生物炭的应用领域

1.生物炭的应用领域

(1)生物炭的环境效应

随着低碳经济和可持续发展理念的提出和实施，气候变化问题不容小觑，而COZ等气体的排放所造成的温室效应也成为全世界的环境难题。制备生物炭的生物质来源广泛，易集中处理，低污染，可再生，应用潜力巨大。Lehmann曾指出，植物光合作用吸收的CO2会转变为碳水化合物来储存，经过热解处理后得到的生物炭再重新施与土壤中会起到固碳的作用，这种循环可以称为一个净的“负碳”过程，可以有效缓解全球气候变暖问题[34] 除此以外，生物炭因其自身的特殊性能还常常被用于水质净化，污水处理，废气处理等环境领域。如生物炭常被用于脱硝脱硫工艺中，通过吸附作用有效去除二氧化硫及氮氧化物等污染物。

(2>生物炭的农业效应

己有研究发现，农林业废弃物通过热解炭化制备成生物炭并以土壤改良剂的形式重新施与土壤，可以起到改善土壤环境，增加土壤肥效，提高农作物产量，并修复土壤的效果，若能运用于实际中，能极大的促进土壤的可持续利用和农业的绿色发展。

生物炭含有丰富的矿质元素，施加到土壤中可提高土壤中P, K, N, Mg, Ca, N等元素的含量，尤其是畜禽粪便生物炭对贫瘩土壤的养分补充效果非常明显。生物炭的石灰当量值较大，因此施与土壤中能与石灰有同样的作用，通过提高土壤碱基饱和来降低可交换铝水平，而酸性土壤的pH值也可以通过生物炭对土壤质子的消耗作用来完成[35-37]，进而改良酸性土壤养分的有效性。生物炭自身的高碳含量，不但可以增加土壤中的有机碳，还可以一定程度的提高土壤中有机质的含量，外加它本身就具有一定的吸水能力，因此，能大幅度的提升和改善土壤整体的养分吸持容量和持水能力。在土壤保肥方面，生物炭因其自身的特殊性质具有较高的吸附能力，阳离子交换量(CEC)和化学反应性，因此，常起到肥料缓释载体的作用，通过延迟和缓冲土壤中肥料的释放来提高其利用率[[38,39]。同时，生物炭的水肥吸附作用及孔隙结构能有效的改善土壤微生物环境，

为有益微生物的生存提供良好的栖息环境，促进其种群的繁硝和活性的保持[40-42]

(3)生物炭的能源效应

化石能源作为人类文明进步和社会发展所依赖的主要能源结构，因为不可持续性和人类的巨大消耗使其逐渐走向枯竭。能源危机也因此成为全球高速发展的限制性因素，如何探索和发现新型替代能源己是燃眉之急[43]。生物炭作为一种可再生碳源，燃烧性能好，热值高，清洁，无污染，因而具有极大的开发潜力。我国每年秸秆产量有七亿吨，制成生物炭具有的热值高达2.25亿吨，价值折合Ig00亿元人民币，可填补我国燃煤缺口的一半以上，可应用于农村分散供热，供暖以及城市集中供暖，发电等，有效调整我国能源结构，为绿色可持续发展提供新型起步点和着眼点。除此以外，生物炭制备过程中获得的混合气和生物油以蒸汽催化的方式进行重新整合收集后可得氢气副产品，作为一种新原料和能源被用于合成氨等其它方面与领域[44]。而生物油也可升级加工为工业化学品，和化学还可进一步精炼得到生物柴油燃料。因此，生物炭制备过程中所产生的生物能源品可在一定程度上缓解化石能源的压力，并从总量上减小了化石原料的碳排放量。L

(1)在污水处理中的应用

生物炭的多孔结构及高比表面积使其与活性炭类似，可以用于环境中的污染物的吸附剂(Beesley L, et al., 2010; Beesley L, et al., 2011; Chen X, et al.,2011; Ippolito J A, et al. , 2012a)。目前，己有很多研究使用废弃物制成的生物炭来去除水中的污染物，并且对多种污染物都有显著的吸附效果(Cao X D, et al.,2009; Chen X, et al.，2011;Dong X, et al.，

