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王懷臣，馮雷雨，陳銀廣
（同濟(jì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092）
摘要：生物質(zhì)炭作為一種多功能性材料正逐步受到人們的廣泛關(guān)注。本文綜述了以廢棄物為原料制備生物質(zhì)炭，給出了制備生物質(zhì)炭的主要工藝，并對(duì)生物質(zhì)炭的主要物理化學(xué)性質(zhì)如元素組成、堿度、表面特性和孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹。然后對(duì)生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用做了相應(yīng)介紹，例如用作土壤改良劑提高土壤肥力、增加碳固定、減少溫室氣體排放，作為一種高效吸附劑同時(shí)去處污水中重金屬及有機(jī)污染物等。最后，對(duì)今后生物質(zhì)炭的研究方向作出了展望，指出應(yīng)繼續(xù)研究盡快實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)炭的大量、高效、廉價(jià)生產(chǎn)，從原料和工藝方面著手進(jìn)一步提高生物質(zhì)炭的比表面積，使其成為活性炭的替代品，同時(shí)進(jìn)一步研究對(duì)土壤的改良和修復(fù)、對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的促進(jìn)以及對(duì)溫室氣體的減排作用的機(jī)理，并提供大面積的長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。
生物質(zhì)炭，國(guó)外將其定義為biochar，是指由富含碳的生物質(zhì)通過裂解或者不完全燃燒生成的一種生物質(zhì)[1-4]。它是一種多功能材料，含有大量的碳和植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可用做土壤改良劑提高土壤肥力，并可以進(jìn)一步提高農(nóng)作物產(chǎn)量。此外，生物質(zhì)炭具有較大的比表面積且表面含有較多的含氧活性基團(tuán)，可以吸附土壤或污水中的重金屬及有機(jī)污染物等，因成本較低，被許多人認(rèn)為是未來活性炭的替代品。特別是，生物質(zhì)炭是經(jīng)熱解形成的，其制備原料對(duì)碳、氮具有較好的固定作用，施加于土壤中，可以減少CO2、N2O、CH4等溫室氣體的排放，減緩全球變暖[5-7]，它被認(rèn)為是一種在農(nóng)業(yè)和環(huán)境中有廣闊應(yīng)用前景的材料。
盡管含碳基質(zhì)可用于制備生物質(zhì)炭，但是為了減少環(huán)境污染及資源化利用有機(jī)廢物，近年來文獻(xiàn)報(bào)道了利用農(nóng)林廢棄物、工業(yè)廢棄物以及污水廠剩余污泥等城市有機(jī)廢物制備生物質(zhì)炭[5，8]。用這些廢棄物生產(chǎn)生物質(zhì)炭是一種有效的實(shí)現(xiàn)固廢資源化的途徑，對(duì)其作進(jìn)一步的分析和利用具有極高的研究?jī)r(jià)值和重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文作者對(duì)廢物資源化制備生物質(zhì)炭及其應(yīng)用的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并對(duì)未來生物質(zhì)炭領(lǐng)域的研究方向進(jìn)行了展望。
1制備生物質(zhì)炭的原料
理論上講，所有富含碳的有機(jī)質(zhì)均可用于制備生物質(zhì)炭。但用淀粉等有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)生物質(zhì)炭則成本較高，在全球資源匱乏的今天顯然不符合資源最佳利用的原則，因此利用含碳量高的固體廢棄物例如秸稈、稻草、林木采伐廢枝、甘蔗渣、污水廠剩余污泥等作為原料制備生物質(zhì)炭不僅避免了環(huán)境污染并可生成新的能源，是一種廢物資源化的良好途徑。據(jù)報(bào)道我國(guó)每年秸稈產(chǎn)量約7億噸，農(nóng)林廢棄物約3.5億噸，并有大量的城市垃圾難以處理，若將它們用于生產(chǎn)生物質(zhì)炭無(wú)疑是一種變廢為寶的方法。
