生物炭制备方法及其应用的研究进展
秸秆制作生物炭的研究进展
秸秆制作生物炭的研究进展摘要】：我国是农业生产大国，每年因农业生产大量的废弃秸秆，目前还没有大量回收利用的途径。
许多研究已经说明生物炭在当前环境变暖的情况下具有重要的调节作用。
近年来对于秸秆的回收利用有许多的研究，本文综述了近年来秸秆望生物炭方向利用的进展，为以后秸秆的回收利用提供了参考。
【关键词】：生物炭秸秆炭化应用我国每年因农业生产而产生的秸秆至少有7亿吨，不少的研究人员虽然对一些秸秆的深加工和综合使用的环节进行了许多较为细致的研究，但受各方面条件的限制，目前没有一项技术进行了大面积的推广或在一定范围内大量使用。
尤其是还没有成功的模式能利用各种作物秸秆大量或局部替代农村主要燃料煤，在当今电及电器兴旺情况下，即使家里面需要燃料也很少有人把地里的秸秆拿回家去当燃料。
这也就是为什么每年农村田地里的大面积荒烧现象，这种现象不仅造成了每年数以亿吨的生物质资源的白白大量浪费，还造成了大气的严重污染。
有专家称秸秆燃烧是北方地区雾霾严重的原因之一。
在这种情况下，秸秆往生物炭的方向的研究利用被提上日程，并显得日益紧迫起来。
一、秸秆利用现状据估计，每年全球因农业生产而产生的废弃生物质的资源量可以到达1000亿t以上，这只是估计的数值，可想而知具体的数字是无法准确估量的，这是一个巨大的、可再生和取之不尽、可以持续利用的资源。
综合利用废弃的生物质，不但可以解决其随意弃置而产生的环境污染的问题，还可以生产生物炭，也可以获得生物质能源，使废弃有机生物质的附加值、有效利用率和污染问题的管理得到有效的提高，有助于解决弃置、燃烧、随意排放的产生环境污染问题。
所以废弃有机生物质的利用方法和加工技术应该被人们重视起来。
二、秸秆制作生物炭简单来说，生物炭是将木柴、农作物秸秆或其他的有机生物质通过特定的在炭化条件下形成的，经过高温环境下一系列的物理和化学反应，在缺氧或是完全无氧的环境条件下，是一种碳元素含量极其丰富的物质，这种主要由生物有机质通过物理和化学反应形成的，以固定碳元素为目的的炭被科学家们称之为“生物炭〞。
生物炭在土壤固碳方面的应用研究进展
生物炭在土壤固碳方面的应用研究进展生物炭是一种由生物质在无氧或低氧环境下热解而成的固碳材料。
它具有具有孔隙结构、高比表面积和良好的化学稳定性等特点，因此被广泛应用于土壤改良和碳固定领域。
下面将对生物炭在土壤固碳方面的应用研究进展进行探讨。
首先，生物炭作为土壤改良剂可以提高土壤质量，增强土壤水分保持能力和肥力。
研究表明，生物炭可以增加土壤水分保持能力，减少土壤中的水分蒸发和流失。
它的孔隙结构可以增加土壤孔隙度，改善土壤通气性和保水性，提高土壤肥力和作物产量。
此外，生物炭还可以吸附和保持土壤中的营养物质，如氮、磷、钾等，减少营养物质的流失，提高土壤肥力。
因此，生物炭在土壤改良方面的应用有助于固碳并提高土壤质量。
其次，生物炭可以降低甲烷和氧化亚氮等温室气体的排放。
研究发现，生物炭可以吸附和稳定有机物质，使其不易分解为甲烷等温室气体的前体物质。
此外，生物炭还可以提高土壤中的微生物活性，促进土壤中的硝化和反硝化过程，从而减少氧化亚氮的产生和排放。
因此，生物炭在减少温室气体排放方面具有潜力。
此外，生物炭还可以延缓土壤有机碳的分解和氧化过程，将其长期储存在土壤中。
研究发现，生物炭具有较高的化学稳定性，可以在土壤中长期存在。
它的孔隙结构可以保护生物质和有机质免于微生物分解，延缓有机碳的氧化过程。
此外，生物炭具有很长的生命周期，可以将固定的碳长期储存在土壤中，有效减少大气中的二氧化碳浓度。
总之，生物炭作为一种固碳材料，在土壤固碳方面具有广泛的应用潜力。
它可以改善土壤质量和水分保持能力，减少温室气体排放，延缓有机碳的分解和氧化过程。
然而，生物炭的应用还面临一些问题，如生产成本高和施用量的确定等。
因此，还需要进一步的研究来解决这些问题，并推动生物炭在土壤固碳方面的更广泛应用。
一种生物炭固定化菌剂的制备与应用
