生物炭的制备与表征比较研究

金俊伟黄晓慧

摘要：目前，国内外生物质资源非常丰富，如果不能对其进行妥善处理，会严重造成环境危害以及资源浪费。传统的生物质处理方式有堆肥、焚烧以及作为肥料直接农用等，这些处理方式都各有弊端，而通过热化学处理方式得到的生物炭相对来说更加低成本、绿色并且性能稳定。因此，本文研究总结了不同生物质的原料，通过不同热化学处理方式在不同的热化学处理条件下，制备得到的生物炭的理化性质，从而为未来生物炭的应用提供一定的理论参考和科学依据。

关键词：生物炭；热化学处理；理化性质

中图分类号：X53文献标识码：A文章编号：1671-864X（2016）09-0299-01

一、引言

以前，国内外使用的能源主要来源为化石燃料，但化石燃料的燃烧会释放大量的CO2，从而引起全球变暖，同时通过燃烧也会释放硫和氮的氧化物而造成空气的污染①，而且化石燃料为不可再生能源，继续使用化石燃料不符合现在可持续发展的绿色理念。与其相比，生物质炭因其生物质来源广泛、资源丰富、含碳量高、燃烧特性优良等，有潜力作为化石燃料的替代品②。传统的生物质处理方式如堆肥、焚烧以及作为肥料直接农用等都各有弊端，而通过热化学处理方式得到的生物炭相对来说更加低成本、绿色并且性能稳定③。然而，生物炭的理化性质又受到其热化学处理方式、热化学处理条件以及生物质来源的不同而各不相同。因此，本文研究总结了这些影响要素对生物炭理化性质的影响效果，从而为未来生物炭的应用提供一定的理论参考和科学依据。

二、生物炭主流的热化学生产方式

（一）热解。

热解是生物质中的有机成分在缺氧的条件下，在一定的温度范围内被热分解的过程④。在热分解的过程中，半纤维素、纤维素和木质素在不同的温度下分解产生固态、液态和气态三种产物，固态和液态的产物分别被叫做焦炭和生物油，而气态的产物包含一氧化碳、二氧化碳、氢气和碳氢化合物并被合称为热解气。同时，热解又因其热解温度增加速率的快慢被分为快速热解和慢速热解。此外，在热解过程中影响生物炭理化性质的因素包括热解温度、加热速率和热解停留时间，而且生物炭的理化性质还受到不同的生物质来源的影响，其中热解温度和原料是影响生物炭理化性质的主要因素。

（二）气化。

气化是通过热化学处理方式局部氧化生物质的过程，在此过程中，使用气化气体（如空气、水蒸气、氧气、二氧化碳等）将碳质材料转变为气态产物的过程⑤。在气化的过程中，气态产物（氢气、一氧化碳、氮气等）、液态产物（焦油）以及固态产物（焦炭和灰分）分别被形成。一般来说，气化的主要机制被分为四个过程，分别是干燥、热解、氧化或燃烧以及气化。此外，气化产物的特性主要受气化气体的影响。

（三）水热碳化。

水热碳化是将生物质与水混合放在一个密闭的反应器中在一定的温度范围内进行热化学处理，在此过程中，水压提升以保证水稳定在液态状态下。此外，生物质通过水热碳化处理分别在炭化温度250℃以下、250-400℃以及400℃以上得到的产物分别为生物炭、生物油和气态产物。然而，水热碳的产率和理化性质主要受到水热碳化温度、水热碳化时间以及生物质和水的比率的影响。

三、不同热化学处理下的生物炭的表征

（一）热解炭的表征。

一般来讲，热解炭的产率随着热解温度的升高而下降，而热解气的产率随热解温度的上升而增加。大部分的生物质通过热解后，其官能团数量、灰分含量、pH值和炭的稳定性随着热解温度的上升而增加。同时，热解过程因热解温度增加速率的快慢又被分为快速热解和慢速热解，而在较快的热解温度增加速率下热解得到的生物炭具有更低的挥发分和更高的灰分含量。此外，不同的生物质原料通过热解得到的生物炭的理化性质各不相同。一般而言，动物粪便和固体废弃物较农作物废弃物生物质通过热解得到的生物炭拥有更高的灰分含量，而后者通过热解得到的生物炭较前者拥有更高的炭含量以及更大的比表面积和更发达的孔隙结构。此外，热解停留时间对生物炭的产率和其他性质有一定的影响，但较热解温度以及原料对生物炭理化特性的影响来讲，影响较小。一般而言，通过慢速热解得到的生物炭的产率在30%左右，其固定碳的含量在95%左右，而通过快速热解得到的生物炭的产率在12%至26%之间，其固定碳含量在74%左右。

（二）气化处理下的生物炭的表征。

因为生物质的气化处理的主要目标是为了获取气态产物，所以通过气化处理的生物质的生物炭产率很低，大约是原生物质5-10%左右，也低于快速热解处理得到的生物炭的产率。同时，因气化气体的不同导致由气化处理所产生的焦炭的理化性质在的各不相同。此外，通过气化处理得到的生物炭的产率一般在10%左右。

（三）水热炭的表征。

水热炭的理化性质因其水热碳化温度、压力、水热碳化停留时间和生物和水的比例的不同而各不相同。一般而言，随着水热碳化的反应温度和停留时间的增加，水热炭的产率随之下降，然而随着生物质与水的比率增大，水热炭的产率随着上升。此外，通过水热碳化处理得到的生物炭的产率在66%以下，而其固定碳含量大于70%。

四、结论

本文通过研究总结了生物炭不同的热化学处理方式，主要包括热解、气化和水热碳化，并分析总结了生物炭各种热化学处理方式的内容和特点，从而归纳分析不同热化学处理方式对其产生的生物炭的理化性质的影响。分析总结结果发现，生物质通过热解、气化和水热碳化得到的主要产物分别是固态产物、气态产物和液态产物，其理化性质也各不相同。

注释：

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.

作者简介：金俊伟（1991-），男，汉族，河南新乡人，浙江农林大学环境与资源学院，在读农业硕士，农业资源利用专业，研究方向：农业废弃物资源利用。

黄晓慧（1990-），女，汉族，河南周口人，浙江农林大学法政学院，在读农业硕士，农业科技组织与服务专业。