生物質炭的特性及其應用的研究進展

孔絲紡，姚興成，張江勇，姚曉東，曾輝,

1. 北京大學深圳研究生院//深圳市循環經濟重點實驗室，廣東 深圳 518055；2. 北京大學城市與環境學院，北京 100871

生物質炭的特性及其應用的研究進展

孔絲紡1，姚興成1，張江勇1，姚曉東1，曾輝1,2*

1. 北京大學深圳研究生院//深圳市循環經濟重點實驗室，廣東 深圳 518055；2. 北京大學城市與環境學院，北京 100871

生物質炭是生物質原料在完全絕氧或部分缺氧條件下經高溫熱裂解產生的一類富碳、高度芳香化和高穩定性的固體產物。作為新型多功能材料，生物質炭以其特殊的物理結構、豐富的表面性能和優良的生態環境效應等特點日益成為眾多學科研究的前沿熱點。文章介紹了生物質炭的基本性質，概括了生物質炭在農業、環境、能源及生物質炭基功能材料等4個前沿領域的國內外應用研究進展，分析了目前各個應用領域研究存在的問題和不足，并指出了未來生物質炭應用研究的前景和方向。國內外研究表明：生物質炭因其豐富的孔隙結構和表面性能、巨大的比表面積、高含量的植物生長所需營養元素、較高的化學穩定性和較強的陽離子交換能力（CEC，cation exchange capacity），在土壤改良劑、固碳、氮減排、緩釋肥料載體、污水治理、煙氣凈化、土壤修復、固體成型燃料、燃料電池、固體酸催化劑和電極材料等領域具有巨大的應用前景。這些方面的研究都取得了一定的進展，但目前生物質炭應用技術的研究還處于起步階段，研究工作還有待于深入和加強。

生物質炭；農業；環境；能源；功能材料

生物質炭是指由富含碳的生物質在無氧或缺氧條件下經過高溫裂解生成的一種具有高度芳香化、富含碳素的多孔固體顆粒物質。它含有大量的碳和植物營養物質、具有豐富的孔隙結構、較大的比表面積且表面含有較多的含氧活性基團，是一種多功能材料。它不僅可以改良土壤、增加肥力，吸附土壤或污水中的重金屬及有機污染物，而且對碳氮具有較好的固定作用，施加于土壤中，可以減少CO2、N2O、CH4等溫室氣體的排放，減緩全球變暖（Ahmad等，2014；Nelissen等，2014；Tang等，2013）。

全球對生物質炭開展研究起源于對亞馬遜盆地中部黑色土壤（Terra Preta）的認識。2007年第一屆國際生物質炭會議在澳大利亞舉辦后，生物質炭成為了全球科技工作者關注的焦點和研究熱點。2009年《Nature》連續發表文章指出生物炭在固碳減排、土壤改良和環境污染治理中的潛在應用前景（Kleiner，2009；Woolf等，2010）。國際生物炭聯盟（International Biochar Initiative，IBI）的成立使得國際社會關于生物質炭的研究逐漸“升溫”并呈現快速發展趨勢。目前國內外關于生物質炭的應用研究主要集中在土壤改良、溫室氣體減排、受污染環境的治理與修復等農業與環境的應用領域，除此之外，生物質炭的利用對生物質能的推廣與應用、廢棄生物質資源化利用以及功能材料等領域也有著極高的應用價值和重要的現實意義。本文首先簡要介紹了生物質炭的性質，然后詳細綜述了近年來學術界關于生物質炭在農業、環境、能源以及功能材料等領域應用的研究進展及存在的問題，并指出了未來生物質炭技術及應用領域的研究方向。

1 生物質炭的特性

一般而言，應用不同基質在不同條件下得到的生物質炭，其物理化學性質有所不同，但同時也擁有很多共同的特性：生物質炭的組成元素主要為碳、氫、氧、氮等，其中炭的質量分數最高，能達到38%～76%，烷基和芳香結構是生物質炭中最主要的成分；除碳元素含量高之外，生物質炭中的 N、P、K、Ca、Mg的含量也較高（王懷臣等，2012）。

生物質炭一般呈堿性，其pH值一般為5～12，且制備生物質炭的熱解溫度越高時，生物質炭的pH值越高（王懷臣等，2012）。生物質炭中含有的礦質元素形成的碳酸鹽是生物質炭中堿性物質的主要存在形態，而生物質炭表面含有豐富的-COO-（-COOH）和-O-（-OH）等含氧官能團，是生物質炭中堿性物質的另一種存在形態（Yuan等，2011）。生物質炭表面豐富的含氧官能團形成了生物質炭良好的吸附特性、親水或疏水的特點以及對酸堿的緩沖能力。另外，含氧活性基團使生物質炭表面帶有負電荷，因而具有較高的陽離子交換能力（CEC）（王懷臣等，2012）。

生物質炭有著非常復雜的孔隙結構，孔隙大小不一。生物質炭的比表面積通常由其孔隙率決定。在一定溫度范圍內，比表面積隨熱解溫度的升高而增加。正是因為生物質炭有著豐富的孔隙結構和豐富的表面官能團，才使得它具有一定的持水性；但熱解溫度越高，生物質炭的持水性越弱，這是由于熱解溫度越高，導致生物質炭表面的極性官能團越少，表面疏水性增強，因而不易保持土壤間隙水（戴靜和劉陽生，2013）。