植物類廢棄物主要有秸稈、稻草、米殼、樹枝，這些廢棄物通常含有豐富的碳。目前，植物類廢棄物主要的處理方法為燃燒，既污染了環(huán)境又浪費(fèi)了能源，因此，可以用其生產(chǎn)生物質(zhì)炭，并作進(jìn)一步利用。例如，Yuan等[5]分別采用菜籽秸稈、大豆秸稈、玉米秸稈和花生秸稈在低氧環(huán)境下裂解得到了一系列的生物質(zhì)炭，發(fā)現(xiàn)不同的原料基質(zhì)制成的生物質(zhì)炭的產(chǎn)率和性質(zhì)差別較大，其中花生秸稈生物質(zhì)炭比其余幾種生物質(zhì)炭中堿金屬離子和含磷量都高，這主要是因?yàn)榛ㄉ斩捴羞@些成分的含量高于其它幾種原料。生物質(zhì)炭是由基質(zhì)經(jīng)過不完全燃燒或裂解生成的，其主要成分均來自于所用原料，因此認(rèn)為原料是影響生物質(zhì)炭產(chǎn)率和性質(zhì)的最重要的因素。
輕工業(yè)同樣會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢棄物，其中不乏含較多碳的物質(zhì)。例如，制糖產(chǎn)業(yè)中，目前主要原料是甘蔗和甜菜，在制糖后會(huì)有大量的甘蔗渣和甜菜渣產(chǎn)生，這些廢棄物含有大量的碳，是制備生物質(zhì)炭的理想材料。Inyang等[7]用甘蔗渣置于熱解爐中，在低氧環(huán)境下裂解得到生物質(zhì)炭，實(shí)驗(yàn)中其將基質(zhì)甘蔗渣消化后再裂解生產(chǎn)生物質(zhì)炭DBC（digestedbagassebiochar），并與新鮮甘蔗渣制成的生物質(zhì)炭BC（bagassebiochar）相比，發(fā)現(xiàn)二者產(chǎn)率接近，但DBC的性能更好，具體表現(xiàn)在其擁有更高的pH值、更大的比表面積和陰、陽(yáng)離子交換能力以及更多的表面電荷[7]。這些性質(zhì)均是衡量生物質(zhì)炭性能的重要指標(biāo)，所以，對(duì)原材料進(jìn)行消化處理后制備的生物質(zhì)炭會(huì)有更好的應(yīng)用效果。Yao等[9]以甜菜渣為原料也得到了相似的結(jié)果。另外，通過對(duì)原材料進(jìn)行一定的預(yù)處理，可以使制得的生物質(zhì)炭呈現(xiàn)出某些特殊的性質(zhì)。例如Chen等[1]以桔子皮為基質(zhì)制備生物質(zhì)炭，但在裂解前將原料于FeCl2、FeCl3（摩爾比=1︰1）混合液中先采用共沉法進(jìn)行預(yù)處理，使制得的生物質(zhì)炭具有磁性，并發(fā)現(xiàn)氧化鐵的加入使生物質(zhì)炭固定原始有機(jī)物的能力顯著增強(qiáng)，而且磁性生物質(zhì)炭和氧化鐵顆粒呈有序的晶格分布，而普通的生物質(zhì)炭則呈無(wú)定形態(tài)。
通過N2吸附和BET分析發(fā)現(xiàn)，加入鐵之后雖然生物質(zhì)炭的總表面積減小，但同時(shí)也使更多的微孔分布在納米級(jí)別，從而使其對(duì)磷酸鹽等污染物的去除能力得到加強(qiáng)。最重要的是，粉末狀的生物質(zhì)炭或者活性炭投加到水中吸附完污染物后不容易分離，而磁性生物質(zhì)炭因?yàn)楸旧砭哂写判詣t可以利用電磁原理將其分離回收，這比膜分離成本更低，效率更高。
自19世紀(jì)活性污泥法處理污水誕生以來，因其成本低，效果好，已成為最普遍的城市污水處理方法。但是，在此過程中，剩余污泥是不可避免的副產(chǎn)物，每年產(chǎn)生大量的污泥難以處置。目前，污泥的主要處理方法是填埋和焚燒，填埋占用大片土地資源并有可能會(huì)污染地下水，焚燒則會(huì)產(chǎn)生空氣污染并造成能源浪費(fèi)。而污泥中含有大量的C以及N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是制備生物質(zhì)炭的優(yōu)質(zhì)原料。