一种生物炭固定化菌剂的制备与应用生物炭固定化菌剂是一种将有效菌剂固定在生物炭载体上的制剂，具有较好的微生物菌株存活率和保活时间，同时还能提供理想的生物炭固定作用。
本文将介绍生物炭固定化菌剂的制备方法及其在农业生产中的应用。
生物炭是一种由植物残渣等有机材料经过高温热解而得到的碳质固体，具有多孔性和吸附性等特点。
生物炭具有较高的比表面积和孔隙结构，有利于固定微生物菌株并提供菌落生长的适宜环境。
目前，生物炭固定化菌剂的制备主要分为两种方法：直接法和包埋法。
直接法是将生物炭和微生物菌液直接混合，通过物理吸附和化学结合的方式将微生物菌株固定在生物炭表面。
该方法简单易行，操作成本低，适用于规模较小的制备过程。
首先，将所需的微生物菌株培养并得到菌液。
然后，将适量的生物炭加入到菌液中，并搅拌均匀。
最后，将混合液体进行干燥，得到生物炭固定化菌剂。
此制备方法制备的生物炭固定化菌剂菌株存活率高，但保活时间相对较短。
包埋法是将微生物菌株与生物炭进行包埋，将微生物埋藏在生物炭内部，从而延长微生物的存活时间。
此制备方法首先需要将微生物培养至一定时期，然后将微生物培养物与生物炭混合，并搅拌均匀。
接着，将混合物进行滲透处理，待生物炭吸附微生物后，对其进行烘干处理，最终得到生物炭固定化菌剂。
包埋法制备的生物炭固定化菌剂能够延长微生物的存活时间，但制备工艺较为繁琐，操作难度较大。
生物炭固定化菌剂在农业生产中具有广泛的应用前景。
一方面，生物炭固定化菌剂可以作为土壤调理剂应用于农田中，能够改善土壤结构，调节土壤酸碱度，提高土壤肥力。
由于生物炭固定化菌剂具有较好的微生物保活性，可以通过菌根和植株共生关系提高植物养分吸收能力和抗逆性。
另一方面，生物炭固定化菌剂还可以应用于农作物病害防控。
通过固定化的方式，可以将有效菌株固定在生物炭上，并在农田中进行施用，从而有效地抑制病原微生物的生长繁殖。
综上所述，生物炭固定化菌剂的制备与应用是一种具有潜力的农业生产技术。
生物质碳膜及其制备方法和应用
生物质碳膜及其制备方法和应用你有没有想过，地球上那些我们认为是“废弃物”的东西，实际上可以变成有用的宝贝？比如生物质碳膜，听起来是不是挺高大上的？它就是通过一些特别的方法，把那些自然界里的植物、动物残骸或者农作物的废弃物转化成的“炭化”产物。
看似普通的“废物”，在某些“高科技”手段下，竟然能变身成环保又实用的材料，真是不可思议吧！到底什么是生物质碳膜呢？简单来说，它就是用生物质材料，比如木材、秸秆、果壳等，通过炭化过程生成的一种特殊膜。
这个膜能吸附一些有害物质，比如空气中的有毒气体，或者水中的重金属，简直是个环保“吸尘器”。
而且你知道吗？它不仅能清洁环境，还能作为一些高科技领域的“材料小能手”。
比如说，在电池、超级电容器中，它都能大显身手，提供稳定的电能储存。
要想做出这样的生物质碳膜，首先要有生物质原料。
听起来很简单吧？但实际操作可得小心翼翼，因为生物质的种类、成分不一，处理起来就像做菜一样讲究火候。
通常，我们先把生物质经过预处理，去掉一些杂质，再把它们放到高温下“烤”成炭。
这个过程非常讲究时间和温度，稍微失控，就可能从“美味炭”变成“焦炭”，哈哈，搞砸了就糟糕了。
不过，经过科学家们的不断探索，现在的炭化技术已经越来越成熟了，几乎每个小细节都能控制得特别精准。
可能有些人会疑问了：“这玩意儿有什么用啊，做成膜有什么意义？”别急，这就跟你把一颗小小的种子种进土里，经过阳光雨露滋养，它就能长成参天大树一样，有些东西你得给它时间去证明自己的价值。
比如这生物质碳膜，它不仅能清洁空气和水，还能在材料领域大展拳脚。
你看，现在越来越多的电池和超级电容器，都需要用到这种膜来提升性能。
因为它具有超强的导电性和良好的稳定性，简直是新型能源存储领域的“神兵利器”。
不得不提的是，这种碳膜的环保性也是它一大亮点。
现在大家越来越关注环保，减少污染已经成为全球的共识。