2 生物質炭的應用進展

正因為生物質炭具有豐富的孔隙結構、較大的比表面積、一定的持水性和表面豐富的官能團，使得它在許多領域有著廣泛的應用前景。目前它的應用研究主要集中在農業、環境、能源以及功能材料等領域。

2.1 在農業領域的應用

2.1.1 土壤改良劑

生物質炭作為土壤改良劑，對土壤的改良作用主要表現在4個方面：改善土壤的物理化學性質、改善土壤微生態環境、改善土壤微生物環境及降低有毒元素的生物有效性等。

由于生物質炭具有巨大的比表面積和豐富的表面官能團，不僅可以通過改變土壤的物理、化學和微生物學性質來實現改良土壤性能，增加土壤肥力的作用（武玉等，2014），同時也可以增加土壤有機質（SOM）的含量，提高土壤有效性營養元素的含量，改變土壤微生態環境，促進植物生長（楊放等，2012）。Novak等（2009）指出把核桃殼生物炭（pH值為7.3）加入到酸性土壤時，土壤的pH值會從4.8增到6.3。Oguntunde等（2008）研究發現，生物炭的施入能降低 9%的土壤容重，加深土壤色度，并且能使土壤總孔隙率從45.7%增加到了50.6%。有研究表明，在酸性及砂質土壤應用生物炭可以大大增加土壤對K+、Na+、Ca2+、Mg2+和NH4+的吸持能力（Jones等，2011；Yao等，2010）。袁金華和徐仁扣（2010）研究表明：稻殼炭能夠顯著降低土壤酸度，增加土壤交換性鹽基數量和 BSP（Base Saturation Percentage，土壤鹽基飽和度），從而可使土壤交換性鋁和可溶性鋁含量降低。Laird等（2010a）研究發現將生物質炭應用于農業土壤中后能明顯增加土壤的持水量和土壤的比表面積，且生物炭施入土壤后CEC提高了20%，且隨炭量增加而提高。生物質炭產生的電荷和巨大的比表面積對土壤和植物所需的營養元素（N、P等）有較強的吸附作用，也能減少養分的淋失，提高養分的利用效率和增加土壤肥力（武玉等，2014；楊放等，2012）。Laird等（2010b）發現，隨著生物炭施用量的增加，濾液中N、P、Mg和Si等含量顯著降低，施用20 g·kg-1生物炭，濾液中總氮和可溶性磷含量分別減少11%和69%。Pietikainen等（2000）研究認為生物炭通過增加pH提高微生物群落的呼吸代謝速率，改善微生物對基質的利用格局，進而改良土壤肥力。

另外許多學者認為（Rhodes等，2008；Topoliantz等，2005；周建斌等，2008），施用生物質炭能降低Al、Cu、Fe等重金屬可交換態的含量，增加Ca和Mg等植物必需元素的可利用性，同時起到土壤修復與促進作物生長的雙重效果。周建斌等（2008）研究表明，棉稈炭能夠通過吸附或共沉淀作用降低土壤鎘的生物有效性，其中小白菜可食部分鎘質量分數降低了49.43%～68.29%，根部鎘質量分數降低64.14%～77.66%。

2.1.2 固碳/氮減排

生物質炭作為一種具有高度穩定性的富碳物質，在其產生和儲存的過程中都能起到將生物質中碳素鎖定而避免經微生物分解等途徑進入大氣的功效，從而起到了增匯減排、減少溫室氣體排放（CO2、N2O和CH4等氣體）和影響氣候變化的積極作用（Lehmann，2007；Woolf等，2010）。

生物質炭能將植物光合作用所固定的有機碳轉化為惰性碳，使其不被微生物迅速礦化，從而實現固碳減排（Laird，2008），因此，生物質炭對緩解全球變暖意義重大。Lehmann（2007）估計，生物質炭每年最多可吸收 109t溫室氣體，超過2007年排放總量 8.5×109t的 10%（Lehmann，2007）。Woolf等（2010）指出，在不危及糧食安全、生存環境及土壤保護的情況下，應用生物質炭每年減排溫室氣體可高達1.8 Pg二氧化碳當量，占人類溫室氣體排放總量的12%。Kim等（2011）研究表明，不加生物質炭的土壤釋放 CO2的量顯著高于添加生物質炭土壤。除了碳封存，生物質炭直接還田還可大幅度減少農田土壤中氧化氮等溫室氣體的排放。Wang等（2011）發現生物質炭施入水稻土壤后土壤N2O排放平均值減少了73.1%，同時N2O累計排放抑制率高達51.4%～93.5%。盡管少數研究報道了生物質炭促進土壤N2O排放，一般認為，生物質炭施入土壤后能夠抑制或是減少N2O的排放，抑制率可達 90%以上（Wang等，2011）。生物質炭還能在減少土壤 CH4排放方面發揮巨大作用（Liu等，2011；Bossio等，1999；Yoo和Kang，2012）。Liu等（2011）在室內淹水培養條件下分別添加源自竹子和稻草秸稈的生物炭，發現添加竹炭生物炭和水稻秸稈生物炭的水稻土壤 CH4的排放量分別減少了 51.1%和 91.2%。Bossio等（1999）研究發現，將稻稈燃燒后還田，土壤氧化還原電位要比稻稈直接還田高50 mV，而前者 CH4釋放量只是后者的 1/5。Yoo和 Kang（2012）研究表明，玉米秸稈生物炭在水稻田小麥季施入，比在水稻季施入，能明顯地減少水稻季的CH4排放。

