生物質(zhì)炭的特性及其應(yīng)用研究

胡富民++李甘

摘 要：闡述并分析了生物質(zhì)炭的特性，并以此為依據(jù)，介紹生物質(zhì)炭在各領(lǐng)域中的應(yīng)用，希望能夠從理論層面上為推進(jìn)生物質(zhì)炭相關(guān)研究進(jìn)展提供一點(diǎn)指導(dǎo)與支持。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)炭；特性；應(yīng)用

一、引言

所謂的生物質(zhì)炭，就是在無氧或缺氧環(huán)境中，對含碳生物質(zhì)進(jìn)行高溫裂解處理而得來的高度芳香化、富含碳素的多孔固體顆粒。生物質(zhì)炭的碳與植物營養(yǎng)物質(zhì)含量很高，其孔隙結(jié)構(gòu)也比較豐富，比表面積較大，有很多含氧活性基團(tuán)附著在其表面，并且這種材料也具有比較豐富的功能。例如在土壤中使用可以使土壤性質(zhì)得到改善，對污染物進(jìn)行吸收，能夠有效固定碳、氮，又比如能夠?qū)厥覛怏w排放起到控制作用。可見，關(guān)于生物質(zhì)炭的特性及應(yīng)用研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、生物質(zhì)炭特性分析

通常情況下，根據(jù)基質(zhì)與條件的不同，生成的生物質(zhì)炭的物理與化學(xué)性質(zhì)也存在一定的差異，然而它們在很多方面的特性卻是相同的。例如生物質(zhì)炭都是由碳、氧、氮與氫等元素組成，其中碳具有最好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，生物質(zhì)炭中烷基和芳香結(jié)構(gòu)則占據(jù)主要地位。此外，生物質(zhì)炭的氮、鎂、鈣等元素也具有較高的含量。

大部分情況下生物質(zhì)炭都呈堿性，其pH值在5～12的范圍內(nèi)，在制備過程中，隨著熱解溫度的提升，生物質(zhì)炭的pH相應(yīng)的也更高。在生物質(zhì)炭中，堿性物質(zhì)的存在形態(tài)以含有礦質(zhì)元素形成的碳酸鹽為主，其中有大量含氧官能團(tuán)存在于生物質(zhì)炭表面，例如-COO-（-COOH）、-O-（-OH），這也是生物質(zhì)炭堿性物質(zhì)存在形態(tài)的一種。由于表面的含氧官能團(tuán)量很大，因此生物質(zhì)炭的吸附特性比較優(yōu)異，并且在酸堿的緩沖能力方面也比較突出。此外，由于含氧活性基團(tuán)的存在，生物質(zhì)炭表面帶有負(fù)電荷，因此在陽離子交換方面，生物質(zhì)炭的能力也相對突出。

生物質(zhì)炭的孔隙結(jié)構(gòu)豐富且復(fù)雜，孔隙之間的大小也存在差異。一般情況下，生物質(zhì)炭的孔隙率決定了其比表面積。如果在一定的溫度條件下，熱解溫度與比表面積成正比例關(guān)系。基于此，持水性也是生物質(zhì)炭的一大特深。然而，隨著熱解溫度的進(jìn)一步升高，生物質(zhì)炭的持水性將會(huì)降低，究其原因，就在于在高熱解溫度條件下，生物質(zhì)碳表面的極性官能團(tuán)數(shù)量相對較少，進(jìn)而強(qiáng)化了表面疏水性，因此土壤間隙水難以得到保持。

三、生物質(zhì)炭的應(yīng)用研究

1.農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，生物質(zhì)炭的功能十分豐富，例如可以將其用作土壤改良劑、緩釋肥料載體以及固碳/氮減排等等。以土壤改良劑的應(yīng)用為例，生物質(zhì)炭的作用主要可以從土壤物理化學(xué)性質(zhì)、土壤微生態(tài)環(huán)境、土壤微生物環(huán)境以及有毒元素控制等四個(gè)方面得到體現(xiàn)。生物質(zhì)炭的比表面積非常大，其表面官能團(tuán)數(shù)量也十分豐富，除了可以對土壤各方面性能進(jìn)行改善，使土壤肥力得到增加，同時(shí)也可以使土壤有機(jī)質(zhì)含量得到提升，這對于植物生長而言有著十分積極的作用與影響。

又比如在固碳/氮減排方面，生物質(zhì)炭的碳含量非常高，其穩(wěn)定性非常強(qiáng)，在生產(chǎn)與存儲(chǔ)時(shí)能夠鎖定生物質(zhì)中的碳素，使微生物分解進(jìn)入大氣的情況得到有效避免，如此一來，生物質(zhì)炭就能夠?qū)崿F(xiàn)增匯減排的作用，可以對溫室氣體排放加以有效控制，為氣候變化提供積極的影響。