Hossain等[10]以剩余污泥為原料裂解制成生物質(zhì)炭，產(chǎn)率最高可達(dá)72.3%，并且其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量很高，適合于施入土壤中促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。因此，用剩余污泥制備生物質(zhì)炭的前景非?？捎^。同樣，家禽、家畜的糞便也富含很多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在我國(guó)農(nóng)村常被施加于土壤中用以提高土壤肥力，增加農(nóng)作物產(chǎn)量。
但畜禽糞便也是有機(jī)質(zhì)，含有大量的碳，亦可用于制備生物質(zhì)炭。Cao等[6，11]以奶牛廠糞便為原料制備的生物質(zhì)炭不但具有提高土壤肥力的作用，還可以吸附受污染土壤中的Pb等重金屬以及阿特拉津等農(nóng)藥類有機(jī)污染物，可用于受污染土壤的修復(fù)，其效果遠(yuǎn)大于糞便本身。
另外，我國(guó)的湖泊水體富營(yíng)養(yǎng)化非常嚴(yán)重，例如2007年太湖的藍(lán)藻爆發(fā)給我國(guó)造成了不可估量的損失，藻類污染已成為人們不得不認(rèn)真面對(duì)的嚴(yán)峻問題。藻類分為大分子藻類和微藻類，大分子藻類常見于湖泊中，而微藻個(gè)體極小，懸浮生長(zhǎng)于水中。藻類主要由碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂類構(gòu)成，微藻類脂類含量較高，適合于生產(chǎn)生物燃料，而大分子藻類脂類含量較低，且繁殖速度非?？欤捎脕碇苽渖镔|(zhì)炭。Bird等[12]用分別來自淡水和海水的8種藻類裂解制得了一系列生物質(zhì)炭，與用家禽糞便等有機(jī)廢物制成的生物質(zhì)炭類似，其中P、K、Ca、Mg等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量非常豐富，適宜用做土壤改良劑提高土壤肥力。
綜上可以看出，目前的研究均以富含碳的物質(zhì)，如秸稈、稻草、樹枝、草、藻類等植物類廢棄物，糞便、剩余污泥等有機(jī)質(zhì)廢棄物，以及甘蔗渣、甜菜渣等工業(yè)廢棄物為基質(zhì)，在低氧環(huán)境下低溫裂解后得到生物質(zhì)炭。以上富含碳的物質(zhì)基本都是廢棄物，很大程度上避免了能源浪費(fèi)，在當(dāng)今能源危機(jī)的背景下變得非常有意義。
2生物質(zhì)炭的制備方法
生物質(zhì)通過熱化學(xué)過程轉(zhuǎn)變成生物燃料或其它生物產(chǎn)物要經(jīng)過3個(gè)階段：裂解過程、碳化過程和氣化過程。生物質(zhì)炭是通過將生物質(zhì)在缺氧環(huán)境下，于300～700℃下裂解得到。裂解條件不同，得到的產(chǎn)物產(chǎn)率和性質(zhì)均有較大差異。基于不同的裂解條件，裂解可分成3種基本形式：慢速裂解、中速裂解以及快速裂解，各方式具體參數(shù)和特點(diǎn)見表1。反應(yīng)所需的能量有4種不同的途徑提供：①由反應(yīng)自身放熱提供；②通過直接燃燒反應(yīng)副產(chǎn)物或基質(zhì)提供；③燃?xì)馊紵訜岱磻?yīng)器間接提供；④由其它含熱物質(zhì)間接提供。
在慢速裂解過程中，蒸氣停留時(shí)間較長(zhǎng)（約>10s），反應(yīng)溫度在450～650℃間，大氣壓下慢速升溫（0.01～2.0℃/s），這一裂解環(huán)境使得液態(tài)產(chǎn)物減少，而固態(tài)產(chǎn)物（生物質(zhì)炭）產(chǎn)率增加。慢速裂解速度較慢，促進(jìn)了大量的生物質(zhì)顆粒內(nèi)以及混合蒸氣相中的二級(jí)反應(yīng)[13]，同時(shí)，高濃度的蒸氣和較大的固液接觸面，也促進(jìn)了副反應(yīng)，并進(jìn)一步提高生物質(zhì)炭的產(chǎn)率。
由表1可以看出，慢速裂解和中速裂解均有較高的生物質(zhì)炭產(chǎn)率，而快速裂解則得到的液態(tài)產(chǎn)物較多。因此，為了得到較多的生物質(zhì)炭，慢速和中速裂解過程更為適合。Duku等[13]總結(jié)了制備生物質(zhì)炭的最佳條件為：①木質(zhì)素、灰分和氮含量高的生物質(zhì)為基質(zhì)；②較低的裂解溫度（<400℃）；③較高的壓力；④較長(zhǎng)的蒸氣停留時(shí)間（>10s）；⑤較大的氣固接觸面；⑥較低的升溫速率（0.01～2.0℃/s）；⑦較大的生物質(zhì)顆粒。
