生物炭在环境保护中的研究进展

杨晨 济南市生态环境保护综合行政执法支队槐荫大队

在环境保护领域，生物炭的应用日益增多，对这些工作得到的结论进行归纳总结可以帮助研究者系统地认识这个领域。此外，生物炭的负面影响如对实际环境的影响尚不清楚，多次使用后碳结构的崩塌、流失可能导致表面吸附的多环芳烃污染物和金属离子重新向环境释放。此外，稳定性好、表面积大、吸附性能优异的生物炭尚未能实现工业化生产。上述问题需要在应用过程中进一步研究。目前的研究多集中在生物炭材料的制备或改性方面，对其在环境保护领域的应用以及具体的作用机理缺少深入的归纳。

本文在综述生物炭环境应用的基础上，对其在土壤修复与改良、固碳、水污染处理和有机物催化降解等方面的应用进行了系统的总结和分析，并在次基础上对未来的研究重点提出了建议，推进生物炭在环境保护领域的工业化应用。

1 生物炭的介绍

1.1 生物炭的定义和特点

在有无氧或缺氧条件下，有机生物原料经过特定的热解过程产生的富碳物质即生物炭，如花生壳和植物桔梗等农业废物均可用作生产生物炭的原料。生物炭具有大比表面积、较强的阳离子交换能力、吸附能力和稳定的结构。为进一步增大比表面积，可以采用酸或碱腐蚀的方法进行改性。酸和碱处理不仅能提高比表面积，同时还会改善生物炭表面的官能团结构，有利于阳离子和一些有机物分子的表面吸附。综上所述，生物炭可以在多个环境保护领域中发挥功效，包括但不限于土壤修复与改良、固碳、水污染处理和有机物催化降解。

1.2 与传统活性炭对比

在多个领域中，活性炭通常是生物炭的同功能产品。尽管两者的主体同为碳结构，但在元素组成、表面官能团、孔隙结构等理化性质方面存在显著的差异，因此对于个别具体的领域可能展现出截然不同的性能。在废水处理过程中，生物炭在初始浓度较高的化学需氧量条件下表现出比活性炭更高的吸附能力。在厌氧消化过程中，生物炭可以促进有机废物的降解并产生大量的甲烷气体，根据可靠报道其产率较活性炭可提升86.6%。在催化降解过程中，生物炭表面的官能团可以促进过硫酸盐活化，产生出丰富的硫酸根自由基或羟基自由基，催化三氯沙等常见有机污染物的完全降解，而使用活性炭的对照组则不能实现该功能。

2 生物炭的应用

2.1 土壤的修复及改良

生物炭是土壤修复技术常用的材料之一，可以有效去除有机污染物和重金属的污染。生物炭发挥该功能的主要机理是表面吸附，具体的吸附机理包括与污染物发生物理吸附，通过氢键、配位键、π-π 键堆叠、氧化还原和酸碱相互作用等化学吸附。

生物炭的吸附能力与其几何结构（孔结构和比表面积）和表面官能团等理化性质直接相关，而其理化性质在一定程度上取决于其制备条件。一般来说，生物炭制备条件的选择应该综合考虑结构和产量。影响最大的制备条件是热解温度，一方面高温热解有利于有机物挥发，从而造成多孔、表面积大的生物炭结构；但另一方面过高的温度可能导致有机物过度挥发而降低生物炭的产量。

生物炭对土壤中重金属离子的去除效果，如Cr、Cu、Cd、Zn 和Pb 等离子，受到水体pH 值、生物炭表面官能团、表面电荷和孔结构等几个因素的影响。目标重金属离子的种类和理化性质也会在一定程度上影响吸附效果，例如Pb 在上述列举的多种重金属离子中最容易被吸附；吸附的离子达到饱和时容易通过离子交换的方式重新释放到水体中。

生物炭在表面改性后还具备中和土壤酸性，增加阳离子交换能力和土壤肥力的功效。对土壤肥力的改善可以归结为：①提高了土壤团聚体的稳定性；②有利于土壤维持疏松，孔隙度增加，有利于储存大量的水分，即提高了土壤的持水保湿能力；③为微生物提供适宜的栖息地，可以催化有机物转化为肥料。

因此，尽管生物炭的加入导致堆积密度降低，合适的生物炭用量可以促进作物生长并提高产量。然而，不同物种作物适合的生物炭添加量可能存在较大的差异，也受到土壤种类的影响，需要进行更充实的研究。

2.2 固碳

土壤是一种重要的碳汇，其在全球碳循环中发挥着重要作用，直接和间接影响气候变化。固碳指的是减少土壤中二氧化碳排放的方法。生物炭的框架与木炭、煤炭类似，通常难以被微生物消化降解，上述特点为生物炭在土壤固碳中的应用提供了可能。

生物炭对土壤固碳的影响已经进行了大量的研究。然而，不同机构观测到二氧化碳排放量存在较大的差异，未能取得一致的结果。可以肯定的是，生物炭对土壤固碳具有促进作用，但其固碳的机理是由于生物炭衍生的碳，而不是来自土壤有机质的碳。