目前，關于生物炭對土壤CO2、N2O、CH4排放影響的研究很多，但由于不同學者所采用的實驗材料和研究方法存在較大的差異，所得出的結論也不盡相同。因此今后需加強生物質固碳減排的機理研究。

2.1.3 緩釋肥料載體

生物質炭具有高度的孔隙結構，可以增加土壤孔隙度及增強土壤保水能力，降低土壤體積質量（Novak等，2009；宋延靜和龔駿，2010），有利于植物根系生長；同時含有大量植物所需的營養元素，促進土壤養分循環和植物生長，延緩肥料養分在土壤中釋放和降低淋洗損失（Laird，2008）；還具有較高的生物學穩定性，較強的抵抗微生物分解的能力，可以增強土壤的固碳作用（Goldberg，1985），減少碳向大氣的釋放。因此可將生物質炭作為緩釋肥料載體，制成有機復合肥，實現對水和肥料有長效緩釋作用（張齊生等，2009）。將生物炭與肥料復合制備成生物炭基肥料成為生物炭農用的一個新的發展方向。

生物質炭基緩釋肥料作為新型肥料，能減緩肥料養分釋放速度，提高農作物對肥料利用率，改善土壤生態，減少農業生產對環境的污染（劉玉學等，2009）。Khan等（2008）用木炭在NPK肥料溶液中通過吸附法制備生物炭基復合肥，N、P、K養分均呈緩慢而恒穩釋放。盧廣遠等（2011）采用粘合劑將炭粉與化學肥料復合制備成炭基肥料，對玉米具有較好的增產效應。付嘉英等（2013）利用生物質炭與化肥混合制成的生物質炭基肥料進行田間試驗研究發現，與普通復合肥相比，施用的小麥秸稈炭基肥在總養分含量比普通復合肥減少 18%的條件下，小白菜的產量顯著地提高了45.03%。陳琳等（2013）利用 5種原料的生物質炭與化肥混合制作炭基復混肥進行試驗研究，發現與常規復混化肥比較，炭基肥處理施氮量減少19.94%，但水稻的經濟產量提高了 6.70%以上，其中小麥秸稈炭基肥處理增產幅度最高，達39.34%。蔣恩臣等（2014）研究發現與純顆粒尿素相比，生物質炭基尿素緩釋肥的緩釋性能有顯著提高，隨著生物質炭含量增加和肥料顆粒粒徑增大，緩釋性能顯著提高。高海英等（2013）以竹炭、木炭、硝酸銨為原材料，分別制備了竹炭基氮肥和木炭基氮肥，在壤土和砂土上，施用竹炭基氮肥和木炭基氮肥可顯著促進小麥、糜子的生長和增產，并能提高氮肥利用率，延長肥料養分在土壤中的存留期，減少養分淋失。

將生物質炭作為肥料載體制備的生物質炭基肥料，不僅可以促進作物生長和增產，還有利于生物質炭農用效益的提升，但目前該研究才剛剛起步，還需要進一步地深入研究。

2.2 在環保領域的應用

生物質炭的低成本、多孔性、環境高穩定性和巨大的比表面積以及富含活性基團，使得生物質炭對環境污染物具有強烈的吸附作用，因此在環境領域有著廣泛的應用前景。目前生物質炭在環保領域的應用主要包括污水處理、煙氣凈化和土壤修復等3個方面。

2.2.1 污水處理

生物質炭在污水凈化領域的應用主要是利用生物質炭去除廢水中的農藥、其他有機溶劑和重金屬離子等。陳寶梁等（2008）比較了不同炭化溫度下所制生物質炭吸附劑對有機污染物的吸附性能。研究發現生物質炭吸附劑對水中 4-硝基甲苯有較強的吸附能力，低于400 ℃時，隨著炭化溫度的升高，生物質炭吸附劑的吸附性能逐漸增大。Chen和Chen（2009）發現松樹枝生成的生物質炭可以有效去除污染水體中的萘、硝基苯以及間二硝基苯等環境污染物。Arvelakis等（2010）研究發現生物質炭對汞離子的吸附能力優于商業煤基活性炭。Uchimiya等（2011）用不同溫度生產的生物炭對水中和土壤中的Cd2+、Cu2+、Ni2+和Pb2+作了研究，發現隨著生物炭的pH升高，它對重金屬離子的吸附和固定加強。Liu和 Zhang（2009）用松樹和米糠生產的生物炭來研究生物炭對水中Pb2+吸附，發現生物炭表面大量的含氧基團對Pb2+有較強的吸附效應。陳再明等（2012）研究發現，在350、500、700 ℃下用水稻秸稈制備的生物炭對Pb2+的最大附量分別為65.3、85.7和76.3 mg·g-1，是原秸稈生物質的5～6倍、活性炭的2～3倍。