生物质碳膜的制备过程中，基本上不需要使用有毒的化学试剂，也不排放对环境有害的物质。
生物质炭的制备、功能改性及去除废水中有机污染物研究进展
生物质炭的制备、功能改性及去除废水中有机污染物研究进展首先，我们将介绍生物质炭的制备方法。
生物质炭可以通过两种主要方法制备：热解和活化。
在热解制备过程中，生物质经过高温加热，通过化学反应转化为炭。
而在活化制备过程中，炭材料经过化学活化处理，提高其孔隙结构和吸附性能。
这两种方法可以根据不同的实际需求选择，制备出具有不同性质和吸附能力的生物质炭材料。
其次，我们将介绍生物质炭的功能改性技术。
为了提高生物质炭的吸附性能和应用范围，研究人员对其进行了多方面的改性研究。
其中，物理改性主要包括结构调控、微波改性等方法，通过调节炭材料的孔隙结构和表面性质来改善其吸附性能。
化学改性主要涉及表面改性、功能化改性等方法，通过在炭材料表面引入不同的官能团，增加其与有机污染物的吸附亲和力。
这些改性方法不仅提高了生物质炭的吸附性能，还赋予了其更广泛的应用领域。
最后，我们将介绍生物质炭在废水中有机污染物去除方面的研究进展。
生物质炭具有良好的吸附性能和大孔道结构，可以有效去除废水中的有机污染物。
研究人员通过调控生物质炭的制备方法和改性技术，提高了生物质炭对废水中有机污染物的吸附能力和选择性。
同时，一些基于生物质炭的复合材料和新型吸附剂也被开发出来，有效提高了有机污染物的去除效率和处理能力。
此外，一些新颖的技术，如电化学氧化、光催化降解等，也与生物质炭结合应用在废水处理中，取得了显著的效果。
综上所述，生物质炭作为一种新型的吸附材料，在废水处理领域具有广阔的应用前景。
通过调控制备方法和改性技术，可以有效提高生物质炭的吸附性能和选择性，使其更好地应用在废水中有机污染物的去除中。
随着相关研究的不断深入和发展，相信生物质炭在环境保护和污染治理中将发挥越来越重要的作用综上所述，通过调节生物质炭的制备方法和改性技术，可以有效提高其吸附性能和选择性，从而使其在废水处理中更加广泛应用。
生物质炭具有良好的吸附性能和大孔道结构，能够有效去除废水中的有机污染物。
污泥生物炭制备工艺研究
污泥生物炭制备工艺研究近年来，随着环保意识的增强，人们越来越重视垃圾处理和污水处理。
而污泥是污水处理过程中产生的固体残渣，由于含有大量的有机物和微生物，长期堆积会对环境和人类健康造成极其不利的影响。
因此，污泥处理已成为各国政府和企业的一个重要课题。
而在众多的污泥处理技术中，生物炭制备工艺备受关注。
一、生物炭的制备方法生物炭制备方法分为湿法和干法两种。
湿法制备生物炭的时候生物质的水分含量需要控制在30%左右，同时需要添加少量的粘结剂；干法制备生物炭的时候需要将草木干燥后，放入高温炉内进行裂解，生产出的生物炭质地较硬。
二、生物炭的优点生物炭具有多种优点，包括：1、有较好的吸附性能：生物炭的孔隙通常呈现微孔和介孔性，具有很好的吸附性能。
生物炭能有效地吸附有机物、重金属、氨氮等物质，能净化水质。
2、生物炭含水量低：生物炭在生产过程中大多采用高温干燥，可以降低生物炭的含水量，方便运输和使用。
3、对土壤改良效果好：生物炭具有极好的土壤改良效果，可以改善土壤质量，增加土壤肥力，促进作物生长。
三、污泥生物炭制备工艺研究将污泥制备成生物炭是一种具有很高价值的使用方式。
以往的污泥处理方式往往是填埋或者焚烧，但是这样会造成很大的环境污染。
生物炭制备技术的出现，很好地解决了这个问题。
污泥生物炭制备方法主要有湿法和干法两种。
湿法制备方法主要是通过湿法炭化的方式，将污泥中的有机物最大限度地转化为生物炭。
具体方法是将污泥与缓冲物混合后先进行预处理-压缩-干燥-炭化四个步骤，生产出来的生物炭可用于农用、环保和工业用途。
干法制备方法主要有热解、热气化、等离子体技术等，其中热解法是目前应用最广泛的方法之一。
这种工艺比湿法工艺更加节能，一定程度上可以解决湿法工艺中的渣滓问题。
污泥生物炭制备工艺在环保、资源化利用方面具有非常大的潜力。
