秸秆生物炭的研究进展
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利用秸秆生物炭制备的复合材料性能更佳，为 提高对特定污染物的吸附效果，一般在生物炭表面 加入能与污染物反应的无机物，常用来与生物炭复 合的材料有：纳米复合材料、锰的氧化物、磁性复合 材料［１１］。Ｓｏｎｇ等［１２］利用玉米秸秆与 ＫＭｎＯ４ 制备
收稿日期：２０１８０６２２ 修改稿日期：２０１８０７１１ 基金项目：国家自然科学基金项目（４１３０１５４５） 作者简介：王志鹏（１９９５－），男，江苏南通人，南京林业大学在读硕士研究生，师从陈蕾副教授，研究方向为给排水科学与
第 ４８卷第 ２期 ２０１９年 ２月
应 用 化 工 ＡｐｐｌｉｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙ
Ｖｏｌ．４８Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２０１９
秸秆生物炭的研究进展
王志鹏，陈蕾
（南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 ２１００００）
摘 要：从秸秆生物炭的制备及其改性方法：秸秆生物炭对污染物控制的机理与效果和农业应用方面进行综述，对 秸秆生物炭面临的问题以及未来的研究方向提出展望，以期为我国秸秆生物炭的研究提供参考。 关键词：秸秆；生物炭；污染控制；农业应用 中图分类号：ＴＱ０２９＋．４；Ｘ７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－３２０６（２０１９）０２－０４４４－０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｓｔｒａｗｂａｓｅｄｂｉｏｃｈａｒ
ห้องสมุดไป่ตู้
ＷＡＮＧＺｈｉｐｅｎｇ，ＣＨＥＮＬｅｉ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｓｔｒａｗｂｉｏｃｈａｒａｎｄｉｔｓｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ：ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｅｆｆｅｃｔｏｆｓｔｒａｗ ｂｉｏｃｈａｒｏｎｐｏｌｌｕｔａｎｔｃｏｎｔｒｏｌａｎｄａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ａｔｔｈｅｅｎｄｏｆｔｈｅｐａｐｅｒ，ｔｈｅｐｒｏｂ ｌｅｍｓｆａｃｅｄｂｙｓｔｒａｗ ｂｉｏｃｈａｒａｎｄｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓａｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ，ｗｉｔｈａｖｉｅｗ ｔｏＣｈｉｎａ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｔｒａｗｂｉｏｃｈａｒｐｒｏｖｉｄｅｓｒｅｆｅｒｅｎｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｒａｗ；ｂｉｏｃｈａｒ；ｐｏｌｌｕｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ；ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
２ 秸秆生物炭的性质
２．１ 元素组成 秸秆生物炭主要组成元素为碳、氧、氢等，除此