生物質(zhì)炭的制備方式通?？煞譃榕街苽浜瓦B續(xù)制備。生物質(zhì)炭傳統(tǒng)的制備方式是批式制備，例如利用地窖、磚窯等將生物質(zhì)堆埋，裂解制備生物質(zhì)炭[圖1(a)]。這些方式設(shè)備一般比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)施，并且成本較低，但產(chǎn)率較低，且無(wú)熱量回收等。今天，隨著科技進(jìn)步和自動(dòng)化程度的提高，現(xiàn)代化的連續(xù)制備方式已較為成熟，較常見的設(shè)備有：鼓式裂解儀、螺桿式裂解儀和回轉(zhuǎn)窯裂解儀等[如圖1（b）]。顯然，可用于工業(yè)熱裂解的連續(xù)式制備方式將是未來生物質(zhì)炭生產(chǎn)的主流方式。兩種制備方式，產(chǎn)率不同，各有優(yōu)缺點(diǎn)，詳見表2。
3生物質(zhì)炭的性質(zhì)
一般而言，應(yīng)用不同基質(zhì)在不同條件下得到的生物質(zhì)炭，其物理化學(xué)性質(zhì)有所不同，但同時(shí)也擁有很多共同的特性。有報(bào)道指出實(shí)驗(yàn)室條件下制備生物質(zhì)炭的產(chǎn)率從24%～72.3%不等，如能選擇合適基質(zhì)并于適當(dāng)條件下熱解，產(chǎn)率可達(dá)50%[5，10]。
3.1生物質(zhì)炭的成分和元素分析
對(duì)生物質(zhì)炭進(jìn)行化學(xué)成分分析發(fā)現(xiàn)，灰分含量較多，約占總含量的10%～58%。生物質(zhì)炭中灰分含量主要與所用基質(zhì)的種類有關(guān)，而且隨著裂解溫度的升高灰分含量有所升高，這是因?yàn)闇囟仍礁?，揮發(fā)性組分損失越多，導(dǎo)致灰分含量越高。表3給出了幾種實(shí)驗(yàn)室制備的生物質(zhì)炭的元素含量，可以發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭中主要含有C、H、O、N等元素，另外還含有P、S、K、Ca、Mg等植物營(yíng)養(yǎng)元素，其中C的含量最高，能達(dá)到38%～76%，而且由于熱解過程中某些養(yǎng)分被濃縮和富集，與基質(zhì)相比，生物質(zhì)炭中的C含量有所增加，例如甘蔗渣生物質(zhì)炭BC中的C含量比原料中的提高了65.9%，是一種碳固定的良好途徑[1，8，11-12，16-17]，并且P、K、Ca、Mg的含量也高于其制備原料，使其應(yīng)用價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原材料本身。
前面提到，原料的化學(xué)組成對(duì)生物質(zhì)炭的元素組成和含量有重要影響，不同原料制成的生物質(zhì)炭成分含量差別很明顯，研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭中營(yíng)養(yǎng)元素的含量和其來源物料中元素的含量呈直線相關(guān)。
而且，生物質(zhì)炭中各元素的含量與制備過程中的裂解溫度有關(guān)。Hossain等[10]發(fā)現(xiàn)隨溫度升高，生物質(zhì)炭產(chǎn)率有所下降，揮發(fā)性物質(zhì)含量減少，N含量下降，從300～700℃下降了55%，可能是裂解過程中氮的揮發(fā)造成的。同時(shí)P的含量也有所下降，但微量有機(jī)物的含量有所提高。
3.2生物質(zhì)炭的堿性和表面特性
