农业废弃物制备生物炭方法

一、生物炭概念

生物炭是在完全或部分缺氧情况下，以相对较低的温度（≤700℃）热解炭化产生的一种含碳量丰富的物质。生物炭主要组成元素为碳、氢、氧、氮，其中含碳量最高（70％-80%）。

二、生物炭的性质

生物炭多由紧密堆积、高度扭曲的芳香环片层组成，在土壤中具有较高惰性和抗降解性，表现出高稳定性。因此，生物炭能在土壤中长时间留存，平均留存时间长达2000年。比表面积和孔隙率是生物炭的重要物理特性，在废水处理和土壤修复等许多生物炭应用中起着重要的作用。当生物质经过热解时，脱水过程中的水分损失和碳基质中挥发性成分的释放有助于生物炭孔隙结构形成和基本孔隙发展。

三、生物炭的制备方法

1.干热解炭化法

干热解炭化法是目前应用最广泛的方法，包括慢速热解和快速热解两种。慢速热解是指以一个相对较低的速率加热生物质，经过较长的热解时间制备生物炭的过程。在热解过程中，一般形成生物炭的固体、生物油的液体和合成气的气体产物，这些气体常含有二氧化碳、氢气和一氧化碳等物质。在慢速热解过程中，最高处理温度和停留时间对生物炭的性能影响最大。随着热解温度升高，固体生物质挥发和分解，生物炭孔径一般会增大，比表面积也会增大。当热解温度高于400℃时，生物炭比表面积逐渐增加，600℃时所有测试原料的比表面积最大。除温度外，慢速热解过程的停留时间也会影响生物炭的比表面积。一般来说，在一定温度下，停留时间增加会导致比表面积进一步增加。快速热解是在无氧条件下，采用中等反应温度（450-550℃）和较短蒸汽停留时间（2s以内）对生物质原料进行快速加热升温的过程。与慢速热解法相比，该方法具有升温快、加热时间短、生物油产率高等优点。

2.水热炭化法

水热炭化法是将生物质原料在一定的温度、压力下粉碎，加入去离子水，150-300℃的高温密封处理，先进行水解，再进行脱羧芳香化。在水热炭化法制备生物炭的过程中，水热温度和水热时间是影响生物炭产率的两个主要因素。大多数生物质材料的水分含量较高，若用热解法和气化法，则需要单独的干燥步骤来获得较高的产量并降低工艺能耗。水热炭化法可以弥补这种不足，直接利用高含水率的生物质材料生产生物炭。

3.气化热解法

气化热解是指在700℃以上的高温下，通过控制氧化剂的含量，使生物质向混合气转变。这些气体中有CO、H2、CO2、CH4等，还有少量的碳水化合物。反应温度、气化剂类型、气化剂与生物质比例以及反应压力皆是影响气化反应的参数。有研究表明，在760、730℃条件下，采用空气和氮作载气，在鼓泡流化床反应器中将柳枝稷和玉米秸秆气化，制得生物炭。结果表明，气化热解与快速热解的过程有一定的相同之处。与热解过程相比，气化所需温度高于热解所需温度，气化过程还需少量的氧气和蒸汽，且生物炭的产率相对较低。

4.微波热解法

微波热解法是在无氧或缺氧条件下，利用微波辐射在短时间内将生物质裂解成低分子有机蒸汽，然后再快速冷却，以获得最高的液体产率，最终得到不可冷凝的蒸汽、液态油和生物炭的过程。该工艺将传统热解技术与微波加热技术两种工艺的优点进行了整合。该工艺包括分子键断裂、异构化、小分子聚合等过程，有加热速度快、温度均匀、功率转换效率高、控制简单、安全无害等优点。较高的反应温度和微波功率主要降低微波辅助热解产生的生物炭产率，但促进其孔隙结构的形成。生物炭的孔隙结构有利于微波能的反射，延长反应停留时间，提高有机质的活性，促进有机碳转换为无机碳，从而进一步提高生物炭的产量。较高的微波吸收负荷会降低生物炭产量，但可以增加生物炭的热值。温度、时间、催化剂等反应参数会影响微波热解所产生的生物炭的性质。在微波热解过程中，随着反应温度的升高，弱键裂解使生物炭中O和H的比例降低，而C的比例上升。

四、生物炭的应用

生物炭具有比表面积大和吸附能力强等优点，对重金属、有机小分子、微生物等有良好的吸附作用，是一种新型的土壤改良剂、污染物吸附剂和CO2封存剂，在土壤改良、重金属吸附、能源化工等方面得到了广泛的应用。在现代农业实践中，应用生物炭提高土壤肥力，在促进植物生长和提高作物产量等方面越来越受到重视。从某种意义上讲，在种植业中合理应用新型生物炭，对解决土壤退化、减少环境污染和气候变化等诸多热点问题都有重要的意义。此外，生物炭还可以用于产热、金属生产、烟气清洗以及功能材料的生产。