生物炭的制備工藝及應用領域

姜 穎

（黑龍江省寰弘農業科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

生物炭（biochar）是由廢棄生物質在無氧條件下、完全或部分缺氧的環境下，通過高溫熱解產生的一類高度芳香化、物化特性穩定、抗分解能力強的富含碳素的固態物質，多為粉狀顆粒。另外，生物炭含有大量微小的孔隙結構和較大的比表面積，現已成為國內外研究的一大熱點。科學家發現在生物炭原材料的開發和制備工藝等方面的研究具有重要意義，可以使廢棄生物質有效利用，進而改善生態環境，并在農業生產、環境保護及新能源領域方面得到廣泛應用。

1 生物炭的制備工藝

我國豐富的生物質資源為生物炭的制備提供了優異的原材料，如香蒲、蘆葦、玉米秸稈、橘子皮、水葫蘆、辣木籽殼、杏仁殼、胡麻籽殼、甜菜根以及漢麻桿芯等，均可被用來制備生物炭。生物炭的制備工藝為：熱解（慢速、中速和快速熱解）、氣化、水熱碳化、微波碳化及閃蒸碳化等，制備工藝的不同是因在制備條件方面有所差異，最終造成產物構成（液體（生物油）、固體（生物炭）、氣體（合成氣體））比例有所不同，具體參照金梁等[1]研究。另外，基于不同的制備工藝及不同程度的改良，形成了物化特性各異，用途不同的生物炭，如齊慧等[2]研究了在生物炭制備過程中采用輻照預處理促進生物炭微孔的均勻形成以及弱芳香化合物的形成。

2 生物炭的主要性質

生物炭的主要性質包括物理性質和化學性質。物理性質主要是指比表面積、顆粒粒徑、孔隙度、吸附性和機械強度等，生物炭的比表面積大、疏松多孔，吸附能力強。化學性質主要是指元素組成、表面官能團種類、O/C比、陰陽離子交換及酸堿度等。生物炭富含碳元素，但因原材料的不同會使制備的生物炭的元素組成（鈣、鉀、鎂等）及含量也有所不同，而其pH值通常呈堿性。生物炭表面官能團（酚、醚、醌和酮類物質）是吸附和化學反應活性位點，其越豐富，越能更好地清除污染物。

3 生物炭的應用領域

3.1 農業領域的應用

生物炭富含碳元素可作為土壤改良劑，改善土壤的理化性質，增加土壤中有機碳和有機質的含量；其又富含礦質養分，可提高土壤吸持水分和養分補給的能力；生物炭可調節土壤中微生物菌群結構和生物量及土壤酶活性，提高土壤微生物群落的多樣性、土壤氮磷鉀、有機質、水分含量并促進根瘤菌、叢枝狀菌根菌的侵染和繁殖；生物炭具有豐富的微孔結構、較大的比表面積和較多的表面官能團種類使其可減少可溶性離子的損失，提高土壤保持肥水能力和土壤的陽離子交換量（CEC），還能吸附土壤中的重金屬（如Pb、Cd、As、Zn、Cr等）和有機污染物等；生物炭還可以改善土壤的通透性，改變土壤結構，降低土壤容重及密度；生物炭基肥料可提高肥料利用率，其相對于單獨施用肥料，能夠賦予肥料養分緩釋性。

生物炭對于作物的生長也有影響，對作物生長有促進作用，其與肥料、礦物質肥配施效果顯著。生物炭除了富含碳素（C）以外，還富含大量的無機礦物組分，如N、P、K、Ca、Mg、Si、S、Fe等；同時其吸收的營養成分可被作物根系吸收利用，進而促進作物的生長發育，增強產量和品質。此外，生物炭因其表面含有特殊物質（羥基苯甲酸丁酯和鄰羥基芐醇）還可防止蟲害的發生。

3.2 環境領域的應用

不合理的污水灌溉、廢氣排放、施肥措施、農藥和重金屬制品的使用會導致土壤污染，使營養元素不能被利用而流入水體中，造成水體富營養化，引起農業面源污染。生物炭的施入不僅可以吸附土壤中的重金屬元素、農藥中的有機污染物，還可以抑制氮、磷的流失，改善農業污染狀況。生物炭作為穩定性碳源，固碳能力強，可減少農田溫室氣體的排放，影響全球碳循環[3]。生物炭還在污水處理方面有突出貢獻，可吸附水中的重金屬和工業生產產生的污染氣體，有效控制污染物排放。

3.3 能源領域方面的應用

由于生物炭在理化性質方面的優點，其在能源領域具有廣泛的應用和發展前景。生物炭極性化性能優，在制作直接碳燃料電池時作為陽極材料，將燃料炭的化學能直接轉化為電能，具有少污染物、高能量密度及廣原材料的優點[4]。生物炭作為燃料使用，既使廢棄生物質得到有效利用，又具有其他生物質燃料不具備的優點，污染小、熱值高、燃燒性能好、效率高，被廣泛應用于供暖、發電等方面，調節我國能源結構。而且，生物炭制備過程中產生的生物油可再利用于合成氨和生物柴油燃料等領域。

4 結語

生物炭作為一個重要的資源，在農業、環境以及能源等方面發揮著明顯的作用，具有較大的開發利用潛能。針對不同領域的具體需求，生物炭的制備工藝也有所不同，會使生物炭產生不同的理化性質，更好地、更充分地、更有效地得到利用。要加強生物炭深層次的研究，科學合理的應用生物炭，以促進我國農業、環境、工業等方面的可持續發展。