生物炭的环境效应及其应用的研究进展

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1、第３０卷第８期环境化学Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．８２０１１年８月ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＣＨＥＭＩＳＴＲＹＡｕｇｕｓｔ２０１１生物炭的环境效应及其应用的研究进展李力刘娅陆宇超梁中耀张鹏孙红文（南开大学环境科学与工程学院，环境污染过程与基准教育部重点实验室，天津，３０００７１）摘要作为新型环境功能材料，生物炭以其优良的环境效应和生态效应成为环境科学等学科研究的前沿热点．本文介绍了生物炭结构和基本特性，对其在土壤肥力改良、碳的增汇减排以及受污染环境修复的应用和机理方面的研究进展进行了综述，并扼要分析了生物炭研

2、究的前景和方向，为生物炭技术的应用和推广提供一定的思路．关键词生物炭，环境效应，土壤改良，碳增汇减排，环境修复．生物炭（ｂｉｏｃｈａｒ）是由生物残体在缺氧的情况下，经高温慢热解（通常＜７００℃）产生的一类难熔的、［１５］稳定的、高度芳香化的、富含碳素的固态物质．通常认为，生物炭属于黑炭（ｂｌａｃｋｃｈａｒ）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、动物粪便炭等［６８］．目前学术界并没有一个明确的标准来区分生物炭及其它类似的炭质材料［３］，为便于更好地阐述生物炭及其相关概

3、念，表１比较了生物炭与若干炭质材料的概念内涵．表１常见炭质材料概念分类Ｔａｂｌｅ１Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｍｏｎｃａｒｂｏｎｏｕｓｍａｔｅｒｉａｌｓ概念内涵生物炭Ｂｉｏｃｈａｒ及强受调污生染物环质境原修料复来源［９１和１］农业科学、环境科学中的应用，主要用于土壤肥力改良、大气碳库增汇减排以炭Ｃｈａｒ泛指炭材料，尤其强调天然火在自然状态下烧制形成［３］［１２］木炭．强调应用于燃料、工业热炼、除／炭黑Ｃｈａｒｃｏａｌ臭制脱作色过的程生和物性质质热特解点残与渣生，物具炭有相高似热，值多和使高用内木

4、表头面、煤积炭［３作，１３为］原料农业炭Ａｇｒｉｃｈａｒ强调用于农业土壤改良、作物增产的炭质材料，可认为生物炭在农业科学的特定称谓［５，１４］强调制作过程中为增强表面特性的应用而人为采用极高温（通常＞７００℃）、物理化学手段（如高温活性炭Ａｃｔｉｖａｔｅｄｃａｒｂｏｎ气体或化学药剂）活化的、高比表面积、高吸附特性的疏松多孔性物质，常用于受污染环境的修复、环境工程处理等方面［１５１７］黑炭Ｂｌａｃｋｃａｒｂｏｎ／Ｂｌａｃｋｃｈａｒ泛指各类有机质不完全碳化生成的残渣，包括炭黑、生物炭、活性炭、焦炭等各种炭质材

5、料［１０，１８２０］近年，生物炭作为一类新型环境功能材料引起广泛关注，其在土壤改良、温室气体减排以及受污染环境修复方面都展现出应用潜力［１３，１８，２１］，为解决粮食危机、全球气候变化等环境问题，提供了新的思［５，９］路．此外，生物炭还在获取生物质能、废弃生物质资源化以及碳排放贸易等方面有着重要地位．本文综述了近年来学界关于生物炭在土壤肥力改良、大气碳汇减排以及土壤污染修复等方面的研究进展，并扼要分析了生物炭研究的前景和方向，为生物炭技术的应用和推广提供一定的思路．１生物炭的结构和基本特性生物炭的组成元

6、素主要为碳、氢、氧等，而且以高度富含碳（约７０％—８０％）为主要标志［２２２３］，可以视为纤维素、羧酸及其衍生物、呋喃、吡喃以及脱水糖、苯酚、烷属烃及烯属烃类的衍生物等成分复杂各异的含碳物质构成的连续统一体［２４］，其中烷基和芳香结构是最主要的成分［２５］．从微观结构上看，生物炭多由紧密堆积、高度扭曲的芳香环片层组成［３］，Ｘ射线表明其具有乱层结２０１０年１０月１８日收稿．南开大学国家大学生创新性实验计划（Ｎｏ．１０１００５５３４）；ＡｓｉａＰａｃｉｆｉｃＮｅｔｗｏｒｋｆｏｒＧｌｏｂａｌＣｈａｎｇｅＲ

7、ｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｊｅｃｔ资助．通讯联系人，Ｅｍａｉｌ：ｓｕｎｈｏｎｇｗｅｎ＠ｎａｎｋａｉ．ｅｄｕ．ｃｎ１４１２环境化学３０卷构（ｔｕｒｂｏｓｔｒａｔｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）［２６］．生物炭表面多孔性特征显著（图１），因此具有较大的比表面积和较高的表面能．表面极性官能团较少［２７］，主要基团包括羧基、酚羟基、羰基、内酯、吡喃酮、酸酐等，构成了生物炭良好的吸附特性．随着研究的推进，研究者还发现生物炭具有大量的表面负电荷以及高电荷密度的特性［２８］．图１扫描电镜下的生物炭孔状结构［３］［３］Ｆｉｇ．１Ｔ

8、ｈｅｐｏｒｏｓｉｔｙｏｆｂｉｏｃｈａｒｂｙＳＥＭ由于原材料、技术工艺及热解条件等差异，生物炭在结构和ｐＨ、挥发分含量、灰分含量、持水性、表观密度、孔容、比表面积等理化性质上表现出非常广泛的多样性，进而使其拥有不同的环境效应和环境应用［１０］．目前，学界普遍认为生物炭的原材料和热解温度对炭质理化性质和环境功能影响最为显著．①前体原料成分是决定生物炭组成及性质的基础，如动物生物质来源与植物生物质来源的生物炭相比，Ｃ／