生物炭的制備與表征比較研究

金俊偉黃曉慧

摘要：目前，國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)資源非常豐富，如果不能對(duì)其進(jìn)行妥善處理，會(huì)嚴(yán)重造成環(huán)境危害以及資源浪費(fèi)。傳統(tǒng)的生物質(zhì)處理方式有堆肥、焚燒以及作為肥料直接農(nóng)用等，這些處理方式都各有弊端，而通過(guò)熱化學(xué)處理方式得到的生物炭相對(duì)來(lái)說(shuō)更加低成本、綠色并且性能穩(wěn)定。因此，本文研究總結(jié)了不同生物質(zhì)的原料，通過(guò)不同熱化學(xué)處理方式在不同的熱化學(xué)處理?xiàng)l件下，制備得到的生物炭的理化性質(zhì)，從而為未來(lái)生物炭的應(yīng)用提供一定的理論參考和科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：生物炭；熱化學(xué)處理；理化性質(zhì)

中圖分類號(hào)：X53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671-864X（2016）09-0299-01

一、引言

以前，國(guó)內(nèi)外使用的能源主要來(lái)源為化石燃料，但化石燃料的燃燒會(huì)釋放大量的CO2，從而引起全球變暖，同時(shí)通過(guò)燃燒也會(huì)釋放硫和氮的氧化物而造成空氣的污染①，而且化石燃料為不可再生能源，繼續(xù)使用化石燃料不符合現(xiàn)在可持續(xù)發(fā)展的綠色理念。與其相比，生物質(zhì)炭因其生物質(zhì)來(lái)源廣泛、資源豐富、含碳量高、燃燒特性優(yōu)良等，有潛力作為化石燃料的替代品②。傳統(tǒng)的生物質(zhì)處理方式如堆肥、焚燒以及作為肥料直接農(nóng)用等都各有弊端，而通過(guò)熱化學(xué)處理方式得到的生物炭相對(duì)來(lái)說(shuō)更加低成本、綠色并且性能穩(wěn)定③。然而，生物炭的理化性質(zhì)又受到其熱化學(xué)處理方式、熱化學(xué)處理?xiàng)l件以及生物質(zhì)來(lái)源的不同而各不相同。因此，本文研究總結(jié)了這些影響要素對(duì)生物炭理化性質(zhì)的影響效果，從而為未來(lái)生物炭的應(yīng)用提供一定的理論參考和科學(xué)依據(jù)。

二、生物炭主流的熱化學(xué)生產(chǎn)方式

（一）熱解。

熱解是生物質(zhì)中的有機(jī)成分在缺氧的條件下，在一定的溫度范圍內(nèi)被熱分解的過(guò)程④。在熱分解的過(guò)程中，半纖維素、纖維素和木質(zhì)素在不同的溫度下分解產(chǎn)生固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種產(chǎn)物，固態(tài)和液態(tài)的產(chǎn)物分別被叫做焦炭和生物油，而氣態(tài)的產(chǎn)物包含一氧化碳、二氧化碳、氫氣和碳?xì)浠衔锊⒈缓戏Q為熱解氣。同時(shí)，熱解又因其熱解溫度增加速率的快慢被分為快速熱解和慢速熱解。此外，在熱解過(guò)程中影響生物炭理化性質(zhì)的因素包括熱解溫度、加熱速率和熱解停留時(shí)間，而且生物炭的理化性質(zhì)還受到不同的生物質(zhì)來(lái)源的影響，其中熱解溫度和原料是影響生物炭理化性質(zhì)的主要因素。

（二）氣化。

氣化是通過(guò)熱化學(xué)處理方式局部氧化生物質(zhì)的過(guò)程，在此過(guò)程中，使用氣化氣體（如空氣、水蒸氣、氧氣、二氧化碳等）將碳質(zhì)材料轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)產(chǎn)物的過(guò)程⑤。在氣化的過(guò)程中，氣態(tài)產(chǎn)物（氫氣、一氧化碳、氮?dú)獾龋?、液態(tài)產(chǎn)物（焦油）以及固態(tài)產(chǎn)物（焦炭和灰分）分別被形成。一般來(lái)說(shuō)，氣化的主要機(jī)制被分為四個(gè)過(guò)程，分別是干燥、熱解、氧化或燃燒以及氣化。此外，氣化產(chǎn)物的特性主要受氣化氣體的影響。

（三）水熱碳化。

水熱碳化是將生物質(zhì)與水混合放在一個(gè)密閉的反應(yīng)器中在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱化學(xué)處理，在此過(guò)程中，水壓提升以保證水穩(wěn)定在液態(tài)狀態(tài)下。此外，生物質(zhì)通過(guò)水熱碳化處理分別在炭化溫度250℃以下、250-400℃以及400℃以上得到的產(chǎn)物分別為生物炭、生物油和氣態(tài)產(chǎn)物。然而，水熱碳的產(chǎn)率和理化性質(zhì)主要受到水熱碳化溫度、水熱碳化時(shí)間以及生物質(zhì)和水的比率的影響。

