生物炭——系统性概述（制备、副产物及处理、改性、水处理中的应用）

一、生物炭的定义

一、 生物炭的定义

生物炭（Biochar）并非传统上用于燃料的木炭，而是经过特殊工艺处理得到的富含碳素、难熔且稳定的固态物质。生物炭可以应用于水处理领域，去除重金属、有机物、色度。同时，生物炭能够用于土壤改良等，其应用广泛，备受关注。

二、 生物炭的来源

生物炭的原料来源广泛，主要包括 森林残渣、农业残渣（如玉米秆、稻草等）、城市固体废物、能源作物以及动物粪便 等生物质。这些生物质在缺氧环境下，经过高温裂解等热化学转化工艺，可以制备成生物炭。

三、 生物炭的制备方法

不同的生物炭制备方法各有特点，适用于不同的应用场景。生物炭制备方法可以 根据原料性质、目标产品特性以及生产规模进行选择 。每种方法都有其优势和适用场景，选择合适的方法可以有效提升生物炭的性能和应用效果。

1 、 热解法 （ Pyrolysis）

（ 1 ） 微波热解法

微波热解法是一种先进的热解工艺技术，具有升温速度快、操作简便、安全性高、自动化程度高等优点。微波电磁辐射致使分子运动，诱导极性分子旋转，使分子间摩擦产生热量，从而实现对生物质的加热裂解。

（2） 慢速热解法

目前应用最广泛的一种制备生物炭的技术。在缓慢的热解过程中，生物质在200~650℃的温度下被加热分解，形成富碳固体以及可冷凝和不可冷凝的挥发性产物。慢速热解法制备生物炭的产量相对较高，但反应时间过长可能会引起二次化学反应，生成焦油及焦油的炭化。

（3） 快速高温裂解法

又称闪速高温裂解，生物质材料在低温缺氧、常压、超高的升温反应速度、超短的产物停留时间的状态下，迅速升温到相对较高的温度，发生大分子的分解，生成大量的小分子气体产物以及大量可凝性的挥发分，并产生少量的焦炭产物。快速裂解过程的主要反应流程时间极短，生物油产量较高，但生物炭的产量相对较低。

2 、 水热炭化法 （ Hydrothermal Carbonization, HTC）

水热炭化是将生物质溶解在密封系统的水中，再将其加热到300℃左右进行反应。操作条件和水的存在会产生具有更多化学官能团的生物炭。温度、压力和停留时间等参数决定了生物炭的独特性质。水热炭化是自发放热的，因此存在于原始产物中的碳会被转移到最终产物中。

3 、 气化法（ Gasification ）

气化法是在高温（通常在800-1000°C）和氧气或蒸汽的条件下进行的过程。在气化过程中，生物质通过与氧气或蒸汽反应，转化为气体、液体和固体产物。主要的气体产物包括一氧化碳（CO）、氢气（H?）和二氧化碳（CO?），而固体产物则是生物炭。气化过程中，生物质中的挥发性成分被转换为气体，而残留的固体炭则保留了生物质的部分碳。

气化法产生的生物炭通常具有较高的比表面积，这使得其在吸附和反应过程中更有效。相比其他方法，气化法生产的生物炭通常含有较少的灰分，从而提高了其质量和应用价值。

4 、 溶剂热法（ Solvent Thermal Carbonization ）

溶剂热法是在有机溶剂（如醇类、酮类）中加热生物质的一种炭化方法。该过程通常在较低的温度下进行（100-300°C），生物质在溶剂中发生炭化反应，形成炭化产物。通过控制溶剂种类和反应条件，可以选择性地生成不同类型的生物炭。

该方法能够根据所用溶剂和反应条件的不同，选择性地生成特定类型的生物炭。相较于其他炭化方法，溶剂热法在较低的温度下进行，减少了能耗。适用于生产高价值的化学品和特种材料，如催化剂载体等。

5 、 电弧法（ Arc Discharge ）

电弧法通过电弧放电将生物质加热至极高的温度（通常超过2000°C），进行炭化。电弧放电是一种高能量密度的加热方法，能够在短时间内实现炭化。

电弧法产生的生物炭通常具有较高的电导率和纯度。能够在非常短的时间内完成生物炭的制备。用于生产具有高导电性的生物炭，适用于需要特殊电学性质的应用，如电池和电容器材料。