之外，秸秆生物炭中还含有较高的氮、磷、钾、硫和灰 分，灰分是原料热解后的残留无机固体。同种原料 制备的生物炭的成分主要取决于裂解温度。随着热 解的温度升高，碳、磷、钾含量及灰分含量增加，氮含 量减少。Ｃ／Ｎ比反应生物炭的稳定性，随着温度的 升高 Ｃ／Ｎ比增大，秸秆生物炭稳定性增强，不易被 矿化分解，利于长期使用［１３］。秸秆生物炭中的元素 一定程度上影响对污染物的去除效果，如磷含量增 大，与重金属离子生成磷酸盐沉淀，增强对重金属离 子的去除效 率 ［１４］。 Ｈ／Ｃ比 值 降 低 表 示 生 物 炭 的 碳 化和芳香性增加 。 ［１５］ Ｚｈａｉ等 利 ［１６］ 用玉米秸秆生物 炭研究灰分含量增加的原因，结果表明随着温度升 高，无机盐含量迅速升高，导致灰分含量增加。李明 等［１７］以水稻和玉米秸秆为原料在 ３００～５００℃裂解 得到的生物炭，随着温度的升高，碳、磷、钾的含量分 别从 ５５．９％，２．８ｇ／ｋｇ，４９．２ｇ／ｋｇ，上升到５６．９％， ３．６４ｇ／ｋｇ，６４．５ｇ／ｋｇ。 ２．２ 比表面积
工程。电话：１８７０５１９７８５８，Ｅ－ｍａｉｌ：７７５７６３５２４＠ｑｑ．ｃｏｍ 通讯联系人：陈蕾（１９８５－），女，南京林业大学副教授，博士，研究方向为给排水科学与工程。
第 ２期
王志鹏等：秸秆生物炭的研究进展
４４５
了 ＭｎＯｘ生物炭复合材料（ＭＢＣ），ＭＢＣ对 Ｃｕ２＋的最 大吸附量达到 １６０．３ｍｇ／ｇ，与单 一 秸 秆 生 物 炭 相 比，吸附能力提升了约 ８倍，灰分含量提升约 ４倍， 孔径从 ２３．７ｎｍ提升至 ９２．２ｎｍ，ＭＢＣ的 Ｃ／Ｏ比从 ２５降低到 １．８８，Ｘ射线光电子能谱结果显示，增加 的氧主要以 Ｍｎ—ＯＨ和 Ｍｎ—Ｏ形式存在。此外，对 生物炭的表面进行化学处理，也可改善秸秆生物炭 的性能。
中的应用，为秸秆生物炭的研究和应用提供借鉴。
１ 秸秆生物炭的制备
热解法是利用高温在限氧条件下对秸秆进行分 解，根据加热速率和热解时间的不同，热解反应可分 为快速热解和慢速热解。慢速热解的加热速率低于 １℃ ／ｓ，反 应 温 度 往 往 在 ７００℃ 以 下，反 应 时 间 长［６］，秸秆生物炭主要利用这种方式制备而成。快 速热解的加热速率最大可达 １０００℃ ／ｓ，反应温度 达到 ９００℃，数 秒 之 内 即 可 完 成 秸 秆 生 物 炭 的 制 备［７］，快速热 解 生 物 炭 产 量 较 低，因 为 秸 秆 内 部 结 构在高温 条 件 下 被 破 坏［８］。 不 同 的 热 解 条 件 对 生 物炭的性能和产率有很大影响，主要的影响因素有： 反应时间、反应温度、加热速率［９］。简敏菲等 以 ［１０］ 水稻秸秆为原料，在不同温度下（３００～７００℃）利用 慢速热解法制备生物炭，当温度升高时，生物炭产率 从３８．２４％下降到 １７．１１％，灰分、碳含量增加，孔隙 量增加，平均孔径变小。
我国是一个农业大国，随着农业的发展，农作物 产量大幅提高，农作物秸秆广泛分布在我们农村地 区，其中主 要 来 源 为 水 稻 秸 秆、玉 米 秸 秆 和 小 麦 秸 秆，截 止 ２００９ 年，我 国 农 作 物 秸 秆 年 产 量 为 ８．２亿 ｔ［１］。秸秆是农作物收割后残留的茎叶部分， 富含植物生长需要的氮、磷、钾、镁、钙和硫等营养元 素［２］。然而目前我国秸秆的资源化利用效率低，经 济效益差，不仅造成了资源的浪费而且严重污染环 境［３］。近年来，由 于 缺 乏 对 秸 秆 的 合 理 处 置 方 法， 农村秸秆的大量焚烧屡禁不止，引发了严重的社会 问题，秸秆资源的处置越发引起人们的关注。
近年来，利用农作物秸秆制备生物炭因其突出 的效果备受关注。秸秆生物炭是利用农作物秸秆在 低温限氧 条 件 下 热 解 产 生 的 富 碳 固 体［４］。 秸 秆 生 物炭比表面积大和孔隙结构复杂，表面富含丰富的 活性官能团，使得生物炭作为吸附剂和催化剂表现 出巨大的潜力。秸秆制备生物炭资源化利用可显著 减少温室气体 ＣＯ２的排放，作为一种新型多功能材 料生物炭广泛应用于：水污染控制、改良土壤肥力、 土壤 固 炭、土 壤 修 复、微 生 物 燃 料 电 池 电 极 等 方 面［５］。本文综 述 了 秸 秆 生 物 炭 的 制 备 方 法 和 理 化 性质，着重总结了秸秆生物炭在污染物修复和农业
