生物质碳的性质及环境应用

生物质碳的性质及环境应用

1 生物质炭的性质

生物质炭指在缺氧或限氧条件下对生物质进行高温热解处理后的残余固态物质，同时伴随着可燃气体和生物油的产生。生物质炭的物化性质（如元素的含量、比表面积、孔隙结构、总孔容和表面官能团等）和产率与所用原料和制备条件（如温度、停留时间和压力等）紧密相关。总的来说，生物质炭是一种含有多环芳烃等多种表面官能团的多碳物质，具有孔隙结构发达和高度的化学/生物稳定性分子结构的特点。通常认为，生物炭属于黑炭范畴的一种，根据生物质材料的来源，生物炭可以分为木炭、竹炭、秸秆炭、稻壳炭等[1]。同时，生物质炭含有的多种化学官能团使其能显示出亲水、疏水、酸性等多种性质[2]。

生物质炭的环境功能主要决定于其理化性质。制备生物质炭的材料和制备条件如温度、氧气含量和时间对生物质炭的性质有比较大的影响[3]。因此，由于制备生物质炭的原料不同，制备条件各有差异，获得的生物质炭的性质存在很大差异。例如，畜禽粪制备的生物质炭养分含量高于木屑制备的生物质炭的。高温条件下制备的生物质炭(700 ℃)比低温下制备的生物质炭(400 ℃)有更高的孔隙度，吸附能力也较强。Mahinpey等[4]采用小麦秸秆探讨了热解压力、温度和气流速率对生物质炭产率和性质的影响，发现生物油的产率随着压力的增高而增大，生物质炭相比于原秸秆具有更低的H:C和O:C比。Hossain等[5]研究了温度对活性污泥生物质炭的产率和性质的影响，指出生物质炭产率和氮含量随着热解温度的升高而降低，而微量元素含量却随温度上升而上升。Ozcimen等[6]使用杏核、榛壳、葡萄籽和栗壳几种不同的生物质原料进行生物质炭的制备，指出生物质炭是一种含碳量高、热值高和相对无污染的潜在固体生物能源。

2 生物质炭的环境应用

研究发现，生物质炭具有改良土壤，提升土壤肥力，增加土壤中碳汇，减少温室气体排放等作用。同时，生物质炭的孔隙结构发达，表面官能团丰富，生物稳定性高等特点，使其可以作为一种吸附剂进行使用[7]。目前，对于生物质炭的研究还处于探索阶段，关于制备条件对生物质炭性质的影响，用于土壤肥力的提升和对污染土壤的修复以及对重金属的吸附去除研究等方面研究较多。

2.1 生物质炭的土壤环境功能应用

生物质炭最重要的方面是它对土壤环境功能的影响。向土壤中施入生物质炭可以对土壤产生多方面的有益影响，生物质炭可以提高土壤对营养元素的吸持能力和阳离子交换量(CEC)、降低土壤的酸度和有毒元素对植物的毒性、提高土壤

养分的利用率、增强土壤的保湿能力、改善土壤结构和其它物理性质、促进土壤微生物种群的发展并增强土壤微生物的活性、减少水稻土N2O 和CH4的排放、促进土壤养分的循环，并且可以增加土壤有机碳的含量，从而可以促进植物的生长[8-9]。

2.1.1生物质炭对土壤物理性质和保水能力的影响

在亚马逊河流域的某些黑土中，上层土壤的容重比下层土壤低，土壤容重随土壤剖面深度的增加而增加[10]，这主要是生物质炭所起的作用。生物质炭的多孔结构使表层土壤空隙度增加，容重减小，这种结构有利植物根系的生长，从而促进作物地上部的生长，提高作物的产量。某些土壤条件下，尤其是干旱条件下作物根的伸长会受到限制，这种状况可以通过施入生物质炭得到改善。生物质炭还可以降低土壤的抗张强度，增加土壤的田间持水量[11]。除改善表层土壤的物理性状外，生物质炭还可随水分沿土壤剖面向下迁移，使底层土壤的物理性状也能得到一定程度的改善[12]。

生物质炭可以吸附和保持水分，并且可以增强土壤水分的渗透性。土壤的田间持水量随施入生物质炭数量的增加而增加。亚马逊河流域某些地区，施入生物质炭可使土壤的保水能力提高18%。生物质炭使土壤的孔径和分布发生变化，从而改变了土壤水分的渗滤模式、停留时间和流动路径[13]。用生物质炭提高土壤的田间持水量，对砂性土意义更大，因为这类土壤对水分的保蓄能力很弱。因此生物质炭可以作为提高干旱地区砂性土保水能力的一种有效手段。添加生物质炭引起土壤水分含量的变化，并对土壤中有机质的分解、营养元素的有效性和微生物活性产生影响。

2.1.2生物质炭与土壤固碳和温室气体的减排

Steinbeiss等[14]分别将生物质炭加入耕地土壤和森林土壤中，讨论了生物质炭在这两种土壤中的固碳能力，发现土壤中的真菌和革兰氏阴性菌都能利用生物质炭。周桂玉等人[15]向土壤中添加秸秆生物质炭和松枝生物质炭培养45 d后，土壤有机碳含量、胡敏酸和富里酸含量、有效养分含量都有不同程度的增加，同时胡敏酸的色调系数△lgK降低，对土壤有机碳的长期保存有积极意义。