6 、 等离子体法（ Plasma Pyrolysis ）

等离子体法利用等离子体源产生的高温环境（通常超过1000°C）将生物质炭化。等离子体是一种电离气体状态，能够提供非常高的能量密度。

该方法能够精确控制温度和反应条件，确保生物炭的高纯度和特定性质。生成的生物炭具有高纯度和高孔隙度。适用于需要高表面积和高孔隙度的应用，如高级过滤材料和催化剂。

7 、 微波炭化法（ Microwave Pyrolysis ）

微波炭化法利用微波辐射加热生物质至高温（通常在300-700°C），进行炭化。微波能量通过直接加热生物质的分子，使其迅速升温，从而实现快速炭化。

微波加热能够迅速提高温度，减少了反应时间。同时，微波加热具有较高的能量利用效率，能够实现均匀的炭化效果。适用于实验室规模的生物炭制备和小规模生产。

四、制备 生物炭 产生的副产物

在生物炭的制备过程中，会产生多种副产物，这些副产物的种类和数量取决于具体的制备方法和操作条件。

1 、 气体副产物

一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO?）：在生物质热解的初期阶段（通常低于270℃），生物质中的半纤维素开始分解，产生一氧化碳和二氧化碳。这些气体是热解过程中不可避免的产物，其产量与原料种类、热解温度和时间等因素有关。

氢气（H?）和甲烷（CH?）：当热解温度达到360℃至400℃之间时，生物质中的有机物质进一步分解，产生氢气和甲烷等可燃性气体。这些气体具有较高的热值，可以用作能源或进一步加工利用。

2 、 液体副产物

木醋液：在生物质热解过程中，会产生一种富含醋酸、甲醇、焦油等有机化合物的液体，通常被称为木醋液。木醋液具有多种用途，如作为植物生长调节剂、土壤改良剂等。

焦油：焦油是生物质热解过程中产生的一种粘稠状液体，主要由芳香族化合物组成。焦油的产量和性质取决于原料种类和热解条件。焦油可以用作化工原料或燃料。

3 、 其他副产物

灰分：生物质中原本含有的无机矿物质在热解过程中会残留下来，形成灰分。灰分的含量和组成取决于原料的种类和性质。

未完全炭化的生物质：在热解过程中，如果温度不够高或时间不够长，部分生物质可能无法完全炭化，形成未完全炭化的生物质。这些物质需要进一步处理或作为其他用途。

需要注意的是，生物炭的制备过程中产生的副产物种类和数量会受到多种因素的影响，包括原料种类、热解温度、时间、压力以及反应气氛等。因此，在实际生产中，需要根据具体情况选择合适的制备方法和操作条件，以最大限度地提高生物炭的产量和质量，并合理处理和利用产生的副产物。

五、副产物处理方法

在生物炭的制备过程中，副产物的处理是一个重要的环节。这些副产物主要包括气体副产物（如一氧化碳、二氧化碳、氢气和甲烷等）、液体副产物（如木醋液和焦油等）以及固体副产物（如灰分和未完全炭化的生物质）。针对这些副产物，可以采取以下处理方法：

1 、气体副产物的处理

收集与利用： 氢气和甲烷等可燃性气体具有较高的热值，可以通过收集系统将其收集起来，用于发电、供暖或作为其他工业过程的燃料。

一氧化碳和二氧化碳虽然不能直接作为燃料，但二氧化碳可以通过碳捕获和储存技术进行处理，以减少温室气体排放；一氧化碳则可以在某些工业过程中作为原料使用。

净化与排放： 如果气体副产物中含有有害物质或不符合排放标准，需要进行净化处理后再排放。这通常包括除尘、脱硫、脱硝等步骤，以确保排放的气体符合环保要求。

2 、液体副产物的处理

分离与提纯： 木醋液和焦油等液体副产物可以通过蒸馏、萃取等分离技术将其中的有用成分提取出来，如醋酸、甲醇等。这些有用成分可以进一步加工成化工产品或用作其他用途。

回收利用： 分离提纯后的剩余液体可以进行回收利用，如作为土壤改良剂、植物生长调节剂等。木醋液中的有机酸、酚类等物质对植物生长具有一定的促进作用。

安全处理： 对于无法回收利用的液体副产物，需要按照环保要求进行安全处理，防止对环境和人体造成危害。

3、固体副产物的处理

灰分处理： 灰分主要是生物质中无机矿物质的残留物，可以通过洗涤、筛选等方式将其从生物炭中分离出来。分离后的灰分可以用作建筑材料、肥料添加剂或进行其他综合利用。

未完全炭化生物质的处理： 未完全炭化的生物质可以通过进一步热解或焚烧处理来提高其炭化程度。如果其具有一定的热值或有用成分，也可以考虑进行回收利用。

4 、综合利用与环保要求

在生物炭制备过程中产生的副产物处理中，应注重综合利用和环保要求。通过合理的工艺设计和设备选型，可以最大限度地提高副产物的利用率和降低处理成本。同时，在处理过程中应严格遵守环保法规和标准，确保不对环境和人体造成危害。