收稿日期：２０１８０６２２ 修改稿日期：２０１８０７１１ 基金项目：国家自然科学基金项目（４１３０１５４５） 作者简介：王志鹏（１９９５－），男，江苏南通人，南京林业大学在读硕士研究生，师从陈蕾副教授，研究方向为给排水科学与
第 ４８卷第 ２期 ２０１９年 ２月
应 用 化 工 ＡｐｐｌｉｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙ
Ｖｏｌ．４８Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２０１９
秸秆生物炭的研究进展
王志鹏，陈蕾
（南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 ２１００００）
摘 要：从秸秆生物炭的制备及其改性方法：秸秆生物炭对污染物控制的机理与效果和农业应用方面进行综述，对 秸秆生物炭面临的问题以及未来的研究方向提出展望，以期为我国秸秆生物炭的研究提供参考。 关键词：秸秆；生物炭；污染控制；农业应用 中图分类号：ＴＱ０２９＋．４；Ｘ７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－３２０６（２０１９）０２－０４４４－０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｓｔｒａｗｂａｓｅｄｂｉｏｃｈａｒ
ห้องสมุดไป่ตู้
ＷＡＮＧＺｈｉｐｅｎｇ，ＣＨＥＮＬｅｉ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｓｔｒａｗｂｉｏｃｈａｒａｎｄｉｔｓｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ：ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｅｆｆｅｃｔｏｆｓｔｒａｗ ｂｉｏｃｈａｒｏｎｐｏｌｌｕｔａｎｔｃｏｎｔｒｏｌａｎｄａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ａｔｔｈｅｅｎｄｏｆｔｈｅｐａｐｅｒ，ｔｈｅｐｒｏｂ ｌｅｍｓｆａｃｅｄｂｙｓｔｒａｗ ｂｉｏｃｈａｒａｎｄｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓａｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ，ｗｉｔｈａｖｉｅｗ ｔｏＣｈｉｎａ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｔｒａｗｂｉｏｃｈａｒｐｒｏｖｉｄｅｓｒｅｆｅｒｅｎｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｒａｗ；ｂｉｏｃｈａｒ；ｐｏｌｌｕｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ；ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
２ 秸秆生物炭的性质
２．１ 元素组成 秸秆生物炭主要组成元素为碳、氧、氢等，除此