生物炭制备技术的提高将大大提高污泥的资源化利用率，减少环保压力。
另外，生物炭还有机会成为一种科学的农业肥料，实现对土壤的治理和改良，推动我国的农业产业可持续发展。
多孔生物炭制备
多孔生物炭制备以多孔生物炭制备为标题，我们将探讨多孔生物炭的制备方法以及其在环境保护和农业领域的应用。
一、多孔生物炭的制备方法多孔生物炭是一种由生物质经过热解和炭化而制得的炭材料。
其制备方法主要包括以下几个步骤：1. 原料选择：多孔生物炭的制备原料可以是各种生物质，如木材、秸秆、植物残渣等。
选择适合的原料对于制备高质量的多孔生物炭至关重要。
2. 碳化热解：将生物质原料加热至高温，使其热解产生固体炭和气体产物。
在热解过程中，通过调节温度和保持适当的气氛，可以控制炭化过程中的物理和化学性质，从而获得所需的多孔结构。
3. 活化处理：在碳化热解后，可以通过活化处理进一步增加多孔结构。
活化处理可以使用化学方法或物理方法进行，如碱活化、酸活化、水蒸气活化等。
这些活化方法能够增加生物炭的比表面积和孔径分布，提高其吸附性能和催化活性。
4. 粉碎和筛分：经过碳化热解和活化处理后的多孔生物炭需要进行粉碎和筛分，以获得所需的颗粒尺寸和均匀性。
二、多孔生物炭的应用多孔生物炭具有很多优良的性质，因此在环境保护和农业领域有着广泛的应用。
1. 环境污染治理：多孔生物炭具有良好的吸附性能，能够吸附和去除水中的有机物、重金属和有害气体。
因此，它被广泛应用于废水处理、大气污染治理等领域。
同时，多孔生物炭还能够改善土壤的保水性和通透性，减少土壤中的有害物质含量，用于土壤修复和污染物的吸附。
2. 农业改良：多孔生物炭具有优良的保水性和吸附性能，可以改善土壤的肥力和水分保持能力。
同时，多孔生物炭中的孔隙结构有利于土壤微生物的生长和根系的伸展。
因此，多孔生物炭可用作土壤改良剂，提高农作物产量和土壤质量。
3. 能源利用：多孔生物炭是一种可再生能源，具有高热值和低排放的特点。
可以作为生物质能源的替代品，用于发电、供热等领域。
同时，多孔生物炭还可以用于制备电池材料和电容器材料，具有很大的应用潜力。
总结：多孔生物炭的制备方法包括原料选择、碳化热解、活化处理、粉碎和筛分等步骤。
生物炭吸附重金属离子的研究进展
生物炭吸附重金属离子的研究进展一、本文概述随着工业化和城市化的快速发展，重金属污染问题日益严重，对人类健康和生态环境构成了严重威胁。
重金属离子具有生物毒性、持久性和难以降解等特点，其在水体、土壤和大气中的累积会对生态系统产生长期的负面影响。
因此，开发高效的重金属离子去除技术成为了当前环境保护领域的研究热点。
生物炭作为一种新兴的吸附材料，因其独特的物理化学性质，如高比表面积、丰富的官能团和良好的生物相容性等，在重金属离子吸附领域展现出了巨大的应用潜力。
本文旨在对生物炭吸附重金属离子的研究进展进行综述，以期为相关领域的研究提供有益的参考和启示。
本文首先介绍了重金属离子污染的现状及危害，阐述了生物炭的来源、制备方法和表征手段。
随后，重点综述了生物炭吸附重金属离子的机理、影响因素和吸附性能评价方法。
本文还讨论了生物炭在实际应用中的优缺点及改进策略，并展望了生物炭在重金属离子吸附领域的未来发展方向。
通过对相关文献的梳理和评价，本文旨在为相关领域的研究者提供全面的信息参考，推动生物炭在重金属离子吸附领域的应用和发展。
二、生物炭的制备与表征生物炭的制备是吸附重金属离子应用中的关键步骤，其过程涉及生物质原料的选择、热解条件的优化以及炭化产物的后处理。
常用的生物质原料包括农林废弃物、水生生物以及城市有机废弃物等，这些原料具有来源广泛、可再生、环境友好等特点。
热解条件如温度、气氛和升温速率等，对生物炭的理化性质如比表面积、孔结构、表面官能团等具有显著影响。
生物炭的表征是评估其吸附性能的基础。
常用的表征手段包括扫描电子显微镜（SEM）观察其表面形貌，透射电子显微镜（TEM）分析其内部结构，比表面积和孔径分布测定仪（BET）测定其比表面积和孔结构，以及傅里叶变换红外光谱（FTIR）和射线光电子能谱（PS）分析其表面官能团和化学元素组成。