六、生物炭的改性方法

生物炭作为一种重要的环境友好材料，其吸附性能和生物活性对其应用效果至关重要。

生物炭的改性方法涵盖了物理、化学和生物三大类，各有其独特的优势和适用范围。通过适当的改性技术，可以显著提高生物炭的吸附性能、生物活性及其在环境治理中的效果。根据具体的应用需求，选择合适的改性方法能够大幅提升生物炭的性能，实现更好的污染物去除和环境修复效果。

1. 物理改性

（ 1 ） 热处理

热处理是物理改性中常用的一种方法。通过将生物炭加热至高温，通常在300-1000°C的范围内，可以显著改变其孔隙结构和比表面积。高温处理可以破坏一些较大的孔洞，同时也可能引入新的孔隙，优化生物炭的孔径分布。这种处理方法通常会增加生物炭的比表面积，从而提高其对各种污染物的吸附能力。此外，热处理还可以去除生物炭中的一些挥发性物质和杂质，进一步提高其纯度和稳定性。

（ 2 ） 蒸汽活化： 蒸汽活化是一种在高温下使用蒸汽对生物炭进行处理的方法。这种处理能够增强生物炭的孔隙度和比表面积。蒸汽与炭材料反应，会产生气体并逐步腐蚀炭材料的表面，从而增加其孔隙结构的复杂性。相比于传统的热处理，蒸汽活化可以更有效地调整生物炭的孔径分布，创造更多的微孔和中孔，这对于提高其对气体和液体污染物的吸附能力具有重要意义。

（ 3 ） 酸洗 / 水洗： 酸洗和水洗是另一种物理改性的方法，主要用于去除生物炭表面的杂质。酸洗通过使用酸溶液（如盐酸或硫酸）去除表面沉积的无机物质和一些有机污染物。水洗则是用水清洗，以去除可溶于水的杂质。去除这些杂质后，生物炭的孔隙结构会更加优化，从而提升其吸附效率和活性。

2. 化学改性

（ 1 ） 表面氧化改性

表面氧化改性利用氧化剂（如双氧水、硝酸、臭氧等）对生物炭进行处理，以增加其表面的含氧官能团。氧化剂与生物炭的表面反应，会引入各种官能团，如羧基、酚羟基等。这些官能团的引入能够提高生物炭的亲水性，并增强其与极性物质的相互作用，从而提升其对有机污染物的吸附性能。这种改性方法特别适用于处理极性污染物和水溶性有机物。

（2） 表面还原改性

表面还原改性则通过还原剂（如氮气、氢氧化钾等）处理生物炭，从而改变其表面化学性质。还原过程会减少生物炭表面的氧含量，增加碳原子的还原状态，这样可以引入更多的氧碱基基团。这些基团能够提高生物炭对非极性物质的吸附能力，对去除油类和一些非极性有机污染物特别有效。

（3） 负载金属改性

负载金属改性通过将金属离子（如铁、铜、锌等）负载到生物炭表面，从而创造新的活性位点。通常，这些金属离子通过高温处理与碳原子发生反应，形成稳定的金属-碳复合物。这些金属离子可以参与各种催化反应，提升生物炭对特定污染物的去除效果。例如，铁负载的生物炭能够催化Fenton反应，提高有机污染物的降解速率。

3. 生物改性

（ 1 ） 微生物处理

微生物处理是利用特定微生物在生物炭表面生长繁殖，形成生物膜，从而赋予生物炭生物活性。微生物的生长不仅能增加生物炭的表面积，还能够在其表面形成复杂的微生物群落。这些微生物能够降解生物炭表面的有机污染物，提升其对有机物的去除能力。此外，生物膜还可以改善生物炭的物理和化学性质，使其在环境修复中具有更好的表现。

（ 2 ） 酶处理

酶处理是通过添加特定酶类来改变生物炭表面的化学性质。这些酶能够与生物炭表面反应，引入新的功能基团，或者改变已有基团的性质。通过酶处理，可以显著提高生物炭的亲水性和吸附性能。例如，某些酶能够将复杂的有机分子降解为更易于吸附的小分子，从而提高生物炭对这些污染物的去除效果。