根据溶解性的难易程度，可以将生物炭中的碳简单分类为易溶碳和难溶碳两种结构。在土壤中添加生物炭时，土壤微生物促进土壤有机质碳的转化，导致土壤初始碳矿化增加。然而，生物炭中的绝大多数碳为难溶碳，可以在土壤中存在很长时间。因此，添加生物炭所产生的碳输入量要高于易溶碳矿化产生的碳输出量。这就解释了生物炭的添加对碳矿化的促进作用，即对土壤固碳的促进作用。

生物炭的固碳机理尚不明确，具体机理可能与生物炭制备时采用的原料类型和热解条件密切相关。其中，热解条件对生物炭的理化特性有重要影响，因此有必要从原料和制备工艺的角度研究生物炭的固碳机理。此外，在研究生物炭的固碳作用时，需要综合考虑土壤成分、微生物种群、湿度、pH 等环境条件对具体作用过程的影响。

2.3 水污染治理

研究表明，生物炭对有机污染物和重金属离子污染物的去除功能不仅可以在土壤中进行，也可以在水和废水中进行。后者的吸附量/去除率既取决于目标污染物的理化性质，也取决于生物炭的自身结构。

类似于在土壤中去除重金属离子，生物炭通过吸附作用去除水生环境中重金属离子，其吸附作用与生物炭结构、重金属离子种类密切相关。对于羧基、羰基、氨基等强配位官能团修饰的生物炭，其吸附量较无官能团修饰的生物炭显著增加。值得一提的是，铵离子也可以通过上述过程去除，但铵离子与重金属离子之间存在竞争吸附，这是因为上述物质的吸附位点高度重合。

2.4 有机物催化降解

由于生物炭可以为细菌等微生物提供丰富的栖息地，因此除物理/化学吸附作用外，生物炭还具备去除有机物的功能。然而，在实际应用过程中，水中同时存在多种污染物，如重金属离子和有机污染物。当两者共存时生物炭对有机污染物的催化降解能力往往会被削弱，一方面是重金属离子对微生物可能具有毒化作用，抑制了微生物的活性；另一方面是重金属离子与有机污染物发生了竞争吸附，限制了生物炭空隙中微生物与有机物的接触效率。此外，水的流动和稀释作用也会影响生物炭对污染物的吸附。

3 未来研究重点

生物炭作为一种潜在经济效益巨大且对环境友好的新型碳材料，尽管近年来对其生产和应用方面的研究越来越多，但仍存在一些研究空白，因此应加强以下方面的研究。

3.1 工业化进程

不同的原料组成、尺寸大小、热解条件和生物炭的改性对所制得的生物炭的环境保护性能有显著影响。未来的研究应该对上述参数进行系统的研究，并开发生物炭多种复合改性方法，并提出低成本高产量的工业化制备方法以生产出适合特定用途的生物炭。

3.2 应用领域拓展

利用活性生物炭处理常见污染物已受到广泛关注，但对新兴污染物却鲜有研究，未来需要对活性生物炭去除新兴污染物进行更多的研究，并采取可复现的、系统的方法分析生物炭的特性，更准确地阐明活性生物炭在去除新兴污染物中功能的深层机制，这将有助于开发更有效的生物炭生产方法，并优化其在环境保护领域实际应用中的功效。

3.3 结构稳定性与吸附质溶出

随着生物炭的广泛应用，我们应该注意到它对环境的负面影响，稳定性、再利用和后处理等问题不可忽视。稳定性是生物炭在环境中应用时必须考虑的重要特性之一。生物炭主要由碳结构组成。一般来说，生物炭的稳定性是指碳结构的稳定性，可以借助拉曼光谱对其石墨化程度、无序碳含量等结构指标进行评估。同时，也可以采用酸或碱溶液浸泡的方式评估其在不同pH 环境下的结构稳定性。在重金属离子吸附与解析过程中，生物炭表面的官能团可能逐渐脱落，孔隙可能逐渐堵塞，导致生物炭结构被破坏。因此，生物炭在多次使用后吸附能力可能大幅下降，且结构稳定性可能随之一同下降。破碎的生物炭密度低体积小，与水混合难以分离，直接关系到水的质量和废水的处理过程。

3.4 环境毒性

除了稳定性外，生物炭对微生物的潜在毒性也应引起注意。低剂量的生物炭可以促进土壤微生物的酶活性或对其无显著影响，即低剂量的生物炭对微生物的毒性可以忽略不计。相比之下，高剂量生物炭通过诱导活性氧物种的形成并对细胞产生明显的细胞毒性和基因毒性作用，破碎的生物炭还可能通过胞吞胞吐的方式进入细胞引起细胞功能紊乱，因此有必要对其潜在的环境毒性进行更多的研究。

4 结语

本文系统地介绍了生物炭在环境保护领域，特别是在土壤修复与改良、固碳、水污染处理和有机物催化降解中的应用及其主要机理，并对其未来发展方向进行了展望。并对其在实际应用环境中的稳定性和功效进行了评估，深入了解其对实际环境的潜在影响，认为生物炭的工业化制备条件还需要根据具体环境和功能需求针对性地设计和改性。