炭、山核桃外果皮炭的着火温度较低,分别为351郾8、356郾7、375郾3、392郾6益,而松木炭、杉木炭和竹炭的热值较高,是作基炭的较佳材料,油茶、板栗、山核桃3种坚果外果皮炭可作为助燃添加剂[40]以板栗壳为原料,于550~750益范围内制备了固定碳质量分。数为83%~91%的生物质炭,其热值可达30~35MJ/kg,达到一级精煤的国家质量标准[41]无氧热MgO、解后,得到生物焦油。、也有研究将农林业的废弃物高温生物质炭粉等产物,然层得到一种固体生物燃料块松节油调拌均匀,压制成型[42],将其表面均匀涂布防水涂后与并掺混一定比例的尿素或者消石灰喷入炉膛。采用生物质炭作为再燃燃料,能够有效降低煤,燃烧时尾部烟气中总汞含量[43]3摇结摇语

。

生物质炭原料易得,制备简单,具有绿色和可持续发展特点。利用废弃的生物质资源制备生物质炭材料不仅避免了环境污染,也是废弃物资源化利用的有效途径。目前,虽然国内外对生物质炭的研究取得了一定进展,但依然存在以下问题尚待进一步解决下制备的生物质炭(1)生物质成分颇为复杂:

,其理化性质存在一定差异,不同种生物质原料在相同条件;同种生物质材料在不同制备条件下,所得生物质炭的理化性质也存在差异。而具有不同理化性质的生物质炭其应用性能必然存在差异,因此,尚需进行系统而全面的研究,理清生物质原料、制备条件、生物质炭理化性质及其应用性能间的关联性等方面有一定积极作用(2)虽然生物质炭的添加对改善土壤肥力。

,但大量、长期使用生物质炭后是否存、促进作物增产在环境风险,目前尚不清楚。

染物的净化处理(3)目前大多数研究只利用某种或某类生物质炭对单一污,但实际上多数污染是以多种污染物复合污染所致,生物质炭对不同污染物的吸附效应、去除机制以及生物质炭使用后污染物的迁移转化方面仍缺乏系统和深入研究催化剂方面(4)在功能材料方面,今后可在多领域进行拓展,生物质炭只涉及电极材料和固体酸。

,如在工业硅冶炼领域,以开发出多功能生物质炭材料。

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