生物炭制备及其性能研究进展

生物炭制备及其性能研究进展

生物炭利用工农业有机废弃物、污水处理产生的污泥等在一定的温度、氧气条件下，通过合适的工艺方法将有机物干燥裂解成稳定、难溶、富碳的超强吸附性物质。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。不同的制备材料与工艺条件影响生物炭的性能，且生物炭的产率、吸附性等特性影响其在土壤环境质量改良、农业温室气体减排以及土壤污染联合修复中作用效能。

生物炭作为一种再生可利用材料，在农业、工业以及环境修复领域具有广泛的应用前景，研究生物炭的制备、改性及适用性具有重要意义。因此，在汉斯出版社《化学工程与技术》期刊中，有论文总结了生物炭的制备及改性方法，分析制备材料、制备温度等因素对生物炭性能影响，对并生物炭制备及应用研究进行了展望。

根据生物炭制备过程中热裂解技术的不同，生物炭制备方法主要有炭化法、水热炭化法、气化法和微波热解法等。不同方法制备生物炭的过程中主要受炭化温度、炭化速率、炭化压力、停留时间、催化剂、气象滞留期、生物质种类等因素影响。其中，炭化法制备生物炭的产率为10%~35%，与加热温度、速率反应停留时间整体呈反比。炭化裂解温度在400℃~1300℃之间，且温度越高裂解成炭时间越短。微波热解法是在波长1mm~100cm、限氧、400℃~500℃条件下，通过微波加热使原材料升温并裂解，相对可控性好、准备成本低。

近年来，随着纳米技术的迅速发展，研究者通过生物炭基纳米复合材料，引入纳米材料的优势，以对生物炭进行改性，优化比表面积、孔隙体积与表面活性位带点等。研究表明，磁性生物炭大大增加了生物炭在环境修复领域广泛饮用的可能性。如磁性水葫芦生物炭可基本去除水中As，而相同条件下未改性的生物炭的去除率仅为8.9%。此外，利用金属氧化物、石墨烯、多壁碳纳米管等功能性纳米粒子，通过慢速裂解制备杨木、松木、花生壳以及甘蔗渣等为原料的生物炭，可明显改善生物炭材料，大幅提高生物炭吸附性能。

原材料性质、制备方法、裂解温度、加热速率、停留时间件差异影响，生物炭的碳组分和灰分、比表面积、pH、元素组成和表面官能团等理化性质及孔隙结构方面特性不同，进而影响其最终在环境应用中的效应。生物炭的全碳及灰分含量分别在16.5%~83.6%和3.2%~76.2%之间，且木质类生物炭的碳组分在60%~85%，整体较秸秆类和壳核类生物炭的碳组分含量(40%~80%)高。此外，生物炭制备过程中的裂解温度与其碳组分和灰分呈显著正相关，相关系数分别为0.17和0.28，且施用在土壤中可显著增加土壤碳含量，提高碳氮比。

生物炭性能与环境修复效应由其制备方法、工艺及优化改性决定，众多研究关注生物炭的制备原材料性质、类型对生物炭产率、性能、应用条件等影响，以及添加其他试剂材料对生物炭进行改性优化，但多处于实验室研究阶段。良好性能生物炭的产业化生产、工程化应用以及标准化管控还有待进一步总结研究。

文章来源：https://doi.org/10.12677/HJCET.2020.105049