熱解法得到的生物質(zhì)炭一般呈堿性，文獻(xiàn)中報(bào)道其pH值為5～12[5，7，10]。Yuan等[5]對(duì)幾種秸稈制成的生物質(zhì)炭進(jìn)行了XRD（X射線衍射）分析，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭表現(xiàn)為堿性主要是由于其中有碳酸鹽晶體形成，而且，紅外光譜分析（FTIR）發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭表面含有大量—COOH和—OH等含氧活性基團(tuán)，這些基團(tuán)在pH值較高時(shí)以陰離子狀態(tài)存在，可吸收H+，表現(xiàn)為堿性。同時(shí)，這些含氧基團(tuán)使得生物質(zhì)炭表現(xiàn)出疏水性且具有一定的酸堿緩沖能力。另外，含氧活性基團(tuán)使得生物質(zhì)炭表面帶有負(fù)電荷，使其具有較高的陽(yáng)離子交換能力（CEC）。
CEC是衡量土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，高的CEC可以是土壤的淋溶性低，對(duì)養(yǎng)分的固定能力強(qiáng)，對(duì)植物生長(zhǎng)十分有利。世界約30%的土地為酸性，不利于植物生長(zhǎng)，因此可將生物質(zhì)炭作為一種土壤改良劑，提高土壤pH值，能加土壤的陽(yáng)離子交換能力。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，將生物質(zhì)炭施加入土壤中，使其陽(yáng)離子交換能力進(jìn)一步增強(qiáng)[19]，這主要是因?yàn)槠浔砻婊鶊F(tuán)會(huì)發(fā)生了氧化，形成了—COOH等氧化基團(tuán)，但同時(shí)也由于失去了許多表面負(fù)電荷從而降低了陽(yáng)離子交換能力[17，19-20]。Silber等[19]還發(fā)現(xiàn)，裂解得到的生物質(zhì)炭經(jīng)鹽酸浸泡后表面積大幅增加，由3.0m2/g增加到了23.4m2/g，可能的原因?yàn)樯镔|(zhì)炭表面變成了亞微米結(jié)構(gòu)。
與此同時(shí)，有研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭的堿度和pH值隨溫度的升高而升高，原因可能是在高溫下形成更多的CO32－，使其具有較強(qiáng)的緩沖能力[5，10]。另有學(xué)者還發(fā)現(xiàn)隨溫度的升高，生物質(zhì)炭的陽(yáng)離子交換能力下降，這主要是因?yàn)樵跍囟壬哌^程中失去了許多官能團(tuán)[16，19]。
3.3生物質(zhì)炭的孔隙結(jié)構(gòu)
因?yàn)樯镔|(zhì)炭是在蒸氣存在條件下裂解生成的，因此必然會(huì)生成大量的孔隙結(jié)構(gòu)。圖2給出了一種生物質(zhì)炭的微觀結(jié)構(gòu)?？梢园l(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭就有非常復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙大小不一。按生物質(zhì)炭孔徑的大小，可將孔隙分為小孔隙（<0.9nm）、微孔隙（<2nm）和大孔隙（>50nm）。大孔隙可以增加土壤的透氣性和持水率，同時(shí)也為微生物提供了生存和繁殖的場(chǎng)所；小孔隙則可以影響生物質(zhì)炭對(duì)分子的吸附和轉(zhuǎn)移[21]。
生物質(zhì)炭的表面積通常由其孔隙率決定，有些甚至含有納米微孔結(jié)構(gòu)，這顯然會(huì)使其具有較強(qiáng)的圖2生物質(zhì)炭的微觀結(jié)構(gòu)[13]吸附能力。因此，生物質(zhì)炭也可用做環(huán)境中有毒有害物質(zhì)的吸附劑。而且，施加入土壤中后，其豐富的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)使土壤中水分滲濾路徑和速度改變，使得土壤的田間持水率顯著提高，從而改善了土壤對(duì)養(yǎng)分的固定能力。
4生物質(zhì)炭的應(yīng)用
前面提到生物質(zhì)炭有很多特性，是一種多功能性的材料，很多學(xué)者都在研究其在各領(lǐng)域的應(yīng)用。從研究成果來看，生物質(zhì)炭應(yīng)用主要集中于農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域。
4.1在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用
