城市绿地废弃物生物炭制备与应用前景

孙学凯，白洁，徐成斌，林贵刚，艾桂艳

(1. 中国科学院沈阳应用生态研究所 大青沟沙地生态实验站，辽宁 沈阳 110016；2. 辽宁大学 环境学院，辽宁 沈阳 110036)

近年来，中国各省市积极争创国家森林城市，大力推进森林城市建设，对塑造城市形象、提升城市品位和竞争力等方面有着非常重要的作用.城市绿地是城市自然和人文景观的综合体现，其作为整个城市生态系统中唯一具有自我调节能力的基础设施，被认为是最具活力的生命单元，起到了城市绿化和生态调节的功能，被列为现代化都市和生态文明建设的重要指标[1-2].随着城市化进程的加快，城市绿地覆被面积逐年扩大.以辽宁沈阳市为例，预计2021年，沈阳市森林覆盖率将达到15.1%，建成区绿化覆盖率超过45%.然而，城市绿地植物自然或养护过程中产生大量的乔灌木枝条修剪物(间伐物)、草坪修剪物、枯枝落叶、废弃花草及杂草等植物废弃物，业已成为城市建设和环境管理工作中的一项重大难题.目前，针对这类植物性废弃物的处理多是以焚烧、填埋、堆肥等方式为主，这样势必影响城市整体的生态环境，尤其是焚烧过程对城市环境的影响尤为严重.因此，探索城市绿地的植物废弃物资源化利用新途径，对构建和谐城市，促进区域环境、经济和社会的持续发展具有重要的现实意义.

1 城市绿地植物组成及其废弃物的物化特性

城市绿地植物包括乔木、灌木、草本植物以及花卉等，其主要成分是由纤维素、半纤维素和木质素3种物质构成，与作物相比，针阔叶植物中纤维素、半纤维素和木质素的质量分数略高，分别为39%～54%、11%～36%和17%～30%[3-4]. 徐永荣等[5]分析了乔木、灌木和草木植物(9种)的热值、灰分和元素质量分数，发现它们的平均干重热值(13.1～18.4 kJ/g)表现为乔木>灌木>草本，灰分质量分数为2.6%～26.7%，碳元素质量分数为30%～48%.张彦广等[6]对不同植物群落枯落物中的灰分进行了研究，结果表明植物枯落物的灰分质量分数为8%～38%.这些研究数据表明，城市绿地植物在自然或养护过程中形成的废弃物是能够适用于生物炭制备的一种木质原料，是制备生物炭的一种潜在资源.

生物炭是指由生物质制备的、富含碳元素的固体，其具有多孔结构、丰富的官能团结构，是一种无毒且成本较低的环境友好型材料[7-8].目前，生物炭的制备大多是以果壳、秸秆、废旧轮胎等含碳的废料生物质作为原料[9-10]，通过物理、化学等方法对原料进行破碎、过筛、炭化、漂洗、烘干、优选等一系列工序加工而成.这既可以对废料进行资源化利用，又不会与粮食作物竞争土地资源[4]. 生物炭具有比表面积大、容重小、吸水吸气能力强等特性，在重金属污染修复、废水治理等环境修复方面有着广泛的应用[11-12]. 此外，对土壤物理和化学性质具有明显的改良作用，同时也能够提高土壤含水量，因此，人们常将生物炭与化学肥料配合施用到土壤中，以增加土壤肥力，提高农作物产量[13-14].然而，以城市绿地植被废弃物为原料开展生物炭制备及其性能的相关研究鲜见报道.

2 生物炭制备与应用的国内外进展

Lehmann[15]提出，生物炭是在缺氧或低氧条件下生物质经高温热裂解后形成的一种具有高度芳香化、富含碳素、性质稳定的固体颗粒物质.生物炭具有较大的比表面积和孔隙度，可溶性低，是天然的吸附材料，因此生物炭及其复合材料在环境、农业、化工、能源等领域中的应用引起了普遍关注.这主要是由于生物炭的原材料大部分为废弃生物质，随着将废弃生物质视为一种有效资源，生物炭制备技术与应用研究逐渐受到各领域专家和学者们的重视.

2.1 生物炭的制备及其影响因素

生物炭的制备是生物炭在各领域中应用的重要前提.制备生物炭所需的生物质原料包括各种天然物质及其衍生物，如木屑、农业和工业活动产生的有机废弃物、城市固体垃圾、污泥、禽畜粪便、水生植物和藻类等[16-17].其中，利用农业废弃物制备生物炭较为常见，如稻杆、稻壳、秸秆、竹、椰壳等，其主要组成是C、H、O、N和灰分，并含有大量的高分子、高密度的碳水化合物和多种矿物质[18].

