生物炭的制備與表征比較研究

金俊偉黃曉慧

摘要：目前，國內外生物質資源非常豐富，如果不能對其進行妥善處理，會嚴重造成環境危害以及資源浪費。傳統的生物質處理方式有堆肥、焚燒以及作為肥料直接農用等，這些處理方式都各有弊端，而通過熱化學處理方式得到的生物炭相對來說更加低成本、綠色并且性能穩定。因此，本文研究總結了不同生物質的原料，通過不同熱化學處理方式在不同的熱化學處理條件下，制備得到的生物炭的理化性質，從而為未來生物炭的應用提供一定的理論參考和科學依據。

關鍵詞：生物炭；熱化學處理；理化性質

中圖分類號：X53文獻標識碼：A文章編號：1671-864X（2016）09-0299-01

一、引言

以前，國內外使用的能源主要來源為化石燃料，但化石燃料的燃燒會釋放大量的CO2，從而引起全球變暖，同時通過燃燒也會釋放硫和氮的氧化物而造成空氣的污染①，而且化石燃料為不可再生能源，繼續使用化石燃料不符合現在可持續發展的綠色理念。與其相比，生物質炭因其生物質來源廣泛、資源豐富、含碳量高、燃燒特性優良等，有潛力作為化石燃料的替代品②。傳統的生物質處理方式如堆肥、焚燒以及作為肥料直接農用等都各有弊端，而通過熱化學處理方式得到的生物炭相對來說更加低成本、綠色并且性能穩定③。然而，生物炭的理化性質又受到其熱化學處理方式、熱化學處理條件以及生物質來源的不同而各不相同。因此，本文研究總結了這些影響要素對生物炭理化性質的影響效果，從而為未來生物炭的應用提供一定的理論參考和科學依據。

二、生物炭主流的熱化學生產方式

（一）熱解。

熱解是生物質中的有機成分在缺氧的條件下，在一定的溫度范圍內被熱分解的過程④。在熱分解的過程中，半纖維素、纖維素和木質素在不同的溫度下分解產生固態、液態和氣態三種產物，固態和液態的產物分別被叫做焦炭和生物油，而氣態的產物包含一氧化碳、二氧化碳、氫氣和碳氫化合物并被合稱為熱解氣。同時，熱解又因其熱解溫度增加速率的快慢被分為快速熱解和慢速熱解。此外，在熱解過程中影響生物炭理化性質的因素包括熱解溫度、加熱速率和熱解停留時間，而且生物炭的理化性質還受到不同的生物質來源的影響，其中熱解溫度和原料是影響生物炭理化性質的主要因素。

（二）氣化。

氣化是通過熱化學處理方式局部氧化生物質的過程，在此過程中，使用氣化氣體（如空氣、水蒸氣、氧氣、二氧化碳等）將碳質材料轉變為氣態產物的過程⑤。在氣化的過程中，氣態產物（氫氣、一氧化碳、氮氣等）、液態產物（焦油）以及固態產物（焦炭和灰分）分別被形成。一般來說，氣化的主要機制被分為四個過程，分別是干燥、熱解、氧化或燃燒以及氣化。此外，氣化產物的特性主要受氣化氣體的影響。

（三）水熱碳化。

水熱碳化是將生物質與水混合放在一個密閉的反應器中在一定的溫度范圍內進行熱化學處理，在此過程中，水壓提升以保證水穩定在液態狀態下。此外，生物質通過水熱碳化處理分別在炭化溫度250℃以下、250-400℃以及400℃以上得到的產物分別為生物炭、生物油和氣態產物。然而，水熱碳的產率和理化性質主要受到水熱碳化溫度、水熱碳化時間以及生物質和水的比率的影響。

三、不同熱化學處理下的生物炭的表征

（一）熱解炭的表征。

一般來講，熱解炭的產率隨著熱解溫度的升高而下降，而熱解氣的產率隨熱解溫度的上升而增加。大部分的生物質通過熱解后，其官能團數量、灰分含量、pH值和炭的穩定性隨著熱解溫度的上升而增加。同時，熱解過程因熱解溫度增加速率的快慢又被分為快速熱解和慢速熱解，而在較快的熱解溫度增加速率下熱解得到的生物炭具有更低的揮發分和更高的灰分含量。此外，不同的生物質原料通過熱解得到的生物炭的理化性質各不相同。一般而言，動物糞便和固體廢棄物較農作物廢棄物生物質通過熱解得到的生物炭擁有更高的灰分含量，而后者通過熱解得到的生物炭較前者擁有更高的炭含量以及更大的比表面積和更發達的孔隙結構。此外，熱解停留時間對生物炭的產率和其他性質有一定的影響，但較熱解溫度以及原料對生物炭理化特性的影響來講，影響較小。一般而言，通過慢速熱解得到的生物炭的產率在30%左右，其固定碳的含量在95%左右，而通過快速熱解得到的生物炭的產率在12%至26%之間，其固定碳含量在74%左右。

（二）氣化處理下的生物炭的表征。

因為生物質的氣化處理的主要目標是為了獲取氣態產物，所以通過氣化處理的生物質的生物炭產率很低，大約是原生物質5-10%左右，也低于快速熱解處理得到的生物炭的產率。同時，因氣化氣體的不同導致由氣化處理所產生的焦炭的理化性質在的各不相同。此外，通過氣化處理得到的生物炭的產率一般在10%左右。

（三）水熱炭的表征。

水熱炭的理化性質因其水熱碳化溫度、壓力、水熱碳化停留時間和生物和水的比例的不同而各不相同。一般而言，隨著水熱碳化的反應溫度和停留時間的增加，水熱炭的產率隨之下降，然而隨著生物質與水的比率增大，水熱炭的產率隨著上升。此外，通過水熱碳化處理得到的生物炭的產率在66%以下，而其固定碳含量大于70%。

四、結論

本文通過研究總結了生物炭不同的熱化學處理方式，主要包括熱解、氣化和水熱碳化，并分析總結了生物炭各種熱化學處理方式的內容和特點，從而歸納分析不同熱化學處理方式對其產生的生物炭的理化性質的影響。分析總結結果發現，生物質通過熱解、氣化和水熱碳化得到的主要產物分別是固態產物、氣態產物和液態產物，其理化性質也各不相同。

注釋：

①Q，Zhang.J.，Chang，T.，et.，2007.Energy Convers.Manage.48，87.

②Shen，Y.S.，Wang，S.L.，Tzou，Y.M.，Kuan，W.H.，2012.Removal of hexvalent Cr by coconut coir and derived chars - the effect of surface functionality.Bioresource Technol.104，165-172.

③Yao，Y.，Gao，B.，et.，2012.Adsorption of sulfamethoxazole on biochar and its impact on reclaimed water irrigation.J.Hazard.Master.209，408-413.

④Fonts，I.，Azuara，M.，Gea，G.，Murillo，M.B.，2009.Study of the pyrolysis liquids obtained from different sewage sludge.J.Anal.Appl.Pyrol.85，184–191.

⑤Liu Z，Zhang.，2009.Removal of lead from water using biochars prepared from hydrothermal liquefaction of biomass.J Hazard Mater.167：933–935.

作者簡介：金俊偉（1991-），男，漢族，河南新鄉人，浙江農林大學環境與資源學院，在讀農業碩士，農業資源利用專業，研究方向：農業廢棄物資源利用。

黃曉慧（1990-），女，漢族，河南周口人，浙江農林大學法政學院，在讀農業碩士，農業科技組織與服務專業。