这些表征手段有助于深入了解生物炭的结构和性质，从而指导其在实际应用中的优化。
近年来，随着制备技术的不断创新和表征手段的日益完善，生物炭的制备与表征研究取得了显著进展。
生物质炭化技术的研究及其应用
生物质炭化技术的研究及其应用随着全球能源需求的不断增长，化石能源的资源缺乏和环境污染问题越来越严重，生物质能源成为了更加重要的研究热点之一。
生物质炭化技术作为其中的一项关键技术，其研究与应用备受关注。
本文将从生物质炭化技术的基本原理、研究及其应用方面进行讨论，旨在探究其对于生物质能源的发展和可持续发展的作用。
一、生物质炭化技术的基本原理生物质炭化技术，也称作生物质热解技术，是通过高温无氧或少氧条件下，将固态生物质材料进行加热分解，生成固体炭和气体等热解产品的一种技术。
在此过程中，大量的焦油、酚等化合物被气化蒸馏出来，产生高价值的燃料气体。
同时，将分解后的固体生物质进行压缩成高密度的生物质炭，不仅增加了生物质富含的有机质的热值，还可以作为一种高效、环保的固体燃料用于取暖、发电等多种用途。
二、生物质炭化技术的研究现状目前，生物质炭化技术的研究重点主要针对技术改进以及生物质炭化产物的分离、提纯等方面。
其中，技术改进为主要研究方向，包括炭化温度、炭化时间、保温时间、反应气氛调控等方面的优化研究。
生物质炭化技术的研究与应用主要有以下几种类型：1.传统固体两相炭化技术。
该技术主要将固态生物质材料高温炼炭，生成赤土、固态炭和液态炭等多种炭化产品。
该技术的优点在于工艺简单，易于实施，但是其仅可以获得固态炭，无法进行分离提纯等后续加工。
2.旋转式材料接触炭化技术。
该技术可以实现“一步到位”生物质炭化和气化，获得生物质炭和燃料气体等多种热解产物。
与传统固体两相炭化技术相比，该技术可以快速得到高品质生物质炭和燃料气体，但是其可控性和经济性存在一定难度。
3.热泵炭化技术。
该技术利用热泵技术，通过实现生物质材料和热载体的接触，将生物质热能转化为燃料气体和生物质炭。
该技术得到的生物质炭质量高、收率高、可控性好。
4.旋转床炭化技术。
该技术通过旋转床的转动，使生物质材料在加热的同时进行均匀混合，从而实现了生物质材料炭化的均一性和收率的优化。
《2024年改性生物炭的制备及其在环境修复中的应用》范文
《改性生物炭的制备及其在环境修复中的应用》篇一一、引言随着工业化和城市化的快速发展，环境污染问题日益严重，环境修复技术的研究与应用显得尤为重要。
改性生物炭作为一种新型的环境修复材料，因其具有较高的比表面积、丰富的孔隙结构和良好的吸附性能，被广泛应用于重金属离子、有机污染物等环境问题的修复中。
本文将介绍改性生物炭的制备方法、性质及其在环境修复中的应用。
二、改性生物炭的制备改性生物炭的制备主要包括原料选择、炭化、活化及表面改性等步骤。
1. 原料选择改性生物炭的原料来源广泛，如农业废弃物、林业剩余物等。
选择原料时，需考虑原料的碳含量、灰分、挥发分等性质，以及原料的获取成本和环保性。
2. 炭化将选定的原料进行炭化处理，即在无氧或限氧条件下，通过热解使原料转化为生物炭。
炭化温度、时间和气氛等参数会影响生物炭的性质。
3. 活化活化是提高生物炭比表面积和孔隙结构的重要步骤。
常用的活化方法包括化学活化、物理活化等。
化学活化是利用化学药品与生物炭进行反应，扩大其孔隙结构；物理活化则是通过物理手段，如CO2活化、水蒸气活化等，增加生物炭的比表面积。
4. 表面改性表面改性是利用物理或化学方法对生物炭表面进行改性，以提高其吸附性能和化学稳定性。
常用的表面改性方法包括负载金属氧化物、酸碱处理等。
三、改性生物炭的性质改性生物炭具有较高的比表面积、丰富的孔隙结构、良好的吸附性能和化学稳定性。
其表面富含大量的羟基、羧基等官能团，有利于与重金属离子、有机污染物等发生作用，从而实现环境修复。