2.2.2 煙氣凈化

生物質炭對一些氣體包括 NH3、CO、SO2、H2S等也具有強大的吸附能力，還能對煙氣中的一些氣態Hg等有較強的吸附作用，用生物質炭吸附有害氣體具有操作簡單、經濟可行、效果良好等優點，因此可以將生物質炭用于氣體污染物治理領域，目前國內外在這方面的研究相對較少，還處于起步階段。Klasson等（2014）采用4種不同的原料（杏仁殼，棉籽殼，木質素，和雞糞）在4個不同溫度（350、500、650和800 ℃）下制備生物質炭，制得的生物質炭分別進行水洗和不水洗后進行煙氣脫汞的試驗研究。研究結果表明：在 650 ℃和 800 ℃下制得的生物質炭經過水洗后，能對煙氣中汞起到最好的脫除效果，汞的脫除率達到了95%以上（Klasson等，2014）。Shang等（2012）發現香樟樹枝制成的生物炭可以有效去除惡臭氣體中的硫化氫。Azargohar和Dalai（2011）用白木制備的生物炭對H2S惡臭氣體的脫除進行了研究，發現這種生物炭對 H2S的脫除效果比普通的純活性炭好。

2.2.3 土壤修復

由于生物質炭施用于土壤后能提高微生物活性，活性增強的微生物可以促進土壤中有害物的降解及失活，因此可以達到對土壤修復與治理的目的。Jones等（2011）研究表明：典型生物炭的應用能夠抑制西瑪津的生物降解速率并使其很難隨水遷移，因此生物炭可以減少殺蟲劑污染環境和通過食物鏈危害人類的危險。Yu等（2009）研究發現生物炭能明顯減少土壤中的殺蟲劑數量和洋蔥吸收的殺蟲劑量，其中850 ℃的生物炭效果最佳。Lou等（2011）發現生物炭的應用降低了浸出液的五氯苯酚質量濃度（從4.53 mg·L-1至0.17 mg·L-1）并明顯增加了發芽率和根系長度，因此生物炭可作為一種潛在的有機污染物的原位吸附劑。Chen和Yuan（2011）研究發現生物炭能夠加強土壤對多環芳烴的吸附，且應用了低溫（100 ℃）生產的生物炭土壤的吸附量與生物炭的應用量呈線性關系，其它溫度的生物炭也是呈正相關關系。Beesley和Marmiroli（2011）將400 ℃下制得的生物炭施入土壤后，發現土壤瀝出液中Cd和Zn的濃度分別降低了300倍和45倍。丁文川等（2011）將不同溫度下熱解的松木條生物炭用于修復重金屬Pb和Cd污染土壤，結果表明，生物炭加入具有鈍化土壤重金屬，降低其生物有效性的作用。

2.3 在能源領域的應用

2.3.1 固體生物質炭燃料

將生物質原料轉化為生物質炭，再將生物質炭作為燃料使用或轉化成生物質炭成型燃料，既能避免生物質燃料收集困難、體積大運輸成本高的弊端，還充分利用了生物質資源，并有望借此緩解全球能源危機。

吳琪琳等（2010）以板栗殼為原料，在550～750 ℃范圍內制備了固定碳質量分數為83%～ 91%的生物質炭，每千克生物質炭的熱值為30～35 MJ，達到了GB/T 17608—2006中一級精煤的標準。Abdullah和Wu（2009）以小桉樹木材為原料，在 300～500 ℃范圍內制備了生物質炭，其熱值（28 MJ·kg-1）與生物質（10 MJ·kg-1）相比提高了1.8倍，可與煤基燃料（26 MJ·kg-1）媲美。許紹良（2008）以木質素或者在以生物質為原料進行產品加工的過程中產生的包含有大量木質素成分的物質作黏合劑、生物質炭粉末和優質煤粉混合加工成為生物質炭半成品，再經過不低于 350 ℃的加熱炭化處理后成為成型生物質炭成品。祖元剛等（2009）將農林業植物加工剩余物高溫無氧熱解后得到的生物焦油、生物質炭粉等產物和 MgO、松節油調拌均勻，壓制成型，將其表面均勻涂布防水涂層而成一種固體生物燃料塊。未來生物質炭成型燃料研究工作的重點應是選擇和開發具有高黏結性、低成本、環保性能好的膠黏劑以及對成型工藝的優化。

2.3.2 燃料電池

生物質炭較高的比表面積、豐富的含氧官能團能促進電池的陽極反應（Li等，2009），而良好的導電性能以及較低的灰度則能降低歐姆極化，延長電池使用壽命，因此生物質炭是直接碳燃料電池理想的陽極材料。Elleuch等（2013）將杏仁殼生物質炭用作直接碳燃料電池中的燃料，發現生物質炭有很好的應用潛力，這種生物質炭燃料在700 ℃時提供了 1.07 V的開路電位。張居兵等（2010）以竹片為原料制備了比表面積為 1264.38m2·g-1，體積電阻率為1568.7 μΩ·m，灰分為7.14%的生物質炭，并研究發現所制備的竹質生物質炭比活性碳纖維與石墨炭材料具有更優的極化性能。Huggins（2014）等認為將木質基生物質炭用作微生物燃料電池電極可以顯著降低成本和碳足跡，且生物質炭較低的材料成本使得它的電力輸出成本比顆粒活性炭GAC和石墨顆粒GG的輸出成本便宜了90%。

