生物炭主要类型、理化性质及其研究展望

分类：论文范文 发表时间：2021-04-20 09:24

　　摘要:【目的】生物炭作为工农业生产副产品低碳利用的有效手段，其改善土壤及提高作物品质的有益功效已被逐步认识，但对其研究报道分散且差异较大。对已有研究进行梳理总结，可为生物炭生产施用以及形成有效的产业链提供科学依据。【主要进展】1）生物炭全碳含量在30%～90%之间，平均64%。生物炭碳含量由大到小来源依次是木质、秸秆、壳类、粪污和污泥。秸秆类生物炭碳含量大多为40%～80%，木质类生物炭在60%～85%。生物炭灰分含量在0～40%之间变动，平均15.52%。灰分含量由大到小依次是污泥、粪污、秸秆、壳类和木质。秸秆生物炭灰分含量主要在20%～35%之间，较少为15%；木质炭灰分主要在0～10%范围内。生物炭碳含量和灰分含量相关系数为–0.77。裂解温度与生物炭碳灰组分呈正相关，相关系数分别为0.17和0.28。施入生物炭可以改善土壤状况，生物炭灰分通常对养分贫瘠土壤及沙质土壤的一些养分补充作用较明显。2）生物炭比表面积绝大多数在0～520m2/g之间，平均124.83m2/g，壳类、秸秆、木质、粪污和污泥生物炭比表面积逐渐降低。秸秆炭比表面积集中在0～200m2/g以内，木质炭比表面积集中在0～100m2/g以内。制备温度与比表面积的相关系数为0.48。生物炭的孔隙结构能降低土壤容重、降低土壤密度，能较好地去除溶液和钝化土壤中的重金属。3）生物炭pH值范围在5～12，平均为9.15。秸秆、污泥、粪污、木质、壳类生物炭pH值中值逐渐降低。秸秆生物炭pH值多集中在8～11范围内，木质生物炭pH相对一致。生物炭的CEC从0到500cmol/kg都有分布，平均为71.91cmol/kg。秸秆类生物炭CEC值大多集中在0～100cmol/kg范围内，木质生物炭则在5～10与15～25cmol/kg范围内均有一定数量的分布。裂解温度与pH值和CEC的相关系数为0.58和0.30。生物炭施入土壤后可消耗土壤质子，提高酸性土壤pH值，提高酸性土壤一些养分的有效性；其巨大的表面积还可提高对阳离子的吸附，提高土壤保肥能力。4）生物炭的裂解温度大都集中在200～800°C之间，偶有达到1000°C的裂解温度。【建议和展望】目前，全世界范围内对生物炭的生产和使用还处于就近和来源方便的初级阶段，影响着生物炭功能和效益的最大化。应从以下几个方面加强研究和应用试验：首先，系统研究生物炭制造参数对理化性状的影响，研究不同原料生物炭的作用机理差异及其针对性，建立生物炭理化性质参数数据库；其次，加强应用研究，根据土壤理化性状和改良目标选择适宜的生物炭类型，根据对作物经济性状的要求，研究选择适宜的生物炭类型，实现生物炭功效的最大利用。加强不同原料的选配和组合研究，改良生物炭产品的目标性状，形成系列化产品。

　　关键词:生物炭；理化性质；参数

　　生物炭(Biochar)是利用生物残体在缺氧的情况下，经高温慢热解(通常＜700°C)产生的一类难溶的、稳定的、高度芳香化的、富含碳素的固态物[1]。生物炭多为颗粒细、质地较轻的黑色蓬松状固态物质，主要组成元素为碳、氢、氧、氮等，含碳量多在70%以上。生物炭可溶性极低，具有高度羧酸酯化和芳香化结构[2–3]，其原料来源广泛，农业废弃物如鸡粪、猪粪、木屑、秸秆以及工业有机废弃物、城市污泥等都可作为其原料[4]。生物炭原材料尺寸的大小会影响到生物炭产率，主要表现为尺寸增大生物炭产量随之增加。

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　　1全碳组分和灰组分

　　1.1不同原料对全碳组分和灰组分的影响

　　生物炭的主要组成一般包括全碳、挥发物、矿物和水分[22]。生物炭的全碳组分组成是异质的，包含易降解的脂肪碳组分和稳定的芳香碳组分[23–24]。原料和制备条件的多样性导致其各组分含量的差异[25]。生物炭各组分的相对比例决定了生物炭的物理化学行为和功用，从而决定了其用途的适宜性以及在环境中的迁移和转化[26–27]。