目前，全球土地酸堿化嚴(yán)重，土壤中有機(jī)碳大量流失，土壤肥力較差，亟需一些合適的物質(zhì)施入土壤中來改善土壤環(huán)境。生物質(zhì)炭因其有較高的pH值和陽(yáng)離子交換能力，同時(shí)含有植物所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，被認(rèn)為是一種潛在的優(yōu)質(zhì)土壤改良劑。早在2500年前，亞馬遜流域的印第安土著居民就已將這種黑炭加入到土壤中，大大提高了土壤肥力，土壤呈黑色，經(jīng)測(cè)定其含碳量可高達(dá)9%，是周邊其它土壤的約20倍，同時(shí)，N、P含量是其它土壤的3倍，農(nóng)作物產(chǎn)量可提高一倍。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，這種黑土就是施加了生物質(zhì)炭后形成的一種肥沃土壤[21-22]。
已有報(bào)道將生物質(zhì)炭成功作為土壤改良劑添加到土壤中，從而提高了土壤肥力，增加了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的植物可利用性，進(jìn)一步提高了農(nóng)作物產(chǎn)量[23-27]。
表4給出了幾種不同的生物質(zhì)炭施用對(duì)作物產(chǎn)量的影響?？梢钥闯觯┘由镔|(zhì)炭后（或與無(wú)機(jī)肥料混合施用）可明顯促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量，其具體機(jī)理尚不完全清楚，可能的原因有以下幾種。
?。?）直接原因生物質(zhì)炭中含有大量的C、N、P以及一些有機(jī)的營(yíng)養(yǎng)成分，可以直接提高土壤肥力，促進(jìn)了植物生長(zhǎng)。
?。?）間接原因①生物質(zhì)炭的施用能夠延長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的保留時(shí)間，減少養(yǎng)分流失。②提高了土壤pH值。一般來說，近中性環(huán)境更有利作物生長(zhǎng)，而生物質(zhì)炭一般呈堿性，施加入土壤中可提高土壤pH值[28]。有學(xué)者將甘蔗渣制備的生物質(zhì)炭施加入土壤中，使得土壤pH值由4.0～4.5提高到6.0～6.5，效果非常顯著。③提高土壤含水率和孔隙率。土壤的含水率和有效性是衡量土壤生產(chǎn)力的重要指標(biāo)。生物質(zhì)炭孔隙率很大，施加入土壤中，可大大增加土壤的透氣性和孔隙率，使水分子存儲(chǔ)于小空隙中從而提高了土壤含水率[29]，并進(jìn)一步了促進(jìn)了土壤中有機(jī)成分的分解和微生物的生長(zhǎng)，這尤其適合沙土的改良。④增加陽(yáng)離子交換能力。
前面提到，生物質(zhì)炭表面含有大量的含氧活性基團(tuán)，陽(yáng)離子交換能力較高，施加入土壤中可以提高土壤的陽(yáng)離子交換能力，固定某些植物所必須的金屬元素[19]。⑤增加和優(yōu)選土壤中微生物的種類和活性[19，30]。有學(xué)者認(rèn)為生物質(zhì)炭作為土壤改良劑可以增加土壤對(duì)碳的固定，主要是因?yàn)榛|(zhì)中的碳由光合作用固定，通過裂解可提高碳的穩(wěn)定性，施加入土壤中可以使碳保留幾百年[31-32]。Silber等[19]還發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭具有快速且穩(wěn)定的磷釋放能力，具有替代磷肥的潛力，而且K+可以較迅速地釋放，但持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，可替代鉀肥用于短周期的植物。另外，土壤中加入生物質(zhì)炭后，因其較大的孔隙率使得土壤表層容重減小，有利于植物根系生長(zhǎng)。
綜上，影響生物質(zhì)炭作為土壤改良劑質(zhì)量的物化因素包括：表面電荷、pH值、比表面積、孔隙率、陰陽(yáng)離子交換能力以及營(yíng)養(yǎng)成分等。此外，生物質(zhì)炭對(duì)土壤的改良也受到土壤環(huán)境的影響，例如生物質(zhì)炭的陽(yáng)離子交換能力隨環(huán)境pH值的升高而線性增加。因此，可以根據(jù)生物質(zhì)炭的性質(zhì)和土壤性質(zhì)來選擇合適的生物質(zhì)炭作為土壤改良劑，從而達(dá)到促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增加農(nóng)作物產(chǎn)量的目的。