2.4 在生物質炭基功能材料領域的應用

2.4.1 固體酸催化劑

生物質炭基固體酸催化劑因具有親油性好、催化效率高、穩定性好、易回收重復利用、對環境友好、制備成本低廉及可再生等優點越來越受到重視。

Kastner等（2012）將熱解花生殼和木屑得到生物質炭通過濃硫酸磺化制得了固體酸催化劑，發現它們對催化棕櫚酸和硬脂酸的酯化反應均表現出較高的活性，棕櫚酸轉化率可接近 100%。Li等（2013）以熱解稻殼炭為原料制備的固體酸催化劑表現出較高的催化酯化反應活性，在催化劑用量為5%、甲醇/油酸摩爾比為4、酯化溫度和時間分別為110 ℃和2 h的條件下，油酸的酯化率可達98.7%，該催化劑具有較好的穩定性，經7次連續反應后，油酸的酯化率仍可達 96.0%。陳茜茜和郭建忠（2014）以馬尾松木屑為原料，通過炭化、磺化法制備生物質炭基固體磺酸催化劑。通過正交試驗確定固體酸催化劑的最佳條件為反應時間 2 h、濃硫酸用量100 mL、催化劑用量13%、磺化溫度165 ℃、油酸轉化率可達91.36%。

2.4.2 電極材料

隨著新型材料的發展，生物質焦炭的導電性越來越受到關注。于英民等（2012）采用稻殼基多孔炭材料包覆聚苯胺制備了復合電極材料，研究結果發現當聚苯胺負載量達到 50%時，對復合材料的電化學性能產生明顯影響，最大比電容達308.7 F·g-1。劉樹和等（2012）以廉價的生物質廢棄物思茅松鋸末熱解炭制備了多孔炭電磁屏蔽材料，結果表明：在 130～1800 MHZ內，多孔炭的屏蔽效能在38.8～56.2 dB之間，屏蔽效果較好，并優于無孔炭材料。Li等（2010）的研究表明：通過將秸稈中溫炭化和后續的化學活化，可以制備具有高比電容的超級活性炭。肖正輝等（2011）以生物質秸稈炭化物為基礎炭材料制備超級電容器使用的活性炭，結果表明：酸處理可溶去炭材料中的無機組分，從而形成豐富的孔結構，導致炭材料比電容加大，循環伏安曲線顯示出良好的可逆特性；隨著處理時間延長，超級炭材料的比電容逐步加大，最高比電容達426.3 F·g-1，比原樣炭提高了50%以上，活性炭循環3000次后的比電容仍保持97.2%。

3 結論與展望

生物質炭資源廣泛，具有綠色且可持續發展的特點。在全球資源日益匱乏、環境污染問題日趨嚴重的今天，利用含碳量高的生物質廢棄物原料制備生物質炭不僅避免了環境污染并可生成新的能源，也是一種廢物資源化的良好途徑。目前國內外對生物質炭的研究還處于起步階段，當前生物炭的研究前景及有待解決的問題主要存在以下幾個方面：

（1）農業應用領域。雖然生物質炭的施用對土壤環境功能（改善土壤結構和理化性質、提高土壤利用效率并增加肥效、實現固碳減排）等有多方面的積極作用，但大量、長期施用生物質炭可能存在的環境風險和長期效果、生物質炭的碳匯穩定性和生態效應還不完全清楚；生物質炭對土壤和農業生態系統環境功能影響的機理目前還缺乏系統全面的研究；生物質炭基肥料的效果改善研究還處于起步階段，且目前的研究還停留在室內模擬與小規模的田間理論研究階段，后續生物質炭農業應用研究需要在這幾個方面予以加強。

（2）環保應用領域。生物質炭作為生物質熱解產物，一方面能實現對固體廢棄物的處置與資源化利用，減少固廢污染；另一方面因其特殊的理化性能，在水體污染治理、煙氣凈化和污染土壤修復方面有巨大的應用潛力。但目前缺乏生物質炭對不同污染物的吸附效應、吸附機制及生物質炭施用后土壤中污染物的遷移性和有效性影響方面系統深入的研究：多數研究只是利用某一種或某一類生物質炭對單一污染物進行凈化或吸附處理，但不同種類生物質炭的形狀、特點及吸附性能存在差異，且多數污染是以多種污染物復合污染的形式存在的，復合污染的作用及處理機制也有很大區別，需要專門研究。另外現有的機理研究也多數還處于定性描述階段，因此闡明生物炭吸附過程中不同作用機制對吸附的貢獻率以及生物炭的結構或表面化學基團對吸附貢獻的構-效關系研究也應該是未來的一個研究重點。

（3）能源應用領域。生物質炭作為一種新型的能源材料，有利于實現能源多元化，減少對化石燃料的依賴性并降低傳統化石能源帶來的環境污染。雖然生物質炭成型燃料有著優良的性能和廣闊的應用前景，但由于現有的膠黏劑及其成型工藝難以滿足成型燃料較高成型能力、較好的機械強度及低生產成本的要求，因此能夠作為高附加值商品化的成型生物質炭燃料還較少，未來生物質炭成型燃料研究工作的重點應是選擇和開發具有高黏結性、低成本、環保性能好的膠黏劑以及對成型工藝的優化；而對于生物質炭在燃料電池方面的研究還處于起步摸索階段，需要進一步地深入和加強。

（4）功能材料應用領域。現階段關于生物質炭在固體酸催化劑和電極材料方面的應用只是涉及生物質炭的催化性、可再生性和導電性，這只是生物質炭在功能材料領域應用的一個開端。今后的研究要開發新的生物質炭基固體酸制備技術，加強生物質炭在工業硅冶煉領域的研究，并開發多功能的生物質炭，例如，改善生物質炭的導電性、賦予生物質炭光敏性或磁場響應性，拓寬其在功能材料領域的應用范圍，為生物質廢棄物資源化利用提供一個新的途徑。

ABDULLAH H, WU H. 2009. Biochar as a Fuel: 1. Properties and Grindability of Biochars Produced from the Pyrolysis of Mallee Wood under Slow-Heating Conditions [J]. Energy & Fuels, 23(8): 4174-4181.