4 、其他改性方法

除了上述方法外，还有一些其他改性方法用于提升生物炭的性能：

（ 1 ）复合改性： 将生物炭与其他材料（如聚合物、无机矿物等）复合，可以进一步改善其性能。例如，将生物炭与聚合物复合，可增强其机械强度和稳定性，而无机矿物的加入则可以改善其催化活性。

（ 2 ）负载功能化团体： 通过化学合成，将功能化分子（如光敏分子、催化剂等）负载到生物炭上。这种方法可以使生物炭具备特定的功能，例如光催化降解污染物或光敏响应特性。

（ 3 ）纳米化改性： 将生物炭加工成纳米级材料，利用其高比表面积和特殊的物理化学性质，提高其对污染物的吸附和去除能力。纳米生物炭具有更大的比表面积和更多的活性位点。

（ 4 ）复合材料改性： 将生物炭与其他功能材料（如磁性材料、导电材料等）复合，形成新型的复合材料。例如，磁性生物炭便于通过外部磁场回收，方便再利用。

七、生物炭在水处理中的应用

1. 去除有机物

生物炭在去除水中有机物方面表现出色。其多孔结构和高比表面积使其能够有效地吸附和降解水中的有机物，包括天然和合成溶解的有机物以及微污染物。其作用机制包括物理吸附、化学反应和生物降解三种方式：

（1） 物理吸附

生物炭的孔隙结构提供了大量的表面积，这使得其能够吸附水中的有机分子。通过这种方式，生物炭可以去除水中的有机污染物，如腐殖质和合成有机物。

（2） 化学反应

某些类型的生物炭表面含有活性官能团（如羧基、羟基），这些官能团可以与水中的有机物发生化学反应，进一步增强去除效果。

（3） 生物降解

生物炭能够促进微生物在其表面生长，微生物的代谢作用可以降解水中的有机污染物。生物炭为微生物提供了一个稳定的附着环境，从而提高了生物降解的效率。

2. 去除重金属及重金属离子

改性生物炭在去除水中的重金属离子方面表现尤为突出。重金属污染是水体污染中的重要问题，生物炭通过以下机制来去除水中的重金属：

（1） 表面络合反应

改性生物炭的表面含有不同类型的官能团（如羧基、氨基），这些官能团能够与水中的重金属离子（如铅、镉、铬等）发生络合反应，形成稳定的络合物，从而去除重金属。

（2） 离子交换

生物炭表面的官能团还能够与水中的重金属离子发生离子交换作用，将水中的有害重金属离子置换出去，减少其在水中的浓度。

这些机制使得改性生物炭在去除水体中的重金属方面具有高效性和选择性，能够有效地降低水体中有毒重金属的浓度。

3. 去除色度和异味

生物炭的多孔结构和巨大的比表面积使其在去除水中的色度和异味物质方面表现尤为出色。色度和异味物质通常是由于水中溶解的有机物或污染物质引起的，生物炭通过以下方式有效去除这些物质：

（1） 吸附能力

生物炭的孔隙结构提供了广泛的接触面，使其能够吸附水中的色素和气味分子。色度和异味物质通常具有较大的分子量和较强的亲水性，生物炭能够通过物理吸附将这些物质牢固地固定在其表面。

（ 2 ） 去除效果

生物炭对色度和异味的去除效果显著提高了水的感官质量，使其更加清澈和无异味。这对于饮用水处理、废水处理以及工业水处理等场合都是至关重要的。

4. 微生物载体

在污水处理过程中，生物炭可以作为微生物的载体，构建生物膜反应器，从而提高污水处理的整体效率：

（1） 生物膜反应器

生物炭为微生物提供了稳定的附着表面，使微生物能够在其表面形成生物膜。生物膜能够有效地降解水中的有机污染物，通过微生物的代谢作用，将复杂的有机物质转化为无害物质。

（ 2 ） 提高处理效率

生物炭作为微生物载体能够显著提高污水处理的效率，减少污水中的污染物浓度。此外，生物炭的良好结构有助于提高微生物的活性和稳定性，使其在污水处理过程中能够长时间有效地工作。

八、总结

生物炭作为一种高效且环保的水处理材料，具有广泛的应用前景。在去除有机物、重金属、色度、异味等方面表现出卓越性能。此外，作为微生物载体，生物炭还能进一步提升污水处理效率。然而，生物炭的生产成本、长期效果及处理效率、回收、稳定性等问题仍需要进一步研究和优化。随着技术的发展和应用的深化，生物炭在水处理中的潜力将会得到更广泛的应用。