秸稈生物炭特性、制備方法及應用價值

曾洪珊 楊 禮 張亞琦 羅育才* 向國紅 段仁燕

（1.冷水江市第一中學，湖南 婁底 417500；2.湖南人文科技學院農(nóng)業(yè)與生物技術學院，湖南 婁底 417000）

20世紀末，已經(jīng)有科學家把生物炭作為概念提出。經(jīng)過多年的發(fā)展和環(huán)境的破壞后，生物炭的技術已經(jīng)受到全世界的矚目。目前，對于生物炭的各項研究正在朝著目標多元化和技術更先進的方向發(fā)展。

近些年來，我國經(jīng)濟高速發(fā)展，機械化不斷提高，大量的農(nóng)作物秸稈被廢棄在農(nóng)田中。許多農(nóng)民無法處理這些秸稈，只有將其焚燒。這不僅污染了大氣環(huán)境，還浪費了優(yōu)良的生物炭原料。如何在不造成環(huán)境污染的前提下，將秸稈變廢為寶、提高利用率，是當前亟待解決的問題。生物炭作為一種重要的可再生資源，主要以農(nóng)業(yè)廢棄物如秸稈，動物糞便等為原料，在厭氧或缺氧的條件下，經(jīng)一定的溫度熱解碳化后，可生產(chǎn)出具有較高的碳含量、較大的比表面積，形態(tài)穩(wěn)定的固態(tài)物質。除了C，還包括 H、O、N、S 以及少量的微量元素[1]。2020年，秸稈炭基肥利用增效技術更是入選了農(nóng)業(yè)農(nóng)村部十大引領性技術，極大推進了秸稈炭基肥的市場前景。

本文在簡述生物炭研究進展的基礎上，講述秸稈生物炭的工藝流程和在農(nóng)業(yè)上的應用，就秸稈生物炭的技術及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展中出現(xiàn)的相關問題進行探討，為將來的秸稈生物炭研究和技術開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向提供參考。

1 秸稈生物炭的概念及特性

秸稈生物炭是將收獲的農(nóng)作物秸稈在儀器中形成缺氧條件，然后經(jīng)過熱裂解形成的富碳產(chǎn)物，其內部元素組成超過60%為類石墨結構的C元素[2]；秸稈生物炭還含有的元素主要為H、O、N、S。其中，秸稈生物炭的元素組成與秸稈生物炭的加工溫度密切相關。一般而言，C含量與溫度成正比，H和O含量與溫度成反比。秸稈生物炭很難溶于水，結構中的羥基、羧基、酚羥基及脂肪族鏈狀等特征，使其具有對一些物質高的吸附力和抗氧化力[3]。

一般來說多數(shù)生物炭呈堿性，pH在5.9～12.3之間，平均pH為8.9，是改良酸性土壤的最佳選擇[4]。生物炭的比表面積是生物炭質量高低的重要標準。高的比表面積生物炭，具有高的孔隙率，能夠被用作土壤改良劑還田，提高產(chǎn)量、實現(xiàn)碳封存。有研究證實，在制備生物炭時加入適量的CO2，可有效提高生物炭的比表面積[5]。

2 秸稈的主要來源

秸稈資源的分布與自然地理環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟條件有著密切的關系，區(qū)域差異大。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部統(tǒng)計，2016年我國秸稈產(chǎn)量達9.84億噸，位居世界第一位，且以每年3%速率增加。當前，我國秸稈資源主要為水稻、玉米、小麥秸稈，這三個作物提供了我國約83.51%的生物炭材料。甘蔗，油菜等其他作物秸稈作為次要來源占比較小。鐘華平等[6]研究表明，我國秸稈資源總量自1949年以來呈線性增長趨勢，且以糧食作物秸稈增長為主；隨著農(nóng)業(yè)植結構的調整和種植技術的提高，次要秸稈來源在1980年后產(chǎn)量才急劇增長。有研究報道，在2019年，我國華中、華東和東北這些地區(qū)的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量約4.8億噸，超過全國產(chǎn)量的60%；而西北、西南和華北地區(qū)的秸稈資源產(chǎn)量相對較低，約占全國的30%。

3 秸稈生物炭的制備方法

炭化、干餾、氣化多聯(lián)產(chǎn)等方法是比較常用方法。此外，科研人員也開發(fā)了如水熱炭化、微波熱解、催化熱解、加壓熱解等新技術。由于這些技術成本高，現(xiàn)階段未能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，快速熱解制備生物油時也會生成一定的生物質炭，但其生物質炭的產(chǎn)率低，還存在油品質量和設備的安全性、連續(xù)穩(wěn)定性及經(jīng)濟性等問題，也未能形成規(guī)模化產(chǎn)業(yè)。