AHMAD M, RAJAPAKSHA A U, LIM J E, et al. 2014. Biochar as a sorbent for contaminant management in soil and water: a review [J]. Chemosphere, 99(6): 19-33.

ARVELAKIS S, CROCKER C, FOLKEDAHL B, et al. 2010. Activated Carbon from Biomass for Mercury Capture: Effect of the Leaching Pretreatment on the Capture Efficiency [J]. Energy & Fuels, 24(8): 4445-4453.

AZARGOHAR R, DALAI A K. 2011. The direct oxidation of hydrogen sulphide over activated carbons prepared from lignite coal and biochar [J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 89(4): 844-853.

BEESLEY L, MARMIROLI M. 2011. The immobilisation and retention of soluble arsenic, cadmium and zinc by biochar [J]. Environmental Pollution, 159(2): 474-480.

BOSSIO D A, HORWATH W R, MUTTERS R G, et al. 1999. Methane pool and flux dynamics in a rice field following straw incorporation [J]. Soil Biology and Biochemistry, 31(9): 1313-1322.

CHEN B, CHEN Z. 2009. Sorption of naphthalene and 1-naphthol by biochars of orange peels with different pyrolytic temperatures [J]. Chemosphere, 76(1): 127-133.

CHEN B, YUAN M. 2011. Enhanced sorption of polycyclic aromatic hydrocarbons by soil amended with biochar [J]. Journal of Soils and Sediments, 11(1): 62-71.

ELLEUCH A, BOUSSETTA A, YU J, et al. 2013. Experimental investigation of direct carbon fuel cell fueled by almond shell biochar: Part I. Physico-chemical characterization of the biochar fuel and cell performance examination [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 38(36): 16590-16604.

GOLDBERG E D. 1985. Black carbon in the environment. Properties and distribution [M]. New York: Wiley, 198.

HUGGINS T, WANG H, KEARNS J, et al. 2014. Biochar as a sustainable electrode material for electricity production in microbial fuel cells [J]. Bioresource Technology, 157(2): 114-119.

JONES D L, EDWARDS-JONES G, MURPHY D V. 2011. Biochar mediated alterations in herbicide breakdown and leaching in soil [J]. Soil Biology & Biochemistry, 43(4): 804-813.

KASTNER J R, MILLER J, GELLER D P, et al. 2012. Catalytic esterification of fatty acids using solid acid catalysts generated from biochar and and activated carbon [J]. Catalysis Today, 190(1): 122-132.

KHAN M, KIM K, WU M Z, et al. 2008. Nutrient-impregnated charcoal: an environmentally friendly slow-release fertilizer [J]. The Environmentalist, 28(3): 231-235.

KIM Y, MAKOTO K, TAKAKAI F, et al. 2011. Greenhouse gas emissions after a prescribed fire in white birch-dwarf bamboo stands in northern Japan, focusing on the role of charcoal [J]. European Journal of Forest Research, 130(6): 1031-1044.

KLASSON K T, BOIHEM J L L, UCHIMIYA M, et al. 2014. Influence of biochar pyrolysis temperature and post-treatment on the uptake of mercury from flue gas [J]. Fuel Processing Technology , 123: 27-33.

KLEINER K. 2009. The bright prospect of biochar [J]. Nature Reports Climate Change, 3: 72-74.

LAIRD D A, FLEMING P, DAVIS D D, et al. 2010a. Impact of biochar amendments on the quality of a typical Midwestern agricultural soil [J]. Geoderma, 158(3-4): 443-449.

LAIRD D A. 2008. The charcoal vision: A win-win-win scenario for simultaneously producing bioenergy, permanently sequestering carbon, while improving soil and water quality [J]. Agronomy Journal, 100(1): 178-181.

LAIRD D, FLEMING P, WANG B, et al. 2010b. Biochar impact on nutrient leaching from a Midwestern agricultural soil [J]. Geoderma, 158(3-4):436-442.

LEHMANN J. 2007. A handful of carbon[J]. Nature, 447(7141): 143-144.

LI M, CHEN D, ZHU X. 2013. Preparation of solid acid catalyst from rice husk char and its catalytic performance in esterification [J]. Chinese Journal of Catalysis, 34(9): 1674-1682.

LI X, HAN C, CHEN X, et al. 2010. Preparation and performance of straw based activated carbon for supercapacitor in non-aqueous electrolytes [J]. Microporous and Mesoporous Materials, 131(1-3): 303-309.

LI X, ZHU Z, CHEN J, et al. 2009. Surface modification of carbon fuels for direct carbon fuel cells [J]. Journal of Power Sources, 186(1): 1-9.

LIU Y, YANG M, WU Y, et al. 2011. Reducing CH4 and CO2emissions from waterlogged paddy soil with biochar [J]. Journal of Soils and Sediments, 11(6): 930-939.

LIU Z, ZHANG F. 2009. Removal of lead from water using biochars prepared from hydrothermal liquefaction of biomass [J]. Journal of Hazardous Materials, 167(1-3): 933-939.

LOU L, WU B, WANG L, et al. 2011. Sorption and ecotoxicity ofpentachlorophenol polluted sediment amended with rice-straw derived biochar [J]. Bioresour Technol, 102(5): 4036-4041.