生物炭的制备方法主要有热裂解、微波炭化、水热炭化、高温气化等[3, 19]，其中热裂解法是最为常用的生物炭制备方法之一，又称为限氧升温炭化法，温度一般控制在300～650 ℃.生物质原材料种类、热裂解温度和时间等是热裂解过程的主要影响因素.据相关报道，生物炭的性质，如生物炭的空间结构、性能等，是由制备的生物质原材料的种类决定的[20].Ameloot等[21]利用了多种生物质制备生物炭并对其性能开展研究，得出结论，制备材料中的生物质木质素与制备后的生物炭中芳香碳的量以及碳氮比呈现正相关.在相同裂解条件下，不同材料来源制备生物炭的稳定性、应用效能亦不相同，如对污染物的吸附能力、对土壤理化性质的影响等[22-23].与生物质原材料一样，裂解条件中的裂解温度和时间同样在生物炭制备过程中起到重要的作用，既会对制备过程中生物炭的产生量带来影响，也会影响到生物炭的表面孔结构与吸附效果.陆海楠等[24]通过在不同裂解温度和保留时间下制备生物炭，探析了生物炭的稳定性，结果表明，裂解温度和保留时间与生物炭中的芳环结构和生物炭芳香化呈现正相关，裂解温度和保留时间与生物炭中甲基、亚甲基和氢碳比例呈现负相关，这说明了裂解温度和时间能影响生物炭的性状.纵观国内外现有研究，生物炭制备技术、性能表征的研究大多以农业废弃物为原料[25-26].然而，以城市绿地植物废弃物为原料，开展生物炭制备条件和方法、生物炭表面结构、吸附性能等研究相对较少.尤其是现阶段，面临着城市绿地植物废弃物逐年增加这一重要生态环境问题凸显，更应该为生物炭的制备与应用探寻一种新资源.

2.2 生物炭复合材料的制备与应用

目前，生物炭在环境保护、农业土壤改良等方面的广泛应用备受国内外学者的青睐，为了弥补在高温裂解制备中离子官能团丢失、吸附反应后难以固液分离等缺点，部分学者为改变原有的生物炭的理化性能，探索了生物炭与其他材料制备生物炭复合材料，以提高制备材料的吸附性能.目前，通过向生物质原材料中混合其他材料，经过高温裂解制备成复合材料.例如，生物炭-磁性复合材料、生物炭-纳米复合材料、生物炭-无机复合材料等(表1)是目前较为多见的生物炭复合材料，主要应用在对污染物的去除、土壤修复、土壤改良等方面.如，解宏端等[31]制备了镧(La)掺杂TiO2负载活性碳纤维表面上的光催化剂(La-TiO2/ACF)，通过表征其结构与组成发现在催化剂表面形成了均匀的掺杂型，并且La元素有效地阻止了TiO2从锐钛矿相向金红石相的转变，同时使TiO2晶粒尺寸减少，比表面积增大；在印染废水处理过程中，废水的脱色率最高可达90%.

表1 生物炭复合材料主要类型与用途

3 生物炭-氮肥复合材料的前景

生物炭在土壤环境中具有重要的作用，能够改变土壤紧实度、持水能力和土壤颗粒大小分布等物理性质；提高酸性土壤pH值、盐基饱和度、离子交换量和有机碳等化学性质；改变土壤微生物群落结构和酶活性等生物性质[32]. 目前，生物炭复合材料主要分布在无机材料、碳纳米材料、纳米氧化物等研究领域，关于生物炭与肥料复合及应用方面的研究还十分有限[33-34]. 而且，生物炭在农业领域的应用，学者们往往忽略生物炭的负载能力.若将肥料负载在生物炭上，势必增强延缓养分的释放能力，减少土壤养分的淋失，进而提高肥料的利用效率.但是，负载氮肥生物炭的制备、孔径分布与结构调控等技术尚不十分清楚.更重要的是，现有研究缺少对负载氮肥的生物炭复合材料效能进行客观全面的分析与评价.关于生物炭负载氮肥对土壤质量的影响，以及氮肥缓释作用综合评价等相关研究仍较为鲜见.因此，拓宽生物炭复合材料的选材范围，尤其是以城市绿地植物废弃物为原料，选择不同类型氮肥，摸索生物炭孔结构的定向调控及负载氮肥的制备条件，探讨其缓效释肥的动力学过程，可为生物炭资源高效利用、农业土壤培肥改良提供可靠的科学依据.

4 研究展望

生物炭及其应用价值已经受到广泛关注.然而，对于生物炭的制备、材料选择、成本降低等方面仍需要继续探索和研究.尤其是要以“废物资源化利用”为指导思想，用含碳的废弃物(如城市绿地大量植物废弃物)来制备生物炭，能够为解决废弃物无法合理处置的难题找到一个新的途径. 因此，建议以功能为导向，深入开展生物炭制备与孔结构定向调控的相关研究，摸索生物炭负载条件，研发生物炭新型复合材料，科学评价其应用效果，为生物炭及其复合材料在农业、环保等领域中得到有效运用提供重要的支撑.