生物炭的制備也從以前的炭化法和土窯式燒制，發(fā)展成為機械化、隧道式和立式炭化爐[7]。炭化爐的升級不僅減輕了工人的工作量，而且提高了安全性和產(chǎn)出量，為生物炭的發(fā)展提供物質基礎。干餾法也是制備生物炭的常用方法，它是在密閉的空間，通過高溫加熱材料，分解生物質的反應過程，生成生物質炭、混合氣體以及經(jīng)冷凝形成的液體。由于傳熱過程不均勻，反應室溫度存在一定差異，導致干餾法生產(chǎn)的產(chǎn)品性能存在一定差異。常用的干餾法主要有立式干餾和臥式干餾。

4 秸稈生物炭的作用

4.1 吸附重金屬與催化降解有機物

相比碳材料和活性炭等其他材料，秸稈生物炭具有價格低廉和環(huán)境附加值高等優(yōu)勢，讓秸稈生物炭有著較廣闊的應用。例如，氮銅生物炭比單獨含有其中某一元素的生物炭相比有更好催化能力，其中氮銅生物炭對硝基苯酚的去除效率為97%[8]。實驗中300℃條件下，我們如果使用FeCl3預處理后的稻草來制備生物炭材料，我們所獲得的生物炭比表面積為263.2m2·g-1，對 Cu2+的吸附量可達85.0mg·g-1，其吸附性能比700℃條件下制備的秸稈生物炭更有效，但是該條件下制備的稻草生物炭的比表面積為357.8m2·g-1，這一數(shù)據(jù)比700℃條件制備出的秸稈生物炭要低不少。

4.2 對土壤性質的影響

有研究表明，與沒有添加秸稈生物炭的對照處理相比，土壤的持水能力在加入秸稈生物炭后會提高18%[9]。魏永霞等[10]在東北黑土區(qū)通過兩年的田間試驗發(fā)現(xiàn)，生物炭最高可以降低8.70%的黑土容重，最高可以增加3.40%的孔隙度，可以顯著改善土壤結構；劉卉等[11]在湖南煙土區(qū)天中加入秸稈生物炭，后經(jīng)過采樣分析，得出土壤容重會降低，田間持水能力會有所加強，秸稈生物炭可促進烤煙植株的生長發(fā)育，提高上等煙的產(chǎn)出比例。劉園等[12]在北方潮土上開展了2個完整的小麥玉米輪作田間小區(qū)試驗，設置4個不同的秸稈生物炭用量，結果表明施用中高量的秸稈生物炭可以小幅度增加小麥玉米產(chǎn)量。

4.3 對PH的影響

多數(shù)生物炭呈堿性，對酸性土壤改良和作物生長有一定的促進作用。李明等[13]在土壤中添加兩種秸稈生物炭后，相比對照而言，秸稈生物炭處理酸性土壤的PH有一定的改善；張祥等[14]研究了紅壤和黃棕壤兩種不同酸性土壤的理化性質，在弱酸性黃棕壤和強酸性紅壤中施用秸稈生物炭都能改善土壤pH，紅壤改良效果優(yōu)于黃棕壤，最高增加pH0.61，且隨著秸稈生物炭施用量而增加，土壤肥力指標不斷改善。

4.4 對土壤營養(yǎng)成分的影響

劉卉等[15]在灰黃土上通過大田試驗研究了不同生物炭用量的植煙土壤養(yǎng)分含量，認為秸稈生物炭施用量在3750kg/hm2的水平下較為適宜。張晗芝等[16]證實，加入秸稈生物炭后，可一定程度提升種植玉米的土壤全氮、有機碳含量。

4.5 對作物的影響

世界上的作物種類繁多，相同的生物炭在生產(chǎn)條件、原料以及土壤類型、作物種類等方面的差異，生物炭施入土壤后對作物的影響不盡相同。余端等[17]研究了秸稈生物炭對小白菜生長發(fā)育的影響，結果表明，添加4%～8%秸稈生物炭能夠促進小白菜的生長發(fā)育，添加12%左右的秸稈生物炭會產(chǎn)生抑制作用；張繼旭等[18]通過實驗也得出類似結論，適量（0.2%～1.0%）秸稈生物炭可以促進烤煙的生長發(fā)育，較高的秸稈生物炭（5.0%）反而有抑制作用。秸稈生物炭不僅有利于健康農(nóng)田的作物產(chǎn)量，而且有利于干旱、高鹽度、重金屬等環(huán)境脅迫條件下的作物產(chǎn)量形成。當然，秸稈生物炭對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響會因作物種類和土壤類型而異。

5 結論與展望

我們常用的方法是通過熱解方式將作物秸稈轉化成秸稈生物炭，不僅保護了環(huán)境，而且將秸稈中的C轉化為一種更為高效的物品使用。目前，循環(huán)使用應是秸稈生物炭應用的著眼點。在難以進行秸稈還田的地區(qū)，示范推廣秸稈生物炭還田技術，符合因地制宜的原則，是科學、合理、可行的做法。用秸稈生物炭來提高耕地質量，消減秸稈焚燒，實現(xiàn)固碳減排和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。秸稈生物炭的制備應該是我國具有發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)之一。