NELISSEN V, SAHA B K, RUYSSCHAERT G, et al. 2014. Effect of different biochar and fertilizer types on N2O and NO emissions [J]. Soil Biology and Biochemistry, 70: 244-255.

NOVAK J M, BUSSCHER W J, LAIRD D L, et al. 2009. Impact of Biochar Amendment on Fertility of a Southeastern Coastal Plain Soil [J]. Soil Science, 174(2): 105-112.

OGUNTUNDE P G, ABIODUN B J, AJAYI A E, et al. 2008. Effects of charcoal production on soil physical properties in Ghana [J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 171(4): 591-596.

PIETIKAINEN J, KIIKKILA O, FRITZE H. 2000. Charcoal as a habitat for microbes and its effect on the microbial community of the underlying humus [J]. Oikos, 89(2): 231-242.

RHODES A H, CARLIN A, SEMPLE K T. 2008. Impact of black carbon in the extraction and mineralization of phenanthrene in soil [J]. Environmental Science & Technology, 42(3): 740-745.

SHANG G, SHEN G, WANG T, et al. 2012. Effectiveness and mechanisms of hydrogen sulfide adsorption by camphor-derived biochar [J]. Journal of the Air & Waste Management Association, 62(8): 873-879.

TANG J, ZHU W, KOOKANA R, et al. 2013. Characteristics of biochar and its application in remediation of contaminated soil [J]. J Biosci Bioeng, 116(6): 653-659.

TOPOLIANTZ S, PONGE J F, BALLOF S. 2005. Manioc peel and charcoal: a potential organic amendment for sustainable soil fertility in the tropics [J]. Biology and Fertility of Soils, 41(1): 15-21.

UCHIMIYA M, WARTELLE L H, KLASSON K T, et al. 2011. Influence of pyrolysis temperature on biochar property and function as a heavy metal sorbent in soil [J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 59(6): 2501-2510.

WANG J, ZHANG M, XIONG Z, et al. 2011. Effects of biochar addition on N2O and CO2 emissions from two paddy soils [J]. Biology and Fertility of Soils, 47(8): 887-896.

WOOLF D, AMONETTE J E, STREET-PERROTT F A, et al. 2010. Sustainable biochar to mitigate global climate change [J]. Nat Commun, 1(5): 1-9.

YAO F X, ARBESTAIN M C, VIRGEL S, et al. 2010. Simulated geochemical weathering of a mineral ash-rich biochar in a modified Soxhlet reactor [J]. Chemosphere, 80(7): 724-732.

YOO G, KANG H. 2012. Effects of biochar addition on greenhouse gas emissions and microbial responses in a short-term laboratory experiment [J]. J Environ Qual, 41(4): 1193-1202.

YU X, YING G, KOOKANA R S. 2009. Reduced plant uptake of pesticides with biochar additions to soil [J]. Chemosphere, 76(5): 665-671.

YUAN J, XU R, ZHANG H. 2011. The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures [J]. Bioresource Technology, 102(3): 3488-3497.

陳寶梁, 周丹丹, 朱利中, 等. 2008. 生物碳質吸附劑對水中有機污染物的吸附作用及機理[J]. 中國科學 B輯: 化學, 38(6): 530-537.

陳琳, 喬志剛, 李戀卿, 等. 2013. 施用生物質炭基肥對水稻產量及氮素利用的影響[J]. 生態與農村環境學報, 29(5): 671-675.

陳茜茜, 郭建忠. 2014. 生物質炭基固體磺酸的制備及其酸催化性能研究[J]. 化學研究與應用, 26(2): 316-320.

陳再明, 方遠, 徐義亮, 等. 2012. 水稻秸稈生物碳對重金屬Pb～(2+)的吸附作用及影響因素[J]. 環境科學學報, 32(4): 769-776.

戴靜, 劉陽生. 2013. 生物炭的性質及其在土壤環境中應用的研究進展[J]. 土壤通報, 44(6): 1520-1525.

丁文川, 曾曉嵐, 王永芳, 等. 2011. 生物炭載體的表面特征和掛膜性能研究[J]. 中國環境科學, 31(9):1451-1455.

付嘉英, 喬志剛, 鄭金偉, 等. 2013. 不同炭基肥料對小白菜硝酸鹽含量、產量及品質的影響[J]. 中國農學通報, 29(34): 162-165.

高海英, 陳心想, 張雯, 等. 2013. 生物炭和生物炭基氮肥的理化特征及其作物肥效評價[J]. 西北農林科技大學學報: 自然科學版, 41(4): 69-78.

蔣恩臣, 張偉, 秦麗元, 等. 2014. 粒狀生物質炭基尿素肥料制備及其性能研究[J]. 東北農業大學學報, 45(11): 89-94.

劉樹和, 趙淑春, 林志偉, 等. 2012. 生物質多孔炭的電磁屏蔽性能研究[J]. 材料導報, 26(8): 13-16.

劉玉學, 劉微, 吳偉祥, 等. 2009. 土壤生物質炭環境行為與環境效應[J].應用生態學報, 20(4): 977-982.

盧廣遠, 張艷, 王祥福, 等. 2011. 炭基肥料種類對土壤物理性質及玉米產量的影響[J]. 河北農業科學, 15(5): 50-53.

