生物炭的特性及其制备方法

生物炭的特性及其制备方法

一、生物炭的起源与特性

生物炭概念起源于亚马逊流域黑色肥沃土壤，该土壤存在大量的黑色碳颗粒，其具有促进土壤健康、修复生态环境污染、减少温室气体排放等作用，被誉为“黑色黄金”（Sharma et al.，2023）。生物炭是指由秸秆、木材、壳渣和畜禽粪便类等生物质原料在缺氧或无氧条件下热裂解产生高度芳香化的碳固体，具有碳含量高、营养元素丰富、稳定性强、孔隙结构发达等特性（Sakhiya et al.，2020）。

生物炭一般具有发达的孔隙结构和丰富的多价阳离子（Ca²⁺和Mg²⁺），可以作为盐碱地改良剂，有效改善土壤理化性质和微生物群落结构，提高植物的耐盐性。此外，比表面积较大的生物炭能够刺激N₂O还原微生物的生长，增加固氮、硝化和反硝化功能基因的丰度，进而降低N2O排放（Liaoet al.，2021）。

二、生物炭的制备方法

“闷烧”是制备生物炭的传统方法，但因其生产周期长且污染环境而逐渐被淘汰（Chen et al.，2023）。随着科技的发展，生物炭的制备方法已逐渐多样化，主要包括：高温热裂解技术、水热炭化技术、气化技术和微波热解技术。

1.高温热裂解技术

高温热裂解技术是将生物原料放置在400 ~ 500 ℃缺氧或少氧的炭化炉中燃烧裂解，从而获取生物炭，这是当前最常用的生物炭制备方法。根据升温速率、热裂解温度和反应停留时间，可将热裂解技术分为快速和慢速热裂解技术。与快速热裂解相比，慢速热裂解对生物炭的原料要求和制备成本更低，生物炭产率却更高（Cai et al.，2020；Kan et al.，2023）。

2.水热炭化技术

水热炭化技术是指在以水为反应媒介的高压密闭环境中，保持一定的温度（180 ~ 250 ℃）和停留时间（0.5 ~ 12 h）使生物质转化为生物炭的过程。水热炭化技术所需温度较低，生成产物的表面孔隙结构更发达，吸附性能更强（Siruru et al.，2022）。特殊水处理方法不仅减少了含水率较高生物质的干燥处理环节，还促进了生物炭表面形成丰富的含氧官能团。

3.气化技术

气化技术则是在气化炉中利用O₂、水蒸气等气化剂与生物质发生热化学反应，生成H₂、CO等可燃清洁气体和生物炭提取液的过程。目前，气化过程被认为是生物质能源回收的最佳途径之一。气化效率与原料挥发性密切相关，原料挥发性越高，生物质气化越容易。

4.微波热解技术

微波热解技术主要依赖微波特有的介电加热方式生成生物炭，具有生物质受热均匀和加热速率高等优点。随着反应温度和微波功率的升高，生物炭产率呈降低趋势。Xiang等（2022b）以掺入活性炭的玉米秸秆为原料微波热解制备生物炭，发现生物炭的表面特征性能（比面积、总孔隙体积和微孔体积等）与微波功率成正比，此方法有效促进微波生物炭对挥发性苯和邻二甲苯等有机污染物的吸附。此外，微波热解技术在减缓温室气体方面表现出巨大的优势，通常微波生物炭比传统生物炭多捕获14%的CO₂。