之外，秸秆生物炭中还含有较高的氮、磷、钾、硫和灰 分，灰分是原料热解后的残留无机固体。同种原料 制备的生物炭的成分主要取决于裂解温度。随着热 解的温度升高，碳、磷、钾含量及灰分含量增加，氮含 量减少。Ｃ／Ｎ比反应生物炭的稳定性，随着温度的 升高 Ｃ／Ｎ比增大，秸秆生物炭稳定性增强，不易被 矿化分解，利于长期使用［１３］。秸秆生物炭中的元素 一定程度上影响对污染物的去除效果，如磷含量增 大，与重金属离子生成磷酸盐沉淀，增强对重金属离 子的去除效 率 ［１４］。 Ｈ／Ｃ比 值 降 低 表 示 生 物 炭 的 碳 化和芳香性增加 。 ［１５］ Ｚｈａｉ等 利 ［１６］ 用玉米秸秆生物 炭研究灰分含量增加的原因，结果表明随着温度升 高，无机盐含量迅速升高，导致灰分含量增加。李明 等［１７］以水稻和玉米秸秆为原料在 ３００～５００℃裂解 得到的生物炭，随着温度的升高，碳、磷、钾的含量分 别从 ５５．９％，２．８ｇ／ｋｇ，４９．２ｇ／ｋｇ，上升到５６．９％， ３．６４ｇ／ｋｇ，６４．５ｇ／ｋｇ。 ２．２ 比表面积
工程。电话：１８７０５１９７８５８，Ｅ－ｍａｉｌ：７７５７６３５２４＠ｑｑ．ｃｏｍ 通讯联系人：陈蕾（１９８５－），女，南京林业大学副教授，博士，研究方向为给排水科学与工程。
第 ２期
王志鹏等：秸秆生物炭的研究进展
４４５
了 ＭｎＯｘ生物炭复合材料（ＭＢＣ），ＭＢＣ对 Ｃｕ２＋的最 大吸附量达到 １６０．３ｍｇ／ｇ，与单 一 秸 秆 生 物 炭 相 比，吸附能力提升了约 ８倍，灰分含量提升约 ４倍， 孔径从 ２３．７ｎｍ提升至 ９２．２ｎｍ，ＭＢＣ的 Ｃ／Ｏ比从 ２５降低到 １．８８，Ｘ射线光电子能谱结果显示，增加 的氧主要以 Ｍｎ—ＯＨ和 Ｍｎ—Ｏ形式存在。此外，对 生物炭的表面进行化学处理，也可改善秸秆生物炭 的性能。
中的应用，为秸秆生物炭的研究和应用提供借鉴。
１ 秸秆生物炭的制备
热解法是利用高温在限氧条件下对秸秆进行分 解，根据加热速率和热解时间的不同，热解反应可分 为快速热解和慢速热解。慢速热解的加热速率低于 １℃ ／ｓ，反 应 温 度 往 往 在 ７００℃ 以 下，反 应 时 间 长［６］，秸秆生物炭主要利用这种方式制备而成。快 速热解的加热速率最大可达 １０００℃ ／ｓ，反应温度 达到 ９００℃，数 秒 之 内 即 可 完 成 秸 秆 生 物 炭 的 制 备［７］，快速热 解 生 物 炭 产 量 较 低，因 为 秸 秆 内 部 结 构在高温 条 件 下 被 破 坏［８］。 不 同 的 热 解 条 件 对 生 物炭的性能和产率有很大影响，主要的影响因素有： 反应时间、反应温度、加热速率［９］。简敏菲等 以 ［１０］ 水稻秸秆为原料，在不同温度下（３００～７００℃）利用 慢速热解法制备生物炭，当温度升高时，生物炭产率 从３８．２４％下降到 １７．１１％，灰分、碳含量增加，孔隙 量增加，平均孔径变小。
我国是一个农业大国，随着农业的发展，农作物 产量大幅提高，农作物秸秆广泛分布在我们农村地 区，其中主 要 来 源 为 水 稻 秸 秆、玉 米 秸 秆 和 小 麦 秸 秆，截 止 ２００９ 年，我 国 农 作 物 秸 秆 年 产 量 为 ８．２亿 ｔ［１］。秸秆是农作物收割后残留的茎叶部分， 富含植物生长需要的氮、磷、钾、镁、钙和硫等营养元 素［２］。然而目前我国秸秆的资源化利用效率低，经 济效益差，不仅造成了资源的浪费而且严重污染环 境［３］。近年来，由 于 缺 乏 对 秸 秆 的 合 理 处 置 方 法， 农村秸秆的大量焚烧屡禁不止，引发了严重的社会 问题，秸秆资源的处置越发引起人们的关注。
近年来，利用农作物秸秆制备生物炭因其突出 的效果备受关注。秸秆生物炭是利用农作物秸秆在 低温限氧 条 件 下 热 解 产 生 的 富 碳 固 体［４］。 秸 秆 生 物炭比表面积大和孔隙结构复杂，表面富含丰富的 活性官能团，使得生物炭作为吸附剂和催化剂表现 出巨大的潜力。秸秆制备生物炭资源化利用可显著 减少温室气体 ＣＯ２的排放，作为一种新型多功能材 料生物炭广泛应用于：水污染控制、改良土壤肥力、 土壤 固 炭、土 壤 修 复、微 生 物 燃 料 电 池 电 极 等 方 面［５］。本文综 述 了 秸 秆 生 物 炭 的 制 备 方 法 和 理 化 性质，着重总结了秸秆生物炭在污染物修复和农业