2011;Ippolito J A, et al.，2012a;Qiu Y, et al. , 2008 ; Uchimiya M, et al. , 2010)。生物炭在污水处理方面的应用主要包含两个方面，即有机污染治理和无机污染治理。有机污染物主要包括染料、酚醛树脂、农药、芳烃以及抗生素等，无机污染物主要包括阳离子和阴离子。Chen等(Chen X, et al. , 2011)报道了由硬木和玉米秸秆制备的生物炭对Cu和Zn有很强的吸附性，分别高达12.5和11.0 mg/g o Klasson等使用杏仁壳生物炭吸附水中的二嗅氯，其比表面积可达到344 m2/g，最大吸附量为102 mg/g(Klasson K T,et al. , 2013) o Cao等(Cao X D, et al., 2009)研究表明在200 0C条件下由牛粪制得的生物炭优于市售活性炭，可以有效地去除水中的铅和萎去津，对铅的吸附可达680 mmol Pb kg-1，在铅和萎去津共存的情况下，竞争吸附很小，Pb在富含磷酸盐和碳酸盐的环境下形成了矿物沉淀因而降低Pb在溶液中的有效性。Uchimiya等将Cd, Cu, Ni, Pb的固定归因于阳离子交换和二电子基团(C=C)(Uchimiya M, et al. , 2010) o氧化还原反应也可能在吸附过程中发生，如使用甜菜根生物炭去除Cr}OL)的实验中，Cr(OI)会被还原成Cr(III)，并与生物炭发生鳌合(Dong X, et al.，2011)。

(2>在土壤改良中的运用

生物炭具有化学和热稳定性，可以持久保存在土壤中不被矿化。在土壤中施加生物炭后可以改良土壤的酸碱度，并能提高土壤的持水能力、养分含量和阳离子的交换能力，农作物的产量也得到了提高。首先，生物炭可以提高土壤的pH值、改善土壤的质地并增加盐基交换量，使得土壤的CEC增加(Hossain M K, et al. , 2010; Laird D, et al. } 2010; Van Zwieten L, et al. } 2010)。同时，生物炭含有大量的可以增添离子交换点位的经基、梭基和芳环结构等基团，从而可以对植物吸取营养元素产生影响(Woods W I, et al. } 2009)。此外，生物炭还可以有效地对土壤中的营养元素循环起到调节作用，借此提高土壤的持水能力和供水能力(Chen Y, et al. } 2010; Laird D A, 2008)，通过减少水溶性离子的迁移性而防止营养元素的流失，使其在土壤中可以缓慢而持续地释放，从而对肥力进行保持(Woods W I, et al. } 2009)，若再与其它肥料搭配施用，会使得作物具有更好的增产效果(Glaser B, et al. } 2002)。生物炭拥有多孔性结构和较大的比表面积，这可以增强微生物的存活能力，调控土壤微环境以改善土壤。最后，生物炭可以转变有毒元素的存在形态来减小其危害，有助于植株正常发育。研究表明(Cox D,et al. } 2001; Topoliantz S } et al. } 2005 ; Van Zwieten L, et al. } 2010)，生物炭的施加能增大土壤pH值，并且可以降低重金属的交换态含量，提高植物营养元素的利用性，导致植株生长的促进。

C3)在碳库中增汇减排

温室气体排放增多、自然气候变化异常等环境形势日趋严峻，温室气体减排己成为各国面对的挑战之一。研究表明，大气中的碳素含量持续升高的原因主要为土地的大量利用导致土壤碳汇损失(Lal R, 2004)。作为稳定富碳的物质，生物炭的制备和保存均可以对碳素成分进行固定避免进入大气中，这便十分有效地发挥了土壤碳汇的作用，其减排机理主要有可以稳定固定碳素、与土壤中矿物形成团聚体以降低分解(陈小红，等，2007;潘根兴，等，2007)，降低土壤中有机碳的矿化水平(潘根兴，等，2000, 2007)以及对土壤中释放的其它温室气体如NOX,CH4等进行调节(Roberts K G, et al. , 2010 ; Yanai Y, et al. , 2007)。这可以对气候变化以及全球热辐射的平衡起到一定的积极作用(Kuhlbusch T A, 1998 ;Lehmann J, et al.，2006)。L