4.2在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用
4.2.1對(duì)有毒有害物質(zhì)的吸附作用
前面提到，生物質(zhì)炭具有非常復(fù)雜的微孔結(jié)構(gòu)，比表面積很大，性質(zhì)比較穩(wěn)定，且表面含有很多活性基團(tuán)，非常適合作為吸附劑應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)中。許多研究已經(jīng)表明，生物質(zhì)炭是一種低成本的、高效吸附劑，用于吸收多種污染物質(zhì)。Chen等[33]發(fā)現(xiàn)松樹枝生成的生物質(zhì)炭可以有效去除萘、硝基苯以及間二硝基苯等環(huán)境污染物。Qiu等[34]認(rèn)為以稻草為基質(zhì)的生物質(zhì)炭可以代替活性炭去除水中的孔雀藍(lán)等染料；某些生物質(zhì)炭還可以同時(shí)吸附鄰苯二酚和腐植酸[35]。Cao等[6，11]發(fā)現(xiàn)用奶牛場(chǎng)糞便生成的生物質(zhì)炭可以同時(shí)去除污水中的Pb和有機(jī)農(nóng)藥，對(duì)Pb的去除率最高可達(dá)89%，同時(shí)還可去除77%的阿特拉津農(nóng)藥。另有文獻(xiàn)報(bào)道，磁性的生物質(zhì)炭可同時(shí)去除有機(jī)污染物和磷酸鹽[1]。雖然不如活性炭的吸附容量高，但是其生產(chǎn)成本低，而且其表面含有較多活性基團(tuán)，除了吸附作用，還可以利用靜電作用和化學(xué)沉淀作用將多種污染物同時(shí)去除。例如，生物質(zhì)炭表面含有大量的含氧基團(tuán)，可通過結(jié)合沉淀將Pb以Pb5(PO4)3(OH)的形式去除，同時(shí)又可利用微孔結(jié)構(gòu)將阿特拉津等有機(jī)物吸附，且二者并不存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[11]；而活性炭則對(duì)二者均依靠表面吸附作用去處，總?cè)萘坑邢蓿⑶覍?duì)比發(fā)現(xiàn)活性炭對(duì)Pb的去處效果較差。實(shí)際環(huán)境中經(jīng)常同時(shí)存在多種污染成分，因此生物質(zhì)炭作為吸附劑優(yōu)點(diǎn)是非常明顯的。
因此，可以將生物質(zhì)炭施入受污染的土壤中，吸附有毒物質(zhì)，進(jìn)行土壤修復(fù)。有報(bào)道指出生物質(zhì)炭對(duì)殺蟲劑的吸附能力約是土壤本身的2000倍，在土壤中施入少量的生物質(zhì)炭即可有效降低有機(jī)污染物對(duì)植物的毒害作用，減少在植物中的累積[36]。
Beesley等[37]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭的加入可以使土壤中的多環(huán)芳烴（PAH）濃度降低約50%。生物質(zhì)炭對(duì)有機(jī)污染物的去除機(jī)理主要有：①生物質(zhì)炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，可以固定污染物；②生物質(zhì)炭具有巨大的比表面積，可以有效地吸附污染物質(zhì)；③高溫條件下制備的生物質(zhì)炭極性較強(qiáng)，對(duì)有機(jī)物質(zhì)的親和能力強(qiáng)，因此能更有效地去除有機(jī)污染物；④生物質(zhì)炭增強(qiáng)了土壤中微生物的活性，使其對(duì)污染物的降解能力增強(qiáng)[21]。可見，選擇合適生物質(zhì)炭施加于受污染土壤中是一種良好的土壤修復(fù)的方法。
4.2.2對(duì)溫室氣體的減排作用