农业活动排放温室气体，一个固定碳的方法就是把含碳物质经过加热处理使其变为稳定物质[16]。通过高温热解生产生物质炭和生物质能源可以降低碳的排放[17]。有机物质的燃烧是自然界光合作用循环的一部分，将碳固定在生物质炭中，从而使碳从这一循环过程脱离出来，这样对于整个大气层来说是一个碳的净减少。CO2通过光合作用固定在生物质中，生物质分解放出CO2，生物质炭间接阻止了生物质的分解过程，使碳以一种稳定的形态贮存起来，阻止了碳向大气的再释放，这就是所谓的生物质炭的“碳-负”(carbon-negative)效应。由于生物质

炭通过“碳-负”效应能长期将大气中的碳固定在土壤中而正在成为人们关注的热点。

通过热解的方式把易降解的生物质转变成难降解的较稳定的生物质炭，可以减少温室气体的排放。生物质炭中的碳以稳定的芳香化结构存在，相对于制备它的物料来说，即使在适宜的环境条件下它也很难转变为CO2。把农业废弃物转变成生物质炭可以减少农业废弃物造成的污染，作为一种清洁的可再生能源可以替代部分传统的化石燃料，可以提高农业的生产力，也有利于碳的减排。

2.1.3生物质炭对污染土壤的修复功能

生物质炭的多孔结构和表面丰富的含氧官能团使得生物质炭具有较强的吸附有毒物质的能力，并且可以用来修复污染土壤。生物质炭可以吸附农药等有机污染物，降低这些污染物在土壤中的化学活性和毒性。生物质炭对杀虫剂的吸附能力是土壤的2000倍，即使在土壤中施入少量的生物质炭(0.05%)也能有效降低有机污染物对植物的毒害作用，降低杀虫剂和其它有机污染物在植物中的积累[18]。加入生物质炭使土壤孔隙水中多环芳烃(PAH)的浓度降低了50%[19]。生物质炭对有机污染物的去除机理主要有以下几方面：(1)生物质炭具有丰富的孔隙结构，这种结构对有机污染物起固定作用；(2)生物质炭具有巨大的比表面，使其可以作为一种去除污染物的良好吸附剂；(3)高温条件下制备的生物质炭的极性比较强，这样的生物质炭对有机物质的亲和能力强，因此能更有效地去除有机污染物；(4)生物质炭能增强土壤中微生物的活性，从而也增强了微生物对有机污染物的降解能力。

生物质炭对重金属也有很高的吸附容量，向土壤中添加生物质炭可以增加土壤对重金属的吸附容量。用取自污染场地的土壤进行了为期60 d 的培养实验，结果表明，加入生物质炭使土壤孔隙水中镉的浓度降低了10倍，从而减少了镉对植物的毒害作用。这说明生物质炭可以用来修复污染场地[19]。生物质炭可以通过提高土壤pH 降低重金属(Cu 和Zn)在土壤中的移动性，对重金属起到固定作用[20]。生物质炭表面的官能团可以增强土壤保持重金属元素(Ni2+、Cu2+、Pb2+和Cd2+)的能力，因此在选择生物质炭作为土壤改良剂时应根据改良的目的和土壤的性质选择合适的生物质炭[21]。

2.2 生物质炭的水处理应用

水处理方面，陈宝梁[22]研究了生物质炭对水中有机污染物4-硝基甲苯的去除效果，指出生物质炭的吸附性能与生物质炭的芳香性呈线性相关关系，饱和吸附量与比表面积具有正相关关系。周尊隆等[23]发现生物质炭对有机物菲的吸附与拟二阶动力学模型拟合度较高，在低浓度和高浓度吸附时受不同的吸附机理控

制。Liu等人[24]利用松木和稻壳制作生物质炭发现其对水中的重金属铅表现了较好的吸附性能，吸附过程受溶液pH影响，且吸附过程吸热，吸附结果与伪二级动力学模型和Langmuir模型的拟合度较高。Uchimiya等[25]研究了生物质炭对同时含有铜、镍、镉和铅几种重金属的水溶液和土壤修复作用。

生物质炭作为吸附剂对磷的去除研究，目前只有Yao等[26]用厌氧消化后的甜菜残渣制作生物质炭并对水溶性磷进行了吸附研究，发现制得的生物质炭具有巨大的比表面积，并通过元素分析、电镜扫描和CRD等技术发现生物质炭表面具有胶态的氧化镁粒子，推断氧化镁粒子的存在是吸附除磷的主要因素。同时，他们还提出吸附后的生物质炭可直接应用于土壤中，不仅可以起到增加土壤中磷含量的作用，同时生物质炭还可以增加土壤中的碳汇量。彭峰等人[27]进行了松木生物质炭吸附除磷的实验，证实了生物质炭对磷具有较好的吸附作用，为生物质炭作用于吸附磷吸附起到了引导作用。李际会[28]使用FeCl3对小麦秸秆生物质炭进行改性并研究了其对水中磷酸盐和硝酸盐的吸附效果。结果表明改性生物质炭吸附磷酸盐属于二级反应模式，与Langmuir模型的拟合度最高，主要为化学吸附作用；对硝态氮的吸附过程符合Freundlich吸附方程，Langmuir吸附方程的理论饱和吸附量为2.47 mg·g-1，反应符合二级反应，吸附是物理吸附和化学吸附共同作用的结果，但物理吸附占主导。

3 结语

生物质炭作为一种环境友好型材料，其来源广泛、制作简单，随着研究的深入，生物炭在全球碳的生物地球化学循环和缓解全球气候变化研究领域、在农业土壤改良和作物栽培领域，以及土壤污染物质的生态修复领域的巨大意义日益显现，可以预见生物炭在环境科学、土壤学和农业生产方面将有更广阔的应用前景。

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