四、改性生物炭在环境修复中的应用1. 重金属离子修复改性生物炭具有较高的吸附性能，能够有效地吸附水中的重金属离子，如铅、汞、镉等。
通过改性生物炭的吸附作用，降低水中重金属离子的浓度，达到修复环境污染的目的。
2. 有机污染物修复改性生物炭对有机污染物也具有良好的吸附性能，如多环芳烃、农药等。
通过改性生物炭的吸附作用，降低土壤和水体中有机污染物的含量，改善环境质量。
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第47卷第7期2019年4月广摇州摇化摇工GuangzhouChemicalIndustryVol郾47No郾7Apr郾2019
生物炭制备方法及其应用的研究进展*
李佳燕,陈摇兰,喻摇婕,戴智强,张摇震,王摇娜(天津中医药大学中药制药工程学院,天津摇301617)摘摇要:生物炭作为一种绿色环保,廉价易得的新型功能材料,具有比表面积大,孔隙结构致密,来源广泛,环境友好等
优点。通过对生物炭制备方法的分类与总结,对比不同制备方法的优缺点,为生物炭制备过程的改进提供技术支持。通过对生物炭的应用进行总结与分析,为其在农业生产、环境保护、能源化工等领域的广泛应用提供理论与实践依据。关键词:生物炭;制备方法;改性;土壤修复;污水处理;大气污染
摇中图分类号:X705摇文献标志码:A文章编号:1001-9677(2019)07-0022-04
摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇*基金项目:天津中医药大学校大学生科技创新基金资助项目(CXJJ2018YC19)。
第一作者:李佳燕(1998-),女,本科生。通讯作者:王娜(1983-),女,讲师,研究方向为中药废弃物的再利用。
ResearchProgressonPreparationMethodsandApplicationsofBiochar*
LIJia-yan,CHENLan,YUJie,DAIZhi-qiang,ZHANGZhen,WANGNa(CollegeofPharmaceuticalEngineeringofTraditionalChineseMedicine,TianjinUniversityofTraditionalChineseMedicine,Tianjin301617,China)
Abstract:Biochar,asanewkindofgreenandenvironmentallyfriendlyfunctionalmaterial,hastheadvantagesoflowcost,widesources,largespecificsurfaceareaanddenseporestructure郾Throughtheclassificationandsummaryofbiocharpreparationmethods,theadvantagesanddisadvantagesofdifferentpreparationmethodswerecompared,whichprovidedtechnicalsupportfortheimprovementofbiocharpreparationprocess郾Theapplicationofbiocharwassummarizedandanalyzed,whichprovidedtheoreticalandpracticalbasisforitswideapplicationinagriculturalproduction,environmentalprotection,energyandchemicalindustry郾Keywords:biochar;preparationmethod;modification;soilremediation;sewagedisposal;airpollution