碳固定是指將碳捕獲后轉(zhuǎn)變成一種固定態(tài)的形式，避免其回到大氣中。環(huán)境中的碳循環(huán)是指大氣中的CO2被植物通過光合作用吸收，固定于生物質(zhì)內(nèi)，其分解或燃燒可再轉(zhuǎn)變成CO2重新釋放到大氣環(huán)境中。而如果將植物基質(zhì)裂解轉(zhuǎn)變成生物質(zhì)炭，生物質(zhì)炭中的碳以苯環(huán)等較復(fù)雜的形式存在，非常穩(wěn)定，這就造成了環(huán)境中的碳循環(huán)被分離出來一部分，被稱為“碳負(fù)”過程。生物質(zhì)炭對(duì)碳的固定比其它固碳方式，如植樹造林，能更長(zhǎng)時(shí)間地對(duì)碳進(jìn)行固定。
眾所周知，耕地和牧場(chǎng)是溫室氣體的重要產(chǎn)生源，如何減少其溫室氣體的排放是人們所迫切關(guān)注的。將生物質(zhì)炭施加于土壤中增強(qiáng)了碳的固定，可以減少CO2、CH4等溫室氣體的排放[29]。Zhang等[38]研究還發(fā)現(xiàn)，在稻田中施加生物質(zhì)炭可以使N2O溢出量減少40%～50%。以20g/kg的標(biāo)準(zhǔn)將生物質(zhì)炭添加入牧草地和大豆地中，發(fā)現(xiàn)兩種土壤中N2O的溢出量分別減少了80%和50%，同時(shí)CH4的產(chǎn)生也受到明顯的抑制[4]。目前還缺乏足夠的數(shù)據(jù)，其機(jī)理也還沒有完全弄清，可能是因?yàn)榧尤肷镔|(zhì)炭之后土壤的孔隙率增大，透氣性增強(qiáng)，CH4被氧化的量增多，而CH4的排放量是產(chǎn)生量和氧化量的共同結(jié)果，所以凈排放減少。同樣，由于N2O的產(chǎn)生是與土壤環(huán)境密切相關(guān)的，加入生物質(zhì)炭后可以提高土壤pH值，同時(shí)因?yàn)橥笟庑栽鰪?qiáng)，使得反硝化菌的活性受到抑制，所以N2O的溢出量會(huì)大量減少。
N2O和CH4的溫室效應(yīng)分別是CO2的290倍和25倍，因此，施加生物質(zhì)炭到耕地和牧場(chǎng)中可以大大降低溫室效應(yīng)。
總之，生物質(zhì)炭既可以用做吸附劑去處環(huán)境中的重金屬及有機(jī)污染物，可以用于土壤修復(fù)，施加于土壤中又可以增加碳固定，減少溫室氣體排放，而且生物質(zhì)炭可以加工成各種形狀，非常便于運(yùn)輸，在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域是一種非常有應(yīng)用前景的物質(zhì)。
5結(jié)語(yǔ)及展望
生物質(zhì)炭擁有成本低、多功能性等優(yōu)點(diǎn)，正越來越受到人們的強(qiáng)烈關(guān)注。用含碳廢棄物來制備生物質(zhì)炭是一種資源再利用的良好途徑。生產(chǎn)出來的生物質(zhì)炭既可作為一種高效多能吸附劑以取代活性炭，又可用于改良土壤環(huán)境，增加作物產(chǎn)量。然而，目前對(duì)于生物質(zhì)炭的認(rèn)識(shí)和研究還比較淺顯，相關(guān)機(jī)理還不清楚，因此，今后可著重對(duì)以下幾個(gè)方面繼續(xù)探索和研究。
?。?）目前報(bào)道中實(shí)驗(yàn)室條件下制備的生物質(zhì)炭產(chǎn)率較高，而大型的工業(yè)生產(chǎn)還未完善和普及，且效率較低，所以應(yīng)繼續(xù)研究，盡快實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)炭的大量、高效、廉價(jià)生產(chǎn)。
?。?）目前，生物質(zhì)炭的比表面積仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于活性炭，吸附容量有限，所以應(yīng)從原料和工藝方面著手，進(jìn)一步提高生物質(zhì)炭的比表面積，使其成為活性炭的替代品。
（3）對(duì)土壤的改良和修復(fù)、對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的促進(jìn)以及對(duì)溫室氣體的減排作用的機(jī)理尚不完全清楚，且缺乏大面積的長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，仍有待于做進(jìn)一步的研究。
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