宋延靜, 龔駿. 2010. 施用生物質炭對土壤生態系統功能的影響[J]. 魯東大學學報: 自然科學版, 26(4): 361-365.

王懷臣, 馮雷雨, 陳銀廣. 2012. 廢物資源化制備生物質炭及其應用的研究進展[J]. 化工進展, 31(4): 907-914.

吳琪琳, 王光學, 韓浩, 等. 2010. 一種疏松多孔結構板栗殼基生物質炭的制備方法: 中國, ZL 201010216651.6[P]. 2010-11-24. http:// publicquery.sipo.gov.cn/index.jsp?language=zh_CN

武玉, 徐剛, 呂迎春, 等. 2014. 生物炭對土壤理化性質影響的研究進展[J]. 地球科學進展, 29(1): 68-79.

肖正輝, 李學良, 邢高瞻. 2011. 酸處理對秸稈基活性炭電化學性能的影響[J]. 硅酸鹽學報, 39(4): 596-600.

許紹良. 2008. 一種生產高強度后成型生物質炭的生產方法: 中國, CN 101168677 A[P]. 2008-04-30. http://publicquery.sipo.gov.cn/index.jsp? language=zh_CN

楊放, 李心清, 王兵, 等. 2012. 生物炭在農業增產和污染治理中的應用[J]. 地球與環境, 40(1):100-107.

于英民, 潘健, 邢偉. 2012. 聚苯胺/生物質炭復合材料的制備與電容性能研究[J]. 昆明理工大學學報: 自然科學版, 37(6): 33-37.

袁金華, 徐仁扣. 2010. 稻殼制備的生物質炭對紅壤和黃棕壤酸度的改良效果[J]. 生態與農村環境學報, 26(5): 472-476.

張居兵, 仲兆平, 郭厚焜, 等. 2010. 直接碳燃料電池竹質活性炭的制備[J]. 中國電機工程學報, 30(23):108-113.

張齊生, 周建斌, 屈永標. 2009. 農林生物質的高效、無公害、資源化利用[J]. 林產工業, 36(1): 3-8.

周建斌, 鄧叢靜, 陳金林, 等. 2008. 棉稈炭對鎘污染土壤的修復效果[J].生態環境, 17(5):1857-1860.

祖元剛, 楊磊, 孫國勇, 等. 2009. 一種固體生物燃料塊的制備方法: 中國, CN 101434881 A[P]. 2009-05-20. http://publicquery.sipo.gov.cn/ index.jsp?language=zh_CN

Review of Characteristics of Biochar and Research Progress of Its Applications

KONG Sifang1, YAO Xingcheng1, ZHANG Jiangyong1, YAO Xiaodong1, ZENG Hui1,2
1. Shenzhen Graduate School of Peking University//Shenzhen Key Laboratory of Circular Economy, Shenzhen 518055, China 2. College of Environmental and Urban Science, Peking University, Beijing 100871, China

Biochar is the solid residue with high carbon content, most aromatic structure and great stability resulting from high-temperature thermal conversion of biomass materials under the completely or partially anoxic condition. As a new multifunctional material, biochar has attracted extensive concern and become research focus at home and abroad because of its special physical structure, rich surface properties, and excellent ecological and environmental effects. In this paper, the basic properties of biochar were firstly introduced. Then the research progress of its application in the fields of agriculture, environment, energy and function material were summarized in detail. The current problems and insufficiency existing in biochar application studies were discussed. In addition, possible hotspots for future study on biochar were analyzed. Due to its abundant pore structure and surface properties，large specific surface area，high contents of essential nutrients for plants, high chemical stability and cation exchange capacity (CEC, cation exchange capacity), biochar has great application prospect and got certain research progress in soil amendment，carbon (nitrogen) sequestering and greenhouses (nitrogen) emission reduction，slow-release fertilizer carrier, wastewater treatment, flue gas purification, soil restoration, solid molding fuel, fuel cell, solid acid catalyst and electrode materials. However, the biochar application technology research is still in its infancy, so there are still many problems in the application areas, which need to be improved. Future research would focus on the following aspects: the environmental risk and influence mechanism of biochar to the function of soil and agricultural ecosystem; the influence law of migration and effectiveness of biochar to pollutants in different media and biochar adsorption mechanism of different pollutants; development of a new adhesive with high bondability, low cost and high environmental performance and an optimized biochar fuel molding process; in-depth fuel cell application research; development and application of multifunctional biochar materials, etc. The study could provide a reference on applications and promotion of biochar technology.

biochar; agriculture; environment; energy; functional materials

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.04.025

X142

A

1674-5906（2015）04-0716-08

孔絲紡，姚興成，張江勇，姚曉東，曾輝. 生物質炭的特性及其應用的研究進展[J]. 生態環境學報, 2015, 24(4): 716-723.

KONG Sifang, YAO Xingcheng, ZHANG Jiangyong, YAO Xiaodong, ZENG Hui. Review of Characteristics of Biochar and Research Progress of Its Applications [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(4): 716-723.

國家自然科學青年基金項目（41201532）；國家自然科學基金重大項目（41390240）；廣東省自然科學基金項目（2014A030313720）；深圳市戰略性新興產業發展專項資金項目（JCYJ20120614151558529）

孔絲紡（1981年生），女，助理研究員，博士，主要從事生物質能源技術的開發及土壤修復的研究。E-mail: mengsiksf@163.com *通信作者。E-mail: zenghui@pkusz.edu.cn

2015-02-02