生物炭是生物质在低氧或缺氧条件下,通过高温裂解碳化,形成的高度芳香化、富含碳的多孔颗粒固体[1]。生物炭的多孔结构,可以稳定地将碳元素固定长达数百年,矿化后碳元素在环境中很难再分解。制备生物炭的原料主要是制药、造纸、农产品加工等行业产生的废弃物。将这些废弃物加工制备成生物炭,并应用到农业、环保、化工、制药等领域,可以实现废弃物的高值利用,从而有效减少资源浪费,具有重要的实际意义和研究价值。1摇生物炭的制备生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。生物炭的制备是生物质发生热裂解,由大分子转变为小分子的过程。其中伴随有脂肪烃脱水缩聚形成芳香环,羟基、羧基等极性官能团脱除的过程。根据制备过程中生物质的热解温度、升温速率以及加热介质的不同,生物炭的制备方法可分为:慢速热解、快速热解、气化热解、水热炭化以及微波热裂解法[1-2]。1郾1摇慢速热解慢速热解法也称为传统炭化法,是指生物质以一个相对较低的速率加热,经过较长的热解时间制备生物炭的过程。慢速热解法对设备条件要求不高,反应条件较为温和,在固定床或移动床上就可以进行反应,通过普通的马弗炉控制温度就可以实现生产。Xiao等[3]以氮气为保护气,以稻秆为原料,在马弗炉内制备生物炭。在升温速率为5益/min的条件下,他们考察了反应温度对产物的影响。结果表明,当反应温度为150益时,生物炭的产率最高为93郾9%。随着炭化温度的升高,生物炭的产率逐渐下降,其灰分含量逐渐升高,pH值增大,芳香化程度明显增高,微孔结构更加完善。李敏等[4]分别在窑式、固定床和移动床三种设备中进行了生物炭的制备过程,考察不同反应温度及风量条件对热解过程的影响。结果表明,产物的分布和特性与反应器的种类有关,而热解炭化制备生物炭的关键因素是温度与风量。1郾2摇快速热解
快速热解法是生物质在无氧或限氧条件下快速(103~104益/s,)加热到较高反应温度(常压下500益左右),从而使
生物质大分子发生热解转化,生成气体小分子、挥发分以及焦油等产物的过程。该过程通常在流化床中进行。与慢速热解法相比,快速热解的升温速率快、加热时间短,生物油产率相对较高,而生物炭产率相对较低,且得到的生物炭密度高、偏酸第47卷第7期李佳燕,等:生物炭制备方法及其应用的研究进展23摇性(pH=2郾8~3郾8)、具有较高的含水量(15%~30%)以及较低的发热量。Azargohar等[5]在400~550益间,以加拿大地区的农业废弃物和森林残留物为原料,采用快速热解的方法制备生物炭,并研究热解温度对生物炭理化性能的影响。结果表明,随着热解温度的升高,生物炭的碳含量明显增加,且生物炭的pH值逐渐降低。1郾3摇气化热解气化热解法是指在较高温度下(高于700益)控制氧化剂含量将生物质转化为混合气体的过程。该混合气体有CO、H2、CO2、CH4等,以及少量碳水化合物。Brewer等[6]在鼓泡流化床反应器中利用空气和氮气作为载气,分别在760益和730益下气化热解柳枝稷和玉米秆以制备生物炭。结果表明,气化热解与快速热解过程较为类似。气化热解法制得的主要产品是气体,与慢速热解过程相比,生物炭产率相对较低。1郾4摇水热炭化法水热炭化作为一种热化学转化技术,是生物资源化最具潜力的技术之一。目前,生物质材料的水热炭化过程包括预处理和炭化过程两部分。在一定的温度和压强下,以饱和水为介质,在催化剂的作用下,生物质经过水解、脱水缩合、脱羧基反应、芳构化、聚合等反应得到生物炭。根据炭化温度的不同又可分为低温水热炭化法(低于300益)和高温水热炭化法(300~800益)。曾淦宁等[7-8]以酮藻为原料采用水热炭化法制备生物炭。他们考察了反应时间、反应温度及酮藻与溶剂质量比等因素对生物炭收率的影响。结果得到水热炭化制备生物炭的最佳工艺条件为反应时间2h、反应温度180益、酮藻与溶剂用量比为10郾4/40郾0。在此条件下得到的碳回收率为65郾0%,生物炭收率为51郾4%。通过该方法制得的生物炭亲水性更强,且表面具有更为丰富的含氧、含氮官能团,灰分含量较低。