此外，生物質(zhì)炭的孔隙結(jié)構(gòu)非常豐富，能夠使土壤孔隙度得到提升，也可以實(shí)現(xiàn)土壤保水能力的強(qiáng)化，進(jìn)而使土壤體積質(zhì)量得到控制，對于植物根系生長有著積極的影響。與此同時(shí)，生物質(zhì)炭所含營養(yǎng)元素量非常高，對于土壤養(yǎng)分循環(huán)與植物生長而言也起到重要作用，能夠使肥料養(yǎng)分在土壤中的釋放得到延緩，再者，生物質(zhì)炭的生物學(xué)穩(wěn)定性也很強(qiáng)，因此能夠?qū)ξ⑸锓纸馄鸬降钟饔茫M(jìn)而實(shí)現(xiàn)土壤固碳作用的強(qiáng)化，使碳排放到大氣的情況得到控制。因此作為緩釋肥料載體具有較強(qiáng)的可行性與適用性。

2.環(huán)保領(lǐng)域

生物質(zhì)炭的生產(chǎn)成本不高，再加上上文所述的各項(xiàng)特性，使其在環(huán)境污染物的吸附能力方面也比較突出，因此，如果在環(huán)保領(lǐng)域?qū)ι镔|(zhì)炭加以運(yùn)用，必然可以取得比較理想的效果。例如在污水處理中，生物質(zhì)炭可以用作廢水中農(nóng)藥、其他有機(jī)溶劑以及重金屬離子的去除。又比如在煙氣凈化方面，生物質(zhì)炭可以有效吸附CO、SO2、NH3等氣體，并且還可以吸附煙氣中的氣態(tài)Hg。在有害氣體的凈化中，生物質(zhì)炭的應(yīng)用也相對便捷，在經(jīng)濟(jì)性、可行性以及有效性方面都具有突出優(yōu)勢。當(dāng)然，現(xiàn)階段，關(guān)于生物質(zhì)炭在氣體凈化中的應(yīng)用研究相對較少，因此需要我們圍繞此進(jìn)行進(jìn)一步完善，提高生物質(zhì)炭的應(yīng)用價(jià)值。此外，在土壤修復(fù)中，生物質(zhì)炭的應(yīng)用效果也比較理想。在土壤中施用生物質(zhì)炭，可以使微生物活性得到提升，進(jìn)而為土壤中有害物的降解提供支持，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)土壤的修復(fù)與治理。

3.能源領(lǐng)域

在能源領(lǐng)域中生物質(zhì)炭也具有極高的應(yīng)用價(jià)值，例如可以將生物質(zhì)炭作為固體燃料。通過生物質(zhì)原料的轉(zhuǎn)化，然后進(jìn)行進(jìn)一步處理，可以得到生物質(zhì)炭成型燃料，這樣可以降低生物質(zhì)炭燃料的收集難度，減小運(yùn)輸成本，同時(shí)也可以提高生物質(zhì)資源的利用率，對于緩解能源危機(jī)而言有著積極作用。例如由相關(guān)研究人員就將小桉樹木材作為原料進(jìn)行生物質(zhì)炭的制取，相較于生物質(zhì)，其熱值提升了近1.8倍，完全可以代替煤基燃料。

此外，將生物質(zhì)炭用于燃料電池也具有較強(qiáng)的可行性。生物質(zhì)炭的比表面積較高，含氧官能團(tuán)也非常豐富，在電池陽極反應(yīng)中，生物質(zhì)炭能夠起到很好的推動(dòng)作用，其導(dǎo)電性能優(yōu)異，灰度也比較低，能夠使歐姆極化降低，使電池使用壽命得到延長，因此對于直接碳燃料電池陽極材料而言，生物質(zhì)炭是一個(gè)比較不錯(cuò)的選擇。

四、結(jié)語

總而言之，生物質(zhì)炭資源非常豐富，其各方面特性都非常突出，在各領(lǐng)域中都具有很高的應(yīng)用價(jià)值。隨著人們環(huán)保意識(shí)的提升，合理運(yùn)用生物質(zhì)炭，為環(huán)境保護(hù)工作提供有力支持具有重要意義。作為相關(guān)研究人員，我們應(yīng)致力于生物質(zhì)炭應(yīng)用實(shí)踐中存在問題的分析，并采取有效優(yōu)化方法，使生物質(zhì)炭的應(yīng)用價(jià)值得到進(jìn)一步提升。

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