　　1.2不同裂解温度对全碳组分和灰组分的影响

　　生物炭的含碳量随炭化温度的不同而发生改变，生物炭性质也受到制备温度、加热速率、通气条件等条件的影响，以温度影响较大。随制备温度的升高，生物炭产量下降，但其碳含量、灰分含量、比表面积以及孔隙度却随着温度的升高而升高。

　　2比表面积

　　2.1不同原材料对比表面积的影响

　　热解过程中，生物质原料的结构基本印记在了生物炭中，对生物炭的物理化学性质具有决定性影响[73–75]。生物质热解过程中，质量损失(大部分以挥发有机物的形式)及不相称的收缩或体积减少的发生，导致矿物及碳骨架形成，并且保留了原料的基本孔隙和结构特征[76]。生物炭的孔一般按直径大小分为大孔(ID>50nm)、中孔(2nm<ID<50nm)和微孔(ID<2nm)[75]。生物炭中保留的植物生物质原料的蜂窝状结构构成了其主要的大孔。微孔主要由热解过程中碳的损失及碳架的断裂收缩形成。虽然大孔可能会作为微孔的前体，但是微孔贡献了生物炭的大部分比表面积，微孔的含量与比表面积呈正相关[77]

　　2.2裂解温度对生物炭比表面积的影响

　　研究表明制备温度对生物炭的吸附有很大的影响，因为随着制备温度的升高生物炭的比表面积增大，碳含量增加而氧含量降低，O/C降低，生物炭的亲水性和极性降低，对水分子的亲和力降低，对疏水性污染物的吸附增强。因此表现为比表面积越大吸附作用越强。

　　3pH和CEC

　　3.1不同原材料对pH值和CEC的影响

　　生物炭的pH一般呈碱性，Balwant等研究发现，生物炭pH介于6.93～10.26范围之间[28]，也有研究报道可以制备pH介于4～12之间的生物炭[98]。生物炭中无机矿物是造成生物炭pH偏碱的主要原因[98–99]，生物炭的表面含氧官能团(如羧基和羟基)也可能对生物炭的pH有一定的贡献。阳离子交换量(CEC)是反映生物炭表面负电荷的参数，也决定其在土壤中持留铵、钙和钾等阳离子的能力[26]，生物炭CEC与其表面含氧官能团含量正相关[100]。现有报道中生物炭的CEC差异很大，介于71mmol/kg[101]和34cmol/kg[100–1之间，Balwant等认为生物炭的CEC介于71.0～451.5mmol/kg范围之间[28]。

　　3.2不同裂解温度对pH值和CEC的影响

　　高温热裂解的生物炭比低温热裂解的生物炭中具有更少的酸性挥发物及更多的灰分，因而pH更高。CEC与生物炭O/C比相关，热解温度较低时纤维素分解不完全，含氧官能团如羟基、羧基和羰基被保留，生物炭具有更高的O/C比和较大的CEC。

　　4问题与展望

　　在查阅的100多篇文献中，分别得到碳组分、灰分、比表面积、pH值和CEC几种参数数据119、82、93、86、33个，反映出目前生物炭理化特性研究者对这几大参数重视程度不一，这与裂解材料的来源、实验成本、实验复杂性以及研究方向有直接关系。另外，在裂解温度方面，Balwant等的研究认为生物炭裂解温度在100°C至900°C范围内[28]；本研究表明，生物炭的裂解温度大都集中在200°C至800°C之间，偶有达到1000°C的裂解温度。

　　参考文献：

　　[1]张文玲，李桂花，高卫东.生物质炭对土壤性状和作物产量的影响[J].中国农学通报,2009,25(17):153–157.ZhangWL,LiGH,GaoWD.Effectsofbiomasscharcoalonsoilcharacterandcropyield[J].ChineseAgriculturalScienceBulletin,2009,25(17):153–157.

　　[2]何绪生，耿增超，佘雕，等.生物炭生产与农用的意义及国内外动态[J].农业工程学报,2011,27(2):1–7.HeXS,GengZC,SheD,etal.Implicationsofproductionandagriculturalutilizationofbiocharanditsinternationaldynamics[J].TransactionsoftheCSAE,2011,27(2):1–7

　　袁帅，赵立欣，孟海波*，沈玉君

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