1郾5摇微波热裂解法微波热裂解[9]是在无氧或限氧条件下,利用微波辐射,在短时间内将生物质裂解成低分子有机蒸汽,然后再快速冷却,以获得最大限度的液体产率,最终得到不可冷凝的蒸汽、液态油、生物炭的过程。该过程是常规热解与微波加热技术的结合,是由分子键的断裂、异构化和小分子的聚合等反应组成的复杂化学过程,具有加热快速均匀、易于控制、安全无害等优点。桂成民等[10]研究发现,采用高温微波热解法得到的生物炭所包含的官能团种类较多,碳元素含量更高,碳化过程更有利于生物炭孔隙结解碳化。刘兴昕[11]采用微波热裂解法制备了污泥生物炭,结果表明热解温度的升高能降低生物炭的产率,促进污泥中碱金属盐类分解,进而提高生物炭的pH值,还可以降低生物炭表面负电荷的含量,促进生物炭中有机物的芳香化。但是,由于对设备的要求,微波热裂解法无法大规模应用。2摇生物炭的改性由于生物炭表面官能团主要带有负电荷,使得它对阴离子的吸附能力较差,从而限制了其在环保领域的应用。为增强生物炭的利用度,可以采用改性的方法,将活性基团引入到生物炭表面,改变生物炭的表面性质,从而获得高附加值的改性生物炭产品。生物炭的改性主要有物理、化学及生物改性法。物理改性法是通过用高温煅烧,清除生物炭孔隙中的有机物等杂质,改变其孔隙结构,增加比表面积,增强吸附性[12]。化学改性法是最常用的改性方法,其又可分为氧化改性法、还原改性法和酸碱改性法。其过程主要是利用酸、碱、双氧水等试剂处理原料或生物炭,使其表面官能团发生变化,以达到更好的吸附效果。Jin等[13]
用KOH对生物炭进行改性并用于废水中重金属
As(吁)的吸附。结果表明,改性明显增大了生物炭的比表面
积,也增加了生物炭表面羧基、羟基等官能团的数量,进而提高了其对水体中重金属As(吁)的去除率。Wibowo等[14]通过硝酸改性的方法将含氧酸性基团引入到生物炭表面,同时增大了改性生物炭的表面积,增强其吸附性能。朱青[15]以芦苇为原料,采用高温裂解法制得生物炭,随后采用磷酸浸渍对其进行改性,从而得到磷酸改性生物炭,并将TiO2溶胶负载到改性生物炭上,得到TiO2
/GBC复合材料。将该复合生物炭材料用于
磺胺嘧啶的吸附过程,结果显示改性可以有效提高生物炭对磺胺嘧啶的吸附,但当溶液pH>9时,磺胺嘧啶的去除率明显降低。
3摇生物炭的应用
生物炭具有比表面积大、吸附能力强等特点,可以很好地吸附重金属、有机小分子、微生物等物质,可作为土壤改良剂,污染物吸附剂及二氧化碳封存剂,广泛应用于土壤改良[16]、重金属吸附[17]和能源化工[18]等领域。在一定程度上为土壤功能退化、环境污染和气候变化等热点问题提供解决方案。同时,近期的研究[19]还发现生物炭还可应用于工程、康复及生命科学等领域。3郾1摇农业领域
生物炭含有一定量的无机矿物养分,比如氮、磷、钾、镁、钙等元素,将其添加到土壤中,可以提高土壤的养分含量,尤其是畜禽粪便制备的生物炭对贫瘠土壤的养分补充效果更加明显。在亚马逊河流域,人们将生物质燃烧产生的碳化物埋入土壤,逐渐形成的“黑土壤冶能够恢复土壤生产力,其有机质含量明显高于其他地区,同时还能吸附土壤中的重金属。生物炭在农业生产中得到大量应用。郑浩[20]通过实验室土柱淋溶和盆栽试验,研究了生物炭对不同氮肥处理的土壤中氮的淋失、持留及氮的生物有效性。结果表明,生物炭的添加可以减少氮的淋失,增加土壤中氮元素的持留,增强氮的生物有效,从而可减少作物生长对氮元素的需求。这主要归因于生物炭引起了土壤饱和持水量的增加,生物炭对NH+4李明等[21]以水稻和玉米秸秆为原料制备了生物炭,考察该生物炭对红壤成分及微生物群落结构的影响。结果发现,制备生物炭的原料以及生物炭的裂解温度是影响生物炭化学组成和性能的关键因素。其中,以水稻秸秆为原料制备的生物炭对土壤中钾元素的溶解影响较大,而以玉米秸秆为原料制备的生物炭对土壤中的磷元素含量影响更大。而该两种生物炭均可改善红壤性水稻土的酸度,提高土壤养分含量和微生物量水平。3郾2摇环境污染修复