三、不同熱化學(xué)處理下的生物炭的表征

（一）熱解炭的表征。

一般來(lái)講，熱解炭的產(chǎn)率隨著熱解溫度的升高而下降，而熱解氣的產(chǎn)率隨熱解溫度的上升而增加。大部分的生物質(zhì)通過(guò)熱解后，其官能團(tuán)數(shù)量、灰分含量、pH值和炭的穩(wěn)定性隨著熱解溫度的上升而增加。同時(shí)，熱解過(guò)程因熱解溫度增加速率的快慢又被分為快速熱解和慢速熱解，而在較快的熱解溫度增加速率下熱解得到的生物炭具有更低的揮發(fā)分和更高的灰分含量。此外，不同的生物質(zhì)原料通過(guò)熱解得到的生物炭的理化性質(zhì)各不相同。一般而言，動(dòng)物糞便和固體廢棄物較農(nóng)作物廢棄物生物質(zhì)通過(guò)熱解得到的生物炭擁有更高的灰分含量，而后者通過(guò)熱解得到的生物炭較前者擁有更高的炭含量以及更大的比表面積和更發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)。此外，熱解停留時(shí)間對(duì)生物炭的產(chǎn)率和其他性質(zhì)有一定的影響，但較熱解溫度以及原料對(duì)生物炭理化特性的影響來(lái)講，影響較小。一般而言，通過(guò)慢速熱解得到的生物炭的產(chǎn)率在30%左右，其固定碳的含量在95%左右，而通過(guò)快速熱解得到的生物炭的產(chǎn)率在12%至26%之間，其固定碳含量在74%左右。

（二）氣化處理下的生物炭的表征。

因?yàn)樯镔|(zhì)的氣化處理的主要目標(biāo)是為了獲取氣態(tài)產(chǎn)物，所以通過(guò)氣化處理的生物質(zhì)的生物炭產(chǎn)率很低，大約是原生物質(zhì)5-10%左右，也低于快速熱解處理得到的生物炭的產(chǎn)率。同時(shí)，因氣化氣體的不同導(dǎo)致由氣化處理所產(chǎn)生的焦炭的理化性質(zhì)在的各不相同。此外，通過(guò)氣化處理得到的生物炭的產(chǎn)率一般在10%左右。

（三）水熱炭的表征。

水熱炭的理化性質(zhì)因其水熱碳化溫度、壓力、水熱碳化停留時(shí)間和生物和水的比例的不同而各不相同。一般而言，隨著水熱碳化的反應(yīng)溫度和停留時(shí)間的增加，水熱炭的產(chǎn)率隨之下降，然而隨著生物質(zhì)與水的比率增大，水熱炭的產(chǎn)率隨著上升。此外，通過(guò)水熱碳化處理得到的生物炭的產(chǎn)率在66%以下，而其固定碳含量大于70%。

四、結(jié)論

本文通過(guò)研究總結(jié)了生物炭不同的熱化學(xué)處理方式，主要包括熱解、氣化和水熱碳化，并分析總結(jié)了生物炭各種熱化學(xué)處理方式的內(nèi)容和特點(diǎn)，從而歸納分析不同熱化學(xué)處理方式對(duì)其產(chǎn)生的生物炭的理化性質(zhì)的影響。分析總結(jié)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)通過(guò)熱解、氣化和水熱碳化得到的主要產(chǎn)物分別是固態(tài)產(chǎn)物、氣態(tài)產(chǎn)物和液態(tài)產(chǎn)物，其理化性質(zhì)也各不相同。

注釋：

①Q(mào)，Zhang.J.，Chang，T.，et.，2007.Energy Convers.Manage.48，87.

②Shen，Y.S.，Wang，S.L.，Tzou，Y.M.，Kuan，W.H.，2012.Removal of hexvalent Cr by coconut coir and derived chars - the effect of surface functionality.Bioresource Technol.104，165-172.

③Yao，Y.，Gao，B.，et.，2012.Adsorption of sulfamethoxazole on biochar and its impact on reclaimed water irrigation.J.Hazard.Master.209，408-413.

④Fonts，I.，Azuara，M.，Gea，G.，Murillo，M.B.，2009.Study of the pyrolysis liquids obtained from different sewage sludge.J.Anal.Appl.Pyrol.85，184–191.

⑤Liu Z，Zhang.，2009.Removal of lead from water using biochars prepared from hydrothermal liquefaction of biomass.J Hazard Mater.167：933–935.

作者簡(jiǎn)介：金俊偉（1991-），男，漢族，河南新鄉(xiāng)人，浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，在讀農(nóng)業(yè)碩士，農(nóng)業(yè)資源利用專業(yè)，研究方向：農(nóng)業(yè)廢棄物資源利用。

黃曉慧（1990-），女，漢族，河南周口人，浙江農(nóng)林大學(xué)法政學(xué)院，在讀農(nóng)業(yè)碩士，農(nóng)業(yè)科技組織與